какая реакция энергетически более выгодна в расчете на один нуклон синтез легких ядер или деление
Какая реакция энергетически более выгодна в расчете на один нуклон синтез легких ядер или деление
1. Какая реакция называется термоядерной?
Термоядерной называется реакция слияния лёгких ядер (таких как водород, гелий и др.), происходящая при температурах от десятков до сотен миллионов градусов.
2. Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?
Создание высокой температуры необходимо для придания 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 (слияние) ядер.
3. Какая реакция энергетически более выгодна (в расчете на один нуклон): синтез легких ядер или деление тяжелых?
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.
4. Приведите пример термоядерной реакции.
Примером термоядерной реакции может служить слияние изотопов водорода (дейтерия и трития), в результате чего образуется гелий и излучается нейтрон:
Это первая термоядерная реакция, которую учёным удалось осуществить.
Она была реализована в термоядерной бомбе и носила неуправляемый (взрывной) характер.
5. В чем заключается одна из основных трудностей при осуществлении термоядерных реакций?
6. Какова роль термоядерных реакций в существовании жизни на Земле?
В результате термоядерных реакций, протекающих на Солнце, выделяется энергия, необходимая для жизни на Земле.
7. Какие гипотезы об источниках энергии Солнца вы знаете?
На счёт того, что является «топливом», за счёт которого на Солнце вырабатывается огромное количество энергии в течение столь длительного времени, существовали разные гипотезы:
а) Энергия на Солнце выделяется в результате химической реакции горения.
Но в этом случае, Солнце могло бы просуществовать всего несколько тысяч лет, что противоречит действительности.
б) В середине 19 в. считали, 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.
8. Что является источником энергии Солнца по современным представлениям?
Предположение о том, что выделение энергии на Солнце происходит в результате протекания на нём термоядерных реакций, было высказано в 1939 г. американским физиком Хансом Бете.
Им был предложен водородный цикл, т. е. цепочка из трёх термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода:
– частица, называемая «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «маленький нейтрон».
Чтобы получились два ядра 
, необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.
9. На какой период должно хватить запаса водорода на Солнце по подсчетам ученых?
В соответствии с формулой Е = mс 2 с уменьшением внутренней энергии тела уменьшается и его масса.
Масса Солнца ежесекундно уменьшается на несколько миллионов тонн.
Но, несмотря на потери, запасов водорода на Солнце должно хватить ещё на 5-6 миллиардов лет.
Вопросы § 62
Физика А.В. Перышкин
1.Какая реакция называется термоядерной? Приведите пример реакции.
Термоядерной реакцией называется реакция слияния легких ядер (водород, гелий), проходящая при температуре порядка сотен миллионов градусов.
2. Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?
Слияние ядер возможно если они преодолеют силы электростатического отталкивания, что возможно, если им сообщена достаточно большая скорость, которой они могут обладать только при высокой температуре.
3. Какая реакция энергетически более выгодна (в расчёте на один нуклон): синтез лёгких ядер или деление тяжёлых?
Слияние ядер более выгодно энергетически.
4. В чём заключается одна из основных трудностей при осуществлении термоядерных реакций?
Одной из основных трудностей при управляемом термоядерном синтезе — удержать высокотемпературную плазму внутри установки так, чтобы она не касалась стенок.
5. Какова роль термоядерных реакций в существовании жизни на Земле?
За счет термоядерного синтеза на Солнце выделяется энергия, которая поддерживает жизнь на Земле.
6. Что является источником энергии Солнца по современным представлениям?
В разные времена существовали разные гипотезы об источниках энергии Солнца. По одной из них энергия выделялась в результате процессов горения, по другой за счет гравитационного сжатия.
По современным представлениям энергия на Солнце выделяется в результате протекания термоядерных реакций (водородный цикл).
7. На какой период должно хватить запаса водорода на Солнце по подсчётам учёных?
