Что нужно знать
Термоядерная реакция — это реакция слияния лёгких атомных ядер в более тяжёлое ядро, сопровождающаяся выделением большого количества энергии. Для протекания такой реакции необходима очень высокая температура, при которой ядра приобретают достаточную кинетическую энергию для преодоления электрического отталкивания. В результате реакции масса образовавшегося ядра оказывается меньше суммарной массы исходных ядер, а разность масс превращается в энергию. Связь между изменением массы и выделившейся энергией выражается формулой Эйнштейна: E = Δm · c², где E — энергия (Дж), Δm — дефект массы (кг), c — скорость света в вакууме (м/с). Термоядерные реакции происходят в недрах Солнца и других звёзд, обеспечивая их длительное свечение и выделение тепла. Одним из примеров использования термоядерных реакций является водородная бомба, в которой происходит неконтролируемое слияние лёгких ядер. Учёные также работают над созданием управляемых термоядерных реакторов для получения электрической энергии. Важное условие управляемого термоядерного синтеза — удержание очень горячего вещества, находящегося в состоянии плазмы, достаточно долго для протекания реакций. Типичная ошибка учеников — считать, что при термоядерной реакции ядра делятся на более лёгкие, хотя на самом деле они объединяются в более тяжёлые ядра.
Тест: 12 вопросов
Выберите ответ в каждом вопросе и нажмите «Проверить ответы» — появятся правильные ответы и пояснения.
1. Что называют термоядерной реакцией?
- Деление тяжёлого атомного ядра на несколько лёгких ядер
- Испускание электронов атомом при нагревании
- Слияние лёгких атомных ядер с образованием более тяжёлого ядра
- Соединение атомов в молекулы при химической реакции
Термоядерная реакция представляет собой синтез лёгких ядер. При этом выделяется энергия, связанная с уменьшением массы системы.
2. Какое условие необходимо для протекания термоядерных реакций?
- Полное отсутствие электрических зарядов у ядер
- Очень низкая температура вещества
- Отсутствие движения атомных ядер
- Очень высокая температура вещества
При высокой температуре ядра движутся с большими скоростями и могут сближаться на расстояния, необходимые для действия ядерных