Номер 3, страница 250 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

3. Каковы условия осуществления ядерной реакции синтеза?

3. Каковы условия осуществления ядерной реакции синтеза?

Ядерная реакция синтеза — это процесс, при котором два или более легких атомных ядра объединяются, образуя одно или несколько более тяжелых ядер и субатомные частицы (нейтроны или протоны). Этот процесс сопровождается высвобождением колоссального количества энергии. Чтобы запустить и поддерживать такую реакцию, необходимо выполнить три основных условия, часто называемые критерием Лоусона:

1. Экстремально высокая температура. Атомные ядра заряжены положительно и поэтому испытывают сильное электростатическое (кулоновское) отталкивание. Чтобы преодолеть этот барьер и сблизиться на расстояние, где начинают действовать мощные, но короткодействующие ядерные силы, ядра должны обладать огромной кинетической энергией. Это достигается при нагреве вещества до сверхвысоких температур — порядка сотен миллионов кельвинов. Например, для наиболее перспективной реакции синтеза дейтерия и трития (D-T синтез) требуется температура около $1,5 \times 10^8$ К. При такой температуре вещество переходит в состояние плазмы, где электроны отделены от ядер.

2. Высокая плотность плазмы. Необходимо, чтобы в единице объема находилось достаточно большое число ядер, что увеличит вероятность их столкновений и, следовательно, скорость реакции синтеза. В звездах, таких как наше Солнце, высочайшая плотность обеспечивается гравитационными силами. В земных условиях для удержания плазмы используются мощные магнитные поля (в установках типа токамак) или инерционное удержание, при котором топливную мишень сжимают со всех сторон мощными лазерными импульсами.

3. Достаточное время удержания плазмы. Горячую и плотную плазму необходимо удерживать в заданном объеме достаточно долго, чтобы успело произойти необходимое количество реакций синтеза, при котором выделяемая энергия превысит энергию, затраченную на нагрев и удержание плазмы. Произведение плотности частиц плазмы ($n$), температуры ($T$) и времени удержания энергии ($\tau_E$) должно превысить определенное пороговое значение, известное как тройное произведение Лоусона. Для D-T реакции оно составляет примерно $n T \tau_E > 5 \times 10^{21} \text{ кэВ} \cdot \text{с} \cdot \text{м}^{-3}$.

Ответ: Для осуществления ядерной реакции синтеза необходимы три условия: температура плазмы свыше 100 миллионов кельвинов, высокая плотность частиц в плазме и достаточное время удержания этой плазмы в стабильном состоянии.

4. Как называются наиболее известные изотопы водорода и как их обозначают?

Изотопы — это разновидности атомов одного химического элемента, которые имеют одинаковое число протонов в ядре (и, следовательно, одинаковый заряд ядра), но различаются числом нейтронов. У водорода есть три наиболее известных изотопа:

1. Протий (лат. Protium) — самый распространенный и легкий изотоп водорода (содержание в природе > 99.98%). Его ядро состоит всего из одного протона и не содержит нейтронов. Обозначение: $^1_1\text{H}$ или просто H.

2. Дейтерий (лат. Deuterium), также известный как "тяжелый водород". Ядро дейтерия, называемое дейтроном, состоит из одного протона и одного нейтрона. Обозначение: $^2_1\text{H}$ или D. В отличие от протия, дейтерий стабилен. Природная вода содержит примерно один атом дейтерия на 6420 атомов протия.

3. Тритий (лат. Tritium), или "сверхтяжелый водород". Ядро трития, называемое тритоном, содержит один протон и два нейтрона. Этот изотоп радиоактивен, его период полураспада составляет примерно 12,32 года. Он образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей, а также в ядерных реакторах. Обозначение: $^3_1\text{H}$ или T.

Ответ: Наиболее известные изотопы водорода — это протий (обозначается $^1_1\text{H}$), дейтерий (обозначается $^2_1\text{H}$ или D) и тритий (обозначается $^3_1\text{H}$ или T).