По подсчетам ученых запасов водорода хватит на 5-6 миллиардов лет.
Ответы на вопросы “Физика атомного ядра. § 87. Термоядерный синтез”
1. Почему синтез легких ядер энергетически более выгоден, чем реакция деления тяжелых?
2. Почему реакции слияния легких ядер могут протекать лишь при температурах порядка миллионов градусов? Приведите оценку такой температуры.
Для преодоления кулоновского отталкивания ядра должны обладать большой кинетической энергией. Давайте ее оценим.
Пусть ядра дейтерия и трития сблизились на
Средняя кинетическая энергия равна
Получаем, что температура больше или равна
3. Почему реакции слияния легких ядер называют термоядерными? Какую ядерную реакцию называют термоядерным синтезом?
Такие реакции называют термоядерными, потому что могут протекать только при температурах порядка сотен миллионов градусов.
4. В чем преимущества управляемого термоядерного синтеза по сравнению с управляемым делением ядер, осуществляемым в ядерном реакторе?
В том, что в результате не образуются радиоактивные отходы, то есть нет риска загрязнения окружающей среды.
5. Почему при высоких температурах только магнитное поле может удерживать плазму в замкнутом объеме?
Потому что такие температуры не выдерживает ни одна оболочка, и удержать движущуюся плазму в замкнутом объеме можно только с помощью магнитного поля.
Вопросы.
1. Какая реакция называется термоядерной?
Термоядерной реакцией называется реакция слияния легких ядер (водород, гелий), проходящая при температуре порядка сотен миллионов градусов.
2. Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?
Слияние ядер возможно если они преодолеют силы электростатического отталкивания, что возможно, если им сообщена достаточно большая скорость, которой они могут обладать только при высокой температуре.
3. Какая реакция энергетически более выгодна (в расчете на один нуклон): синтез легких ядер или деление тяжелых?
Слияние ядер более выгодно энергетически.
4. Приведите пример термоядерной реакции.
5. В чем заключается одна из основных трудностей при осуществлении термоядерных реакций?
6. Какова роль термоядерных реакций в существовании жизни на Земле?
За счет термоядерного синтеза на Солнце выделяется энергия, которая поддерживает жизнь на Земле.
7. Какие гипотезы об источниках энергии Солнца вы знаете?
В разные времена существовали разные гипотезы об источниках энергии Солнца. По одной из них энергия выделялась в результате процессов горения, по другой за счет гравитационного сжатия.
8. Что является источником энергии Солнца по современным представлениям?
По современным представлениям энергия на Солнце выделяется в результате протекания термоядерных реакций (водородный цикл).
9. На какой период должно хватить запаса водорода на Солнце по подсчетам ученых?
По подсчетам ученых запасов водорода хватит на 5-6 миллиардов лет.
§ 62. Термоядерная реакция
Создание высокой температуры необходимо для придания 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 § 58 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:
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.
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 на нём термоядерных реакций, было высказано в 1939 г. американским физиком Хансом Бете.
Им же был предложен так называемый водородный цикл, т. е. цепочка из трёх термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода:
где 
— частица, называемая «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «маленький нейтрон».
Чтобы получились два ядра 
необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.
Вы уже знаете, что в соответствии с формулой Е = mс 2 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—б миллиардов лет.
Такие же реакции протекают в недрах других звёзд, масса и возраст которых сравнимы с массой и возрастом Солнца.
Вопросы
1. Какая реакция называется термоядерной? Приведите пример реакции.
2. Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?
3. Какая реакция энергетически более выгодна (в расчёте на один нуклон): синтез лёгких ядер или деление тяжёлых?
4. В чём заключается одна из основных трудностей при осуществлении термоядерных реакций?
5. Какова роль термоядерных реакций в существовании жизни на Земле?
6. Что является источником энергии Солнца по современным представлениям?
7. На какой период должно хватить запаса водорода на Солнце по подсчётам учёных?