какая реакция называется термоядерной приведите пример реакции
Какая реакция называется термоядерной приведите пример реакции
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.
Термоядерные реакции
Урок 54. Физика 9 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока “Термоядерные реакции”
Мы уже знаем, что тяжёлые ядра из конца периодической системы элементов «склонны» к распаду — это так называемые реакции деления. В результате таких реакций выделяется большое количество энергии, которую люди научились использовать в своих целях.
Также график зависимости удельной энергии связи от числа частиц в ядре позволяет спрогнозировать ещё один вид энергетически выгодных реакций — реакций синтеза (то есть слияния) лёгких ядер. Например, изотопы наиболее лёгкого элемента водорода — дейтерий и тритий — имеют малую энергию связи. В случае объединения двух таких лёгких ядер образуется атомное ядро с большей энергией связи. Следовательно, такие реакции должны сопровождаться выделением энергии.
Как мы упоминали, частицы в атомном ядре удерживаются ядерными силами, которые действуют только на сверхмалых расстояниях. Что же необходимо, чтобы два ядра смогли объединиться в одно ядро более тяжёлого элемента?
Очевидно, что ядра нужно сблизить на столь малое расстояние, чтобы «в игру вступили» ядерные силы. Но этому сближению будут препятствовать силы электрического отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Поэтому для преодоления этих сил, ядра изотопов изначально должны обладать большой кинетической энергией. А большая кинетическая энергия теплового движения ядер означает, что вещество должно обладать высокой температурой.
Реакции слияния лёгких ядер, происходящие при очень высоких температурах (от десятков до сотен миллионов градусов), называются термоядерными.
Простейшим примером термоядерной реакции является преобразование двух ядер дейтерия в ядро гелия.
Если бы этот процесс удалось использовать для производства энергии, то он оказался бы в десять раз эффективнее процесса деления урана.
Возможность использования термоядерных реакций открывает перед человечеством новый путь получения энергии. Одной из самых перспективных в этом отношении является реакция синтеза дейтерия и трития, в результате которой образуется гелий и вылетает свободный нейтрон.
Давайте рассчитаем энергию, выделяющуюся при такой реакции синтеза.
Одной из основных проблем, возникающих при попытке осуществить управляемый термоядерный синтез — это удержания высокотемпературной дейтерий-тритиевой смеси. Эта смесь не должна касаться стенок установки, в которой она находится, иначе стенки просто испарятся. Ещё в середине двадцатого века российские учёные Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм предложили для удержания термоядерной смеси использовать магнитное поле особой конфигурации. Данная идея в последствии была реализована в установках типа «ТОКОМАК» — тороидальная камера с магнитными катушками. В этих установках с помощью магнитных полей и удерживается плазма из дейтерий-тритиевой смеси. А поскольку плазма — это почти полностью ионизированный газ, то она подвержена влиянию магнитных полей: плазма скручивается в шнур, не касается стенок камеры и, как следствие, не приносит ей никакого вреда.
В естественных условиях термоядерные реакции синтеза происходят в недрах звёзд и являются основным источником их энергии. Поэтому термоядерные реакции играют очень важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней. Так, например, на стадии зарождения звезды из газового водородного облака силы всемирного тяготения сжимают водород до такой степени, что в центре образовавшейся звезды температура возрастает до десятков миллионов градусов. В результате внутри звезды начинают протекать термоядерные реакции, и она в течение миллиардов лет светит, излучая энергию. А в недрах звезды «выпекаются» более тяжёлые химические элементы.
Вы наверняка знаете, что наша звезда излучает свет и тепло уже более 4,5 миллиардов лет. Конечно же долгое время учёные не могли найти ответ на главный вопрос о том, что является «топливом», за счёт которого Солнце вырабатывает столь огромное количество энергии в течении такого длительного промежутка времени.
Например, одни считали, что эта энергия выделяется в результате обычной химической реакции горения. Правда в этом случае Солнце должно было бы сгореть через несколько тысяч лет, после начала горения. Другие считали, что увеличение внутренней энергии и как следствие увеличение температуры Солнца, происходит из-за его гравитационного сжатия. При такой гипотезе срок «службы» Солнца увеличивался до нескольких миллионов лет, но никак не до миллиардов.
И лишь в 1938 году американским астрофизиком Хансом Альбрехтом Бете было высказано предположение о том, что энергию Солнце получает за счёт термоядерных реакций, происходящих в его недрах. Им же был открыт водородный (или протон-протонный) цикл — цепочка из трёх термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода.
Обратите внимание на то, что для образования двух ядер гелия-3, необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.
