термоядерна реакція
фізика
Підручник для 9 класу
Ви вже знаєте, що в середині XX в. виникла проблема пошуку нових джерел енергії. У зв'язку з цим увагу вчених привернули термоядерні реакції.
- Термоядерної називається реакція злиття легких ядер (таких як водень, гелій і ін.), Яка відбувається при температурах від десятків до сотень мільйонів градусів
Створення високої температури необхідно для додання ядер досить великий кінетичної енергії - тільки за цієї умови ядра зможуть подолати сили електричного відштовхування і зблизитися настільки, щоб потрапити в зону дії ядерних сил. На таких малих відстанях сили ядерного тяжіння значно перевершують сили електричного відштовхування, завдяки чому може бути синтез (т. Е. Злиття, об'єднання) ядер.
У § 58 на прикладі урану було показано, що при розподілі важких ядер може виділятися енергія. У випадку з легкими ядрами енергія може виділятися при зворотному процесі - при їх синтезі. Причому реакція синтезу легких ядер енергетично більш вигідна, ніж реакція ділення важких (якщо порівнювати виділилася енергію, що припадає на один нуклон).
Прикладом термоядерної реакції може служити злиття ізотопів водню (дейтерію і тритію), в результаті чого утворюється гелій і випромінюється нейтрон:
Це перша термоядерна реакція, яку вченим вдалося здійснити. Вона була реалізована в термоядерної бомби і носила некерований (вибуховий) характер.
Як вже було зазначено, термоядерні реакції можуть йти з виділенням великої кількості енергії. Але для того щоб цю енергію можна було використовувати в мирних цілях, необхідно навчитися проводити керовані термоядерні реакції. Одна з основних труднощів у здійсненні таких реакцій полягає в тому, щоб утримати всередині установки високотемпературну плазму (майже повністю іонізований газ), в якій і відбувається синтез ядер. Плазма не повинна стикатися зі стінками установки, в якій вона знаходиться, інакше стінки звернуться в пар. В даний час для утримування плазми в обмеженому просторі на відповідній відстані від стінок застосовуються дуже сильні магнітні поля.
Термоядерні реакції відіграють важливу роль в еволюції Всесвіту, зокрема в перетвореннях хімічних речовин в ній.
Завдяки термоядерним реакцій, що протікають в надрах Сонця, виділяється енергія, яка дає життя мешканцям Землі.
Наше Сонце випромінює в простір світло і тепло вже майже 4,6 млрд років. Природно, що в усі часи вчених цікавило питання про те, що є «паливом», за рахунок якого на Сонце виробляється величезна кількість енергії протягом такого тривалого часу.
На цей рахунок існували різні гіпотези. Одна з них полягала в тому, що енергія на Сонце виділяється в результаті хімічної реакції горіння. Але в цьому випадку, як показують розрахунки, Сонце могло б проіснувати всього декілька тисяч років, що суперечить дійсності.
Оригінальна гіпотеза була висунута в середині XIX в. Вона полягала в тому, що збільшення внутрішньої енергії і відповідне підвищення температури Сонця відбувається за рахунок зменшення його потенційної енергії при гравітаційному стисненні. Вона теж виявилася неспроможною, тому що в цьому випадку термін життя Сонця збільшується до мільйонів років, але не до мільярдів.
Припущення про те, що виділення енергії на Сонці відбувається в результаті протікання на ньому термоядерних реакцій, було висловлено в 1939 р американським фізиком Хансом Бете.
Їм же був запропонований так званий водневий цикл. т. е. ланцюжок з трьох термоядерних реакцій, що приводить до утворення гелію з водню:
де - частка, яка називається «нейтрино», що в перекладі з італійської означає «маленький нейтрон».
Щоб вийшли два ядра, необхідні для третьої реакції, перші дві повинні відбутися двічі.
Ви вже знаєте, що відповідно до формули Е = mс 2 зі зменшенням внутрішньої енергії тіла зменшується і його маса.
Щоб уявити, яку колосальну кількість енергії втрачає Сонце в результаті перетворення водню в гелій, досить знати, що маса Сонця щосекунди зменшується на кілька мільйонів тонн. Але, незважаючи на втрати, запасів водню на Сонці повинно вистачити ще на 5-6 мільярдів років.
Такі ж реакції протікають в надрах інших зірок, маса і вік яких можна порівняти з масою і віком Сонця.
- Яка реакція називається термоядерної? Наведіть приклад реакції.
