9-й класс онлайн читать: 2023 Физика Перышкин Учебник §67 «Термоядерная реакция». Цитаты из пособия «Перышкин, Иванов: Физика. 9 класс. Базовый уровень. Учебник (3-е изд.) ФГОС» использованы в учебных целях для семейного и домашнего обучения, а также для дистанционного обучения в период невозможности посещения образовательного учреждения.
Вернуться в ОГЛАВЛЕНИЕ учебника
§ 67. Термоядерная реакция
Содержание параграфа (стр.315-318)
Вы уже знаете, что в середине XX в. возникла проблема поиска новых источников энергии. В связи с этим внимание учёных привлекли термоядерные реакции.
✅ Термоядерной называют реакцию слияния лёгких ядер (таких как водород, гелий и др.), происходящую при температурах от десятков до сотен миллионов градусов.
Создание высокой температуры необходимо для сообщения ядрам достаточно большой кинетической энергии – только при этом условии ядра смогут преодолеть силы электрического отталкивания и сблизиться настолько, чтобы попасть в зону действия ядерных сил. На таких малых расстояниях силы ядерного притяжения значительно превосходят силы электрического отталкивания, благодаря чему возможен синтез (т. е. слияние, объединение) ядер.
В § 63 на примере урана было показано, что при делении тяжёлых ядер может выделяться энергия. В случае с лёгкими ядрами энергия может выделяться при обратном процессе – при их синтезе. Причём реакция синтеза лёгких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжёлых (если сравнивать выделившуюся энергию, приходящуюся на один нуклон).
Примером термоядерной реакции может служить слияние изотопов водорода (дейтерия и трития), в результате чего образуется гелий и излучается нейтрон:
21Н + 31Н → 42Не + 10n.
Это первая термоядерная реакция, которую учёным удалось осуществить. Она была реализована в термоядерной бомбе и носила неуправляемый (взрывной) характер.
Как уже было отмечено, термоядерные реакции могут идти с выделением большого количества энергии. Но для того чтобы эту энергию можно было использовать в мирных целях, необходимо научиться проводить управляемые термоядерные реакции. Одна из основных трудностей в осуществлении таких реакций заключается в том, чтобы удержать внутри установки высокотемпературную плазму (почти полностью ионизированный газ), в которой и происходит синтез ядер. Плазма не должна соприкасаться со стенками установки, в которой она находится, иначе стенки обратятся в пар. В настоящее время для удерживания плазмы в ограниченном пространстве на соответствующем расстоянии от стенок применяются очень сильные магнитные поля сложной конфигурации.
Термоядерные реакции играют важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней. Благодаря термоядерным реакциям, протекающим в недрах Солнца, выделяется энергия, дающая жизнь обитателям Земли.
Наше Солнце излучает в пространство свет и тепло уже почти 4,6 млрд лет. Естественно, что во все времена учёных интересовал вопрос о том, что является «топливом», за счёт которого на Солнце вырабатывается огромное количество энергии в течение столь длительного времени. На этот счёт существовали разные гипотезы. Одна из них заключалась в том, что энергия на Солнце выделяется в результате химической реакции горения. Но в этом случае, как показывают расчёты, Солнце могло бы просуществовать всего несколько тысяч лет, что противоречит действительности.
Оригинальная гипотеза была выдвинута в середине XIX в. Она состояла в том, что увеличение внутренней энергии и соответствующее повышение температуры Солнца происходит за счёт уменьшения его потенциальной энергии при гравитационном сжатии. Она тоже оказалась несостоятельной, так как в этом случае срок жизни Солнца увеличивается до миллионов лет, но не до миллиардов.
Предположение о том, что выделение энергии на Солнце происходит в результате протекания в его недрах термоядерных реакций, было высказано в 1939 г. американским физиком Хансом Бете (1906–2005). Им же был предложен так называемый водородный цикл, т. е. цепочка из трёх термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода:
где 00v – частица, называемая «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «маленький нейтрон». Чтобы получились два ядра 32Не, необходимые для третьей реакции, первые две реакции должны произойти дважды.
Вы уже знаете, что в соответствии с формулой Е0 = mс2 с уменьшением внутренней энергии тела уменьшается и его масса. Чтобы представить, какое колоссальное количество энергии теряет Солнце в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что масса Солнца ежесекундно уменьшается на несколько миллионов тонн. Но, несмотря на потери, запасов водорода на Солнце должно хватить ещё на 5–6 млрд лет. Такие же реакции протекают в недрах других звёзд, масса и возраст которых сравнимы с массой и возрастом Солнца.
Вопросы на стр.318
- Какую реакцию называют термоядерной? Приведите пример реакции.
- Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?
- Какая реакция энергетически более выгодна (в расчёте на один нуклон): синтез лёгких ядер или деление тяжёлых?
- В чём заключается одна из основных трудностей при осуществлении управляемых термоядерных реакций?
- Какова роль термоядерных реакций в существовании жизни на Земле?
- Что является источником энергии Солнца по современным представлениям?
- На какой период должно хватить запаса водорода на Солнце по подсчётам учёных?
Возможные ОТВЕТЫ на вопросы
Ответ на вопрос № 1. Какую реакцию называют термоядерной? Приведите пример реакции.
Термоядерная реакция — это слияние лёгких ядер (например, водорода или гелия) при сверхвысоких температурах.
Пример:
(дейтерий + тритий → гелий + нейтрон).
Ответ на вопрос № 2. Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?
Высокие температуры (десятки-сотни миллионов градусов) необходимы, чтобы ядра преодолели электростатическое отталкивание и сблизились на расстояние действия ядерных сил.
Ответ на вопрос № 3. Какая реакция энергетически более выгодна (в расчёте на один нуклон): синтез лёгких ядер или деление тяжёлых?
Синтез лёгких ядер энергетически выгоднее деления тяжёлых (больше энергии на один нуклон).
Ответ на вопрос № 4. В чём заключается одна из основных трудностей при осуществлении управляемых термоядерных реакций?
Основная трудность — удержание высокотемпературной плазмы в магнитном поле, чтобы она не разрушила стенки реактора.
Ответ на вопрос № 5. Какова роль термоядерных реакций в существовании жизни на Земле?
Термоядерные реакции в недрах Солнца выделяют энергию, обеспечивающую свет и тепло на Земле, необходимое для жизни.
Ответ на вопрос № 6. Что является источником энергии Солнца по современным представлениям?
Источник энергии Солнца — цепочка термоядерных реакций (водородный цикл), предложенная Хансом Бете, где водород превращается в гелий.
Ответ на вопрос № 7. На какой период должно хватить запаса водорода на Солнце по подсчётам учёных?
Запаса водорода на Солнце хватит ещё на 5–6 миллиардов лет.
Это любопытно…
Вы смотрели: Физика Перышкин Учебник §67 онлайн читать. Цитаты из пособия «Перышкин, Иванов: Физика. 9 класс. Базовый уровень. Учебник (3-е изд.) ФГОС» использованы в учебных целях для семейного и домашнего обучения.