Что бы представить, какое огромное количество энергии Солнце теряет в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что ежесекундно масса нашего светила уменьшается на несколько миллионов тонн! И несмотря на это, по оценкам многих специалистов, запасов «топлива» на Солнце хватит ещё где-то на 5—6 миллиардов лет.
В 2005 году общественности был представлен международный проект экспериментального термоядерного реактор ИТЭР для осуществления управляемой термоядерной реакции.
Его планируется возвести в исследовательском центре Кадараш на юге Франции. Стройку изначально планировалось закончить в 2016 году, однако, по мере строительства, срок начала экспериментов сдвинулся к 2025 году.
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.
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—6 миллиардов лет.
Такие же реакции протекают в недрах других звёзд, масса и возраст которых сравнимы с массой и возрастом Солнца.
Вопросы
Это любопытно.
Элементарные частицы. Античастицы
Частицы, из которых состоят атомы различных веществ — электрон, протон и нейтрон, — назвали элементарными. Слово «элементарный» подразумевало, что эти частицы являются первичными, простейшими, далее неделимыми и неизменяемыми. Но вскоре оказалось, что эти частицы вовсе не являются неизменяемыми. Все они обладают способностью превращаться друг в друга при взаимодействии.
Поэтому в современной физике термин «элементарные частицы» обычно употребляется не в своём точном значении, а для наименования большой группы мельчайших частиц материи, не являющихся атомами или ядрами атомов (исключение составляет протон, представляющий собой ядро атома водорода и в то же время относящийся к элементарным частицам).
В настоящее время известно более 350 различных элементарных частиц. Частицы эти очень разнообразны по своим свойствам. Они могут отличаться друг от друга массой, знаком и величиной электрического заряда, временем жизни (т. е. временем с момента образования частицы и до момента её превращения в какую-либо другую частицу), проникающей способностью (т. е. способностью проходить сквозь вещество) и другими характеристиками. Например, большинство частиц являются «коротко-живущими» — они живут не более двух миллионных долей секунды, в то время как среднее время жизни нейтрона, находящегося вне атомного ядра, 15 мин.
Важнейшее открытие в области исследования элементарных частиц было сделано в 1932 г., когда американский физик Карл Дейвид Андерсон обнаружил в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле, след неизвестной частицы. По характеру этого следа (по радиусу кривизны, направлению изгиба и пр.) учёные определили, что он оставлен частицей, которая представляет собой как бы электрон с положительным по знаку электрическим зарядом. Эту частицу назвали позитроном.
Интересно, что за год до экспериментального открытия позитрона его существование было теоретически предсказано английским физиком Полем Дираком (существование именно такой частицы следовало из выведенного им уравнения). Более того, Дирак предсказал так называемые процессы аннигиляции (исчезновения) и рождения электрон-позитронной пары. Аннигиляция заключается в том, что электрон и позитрон при встрече исчезают, превращаясь в γ-кванты (фотоны). А при столкновении γ-кванта с каким-либо массивным ядром происходит рождение электрон-позитронной пары.
Оба эти процесса впервые удалось пронаблюдать на опыте в 1933 г. На рисунке 166 показаны треки электрона и позитрона, образовавшихся в результате столкновения γ-кванта с атомом свинца при прохождении γ-лучей сквозь свинцовую пластинку. Опыт проводился в камере Вильсона, помещённой в магнитное поле. Одинаковая кривизна треков свидетельствует об одинаковой массе частиц, а искривление в разные стороны — о противоположных знаках электрического заряда.
Рис. 166. Треки электрон-позитронной пары в магнитном поле
В 1955 г. была обнаружена еще одна античастица— антипротон (существование которой тоже вытекало из теории Дирака), а несколько позже — антинейтрон. Антинейтрон, так же как и нейтрон, не имеет электрического заряда, но он, бесспорно, относится к античастицам, поскольку участвует в процессе аннигиляции и рождения пары нейтрон—антинейтрон.
Возможность получения античастиц привела учёных к идее о создании антивещества. Атомы антивещества должны быть построены таким образом: в центре атома — отрицательно заряженное ядро, состоящее из антипротонов и антинейтронов, а вокруг ядра обращаются позитроны. В целом атом нейтрален. Эта идея тоже получила блестящее экспериментальное подтверждение. В 1969 г. на ускорителе протонов в г. Серпухове советские физики получили ядра атомов антигелия.
В настоящее время экспериментально обнаружены античастицы почти всех известных элементарных частиц.
Итоги главы. Самое главное
Ниже даны физические понятия и явления. Последовательность изложения определений и формулировок не соответствует последовательности понятий и т. п.