- Чому протікання термоядерних реакцій можливо тільки при дуже високих температурах?
- Яка реакція енергетично більш вигідна (в розрахунку на один нуклон): синтез легких ядер або ділення важких?
- У чому полягає одна з основних труднощів при здійсненні термоядерних реакцій?
- Яка роль термоядерних реакцій в існуванні життя на Землі?
- Що є джерелом енергії Сонця за сучасними уявленнями?
- На який період має вистачити запасу водню на Сонці за підрахунками вчених?
Це цікаво.
Елементарні частинки. античастинки
Частинки, з яких складаються атоми різних речовин - електрон, протон і нейтрон, - назвали елементарними. Слово «елементарний» мало на увазі, що ці частинки є первинними, найпростішими, далі неподільними і незмінними. Але незабаром виявилося, що ці частинки зовсім не є незмінними. Всі вони мають здатність перетворюватися один в одного при взаємодії.
Тому в сучасній фізиці термін «елементарні частинки» зазвичай вживається не в своєму точному значенні, а для найменування великої групи найдрібніших частинок матерії, що не є атомами або ядрами атомів (виняток становить протон, що представляє собою ядро атома водню і в той же час відноситься до елементарних частинкам).
В даний час відомо більше 350 різних елементарних частинок. Частинки ці дуже різноманітні за своїми властивостями. Вони можуть відрізнятися один від одного масою, знаком і величиною електричного заряду, часом життя (т. Е. Часом з моменту утворення частки і до моменту її перетворення в будь-яку іншу частку), проникаючу здатність (т. Е. Здатністю проходити крізь речовину ) і іншими характеристиками. Наприклад, більшість частинок є «коротко-живуть» - вони живуть не більше двох мільйонних часток секунди, в той час як середній час життя нейтрона, що знаходиться поза атомного ядра, 15 хв.
Найважливіше відкриття в області дослідження елементарних частинок було зроблено в 1932 р коли американський фізик Карл Дейвід Андерсон виявив в камері Вільсона, вміщеній в магнітне поле, слід невідомої частинки. За характером цього сліду (по радіусу кривизни, напрямку вигину і ін.) Вчені визначили, що він залишений часткою, яка представляє собою як би електрон з позитивним за знаком електричним зарядом. Цю частку назвали позитроном.
Цікаво, що за рік до експериментального відкриття позитрона його існування було теоретично передбачене англійським фізиком Полем Діраком (існування саме такої частки випливало з виведеного їм рівняння). Більш того, Дірак передбачив так звані процеси анігіляції (зникнення) і народження електрон-позитронної пари. Анігіляція полягає в тому, що електрон і позитрон при зустрічі зникають, перетворюючись в γ-кванти (фотони). А при зіткненні γ-кванта з будь-яким потужним ядром відбувається народження електрон-позитронної пари.
Обидва ці процесу вперше вдалося поспостерігати на досвіді в 1933 р На малюнку 166 показані треки електрона і позитрона, що утворилися в результаті зіткнення γ-кванта з атомом свинцю при проходженні γ-променів крізь свинцеву пластинку. Дослід проводився в камері Вільсона, вміщеній в магнітне поле. Однакова кривизна треків свідчить про однакову масі частинок, а викривлення в різні боки - про протилежних знаках електричного заряду.
Мал. 166. Треки електрон-позитронної пари в магнітному полі
У 1955 р була виявлена ще одна антічастіца- Антипротон (існування якої теж випливало з теорії Дірака), а дещо пізніше - антинейтрон. Антинейтрон, так само як і нейтрон, не має електричного заряду, але він, безперечно, відноситься до античастинок, оскільки бере участь в процесі анігіляції і народження пари нейтрон-антинейтрон.
Можливість отримання античастинок привела вчених до ідеї про створення антиречовини. Атоми антиречовини мають бути побудовані таким чином: в центрі атома - негативно заряджене ядро, що складається з антипротонів і антинейтронів, а навколо ядра обертаються позитрони. В цілому атом нейтральний. Ця ідея теж отримала блискуче експериментальне підтвердження. У 1969 р на прискорювачі протонів в м Серпухові радянські фізики отримали ядра атомів антигелія.
В даний час експериментально виявлені античастинки майже всіх відомих елементарних частинок.
Підсумки глави. Найголовніше
Нижче дані фізичні поняття і явища. Послідовність викладу визначень і формулювань не відповідає послідовності понять і т. П.
Перевір себе
- α-Розпад представлений рівнянням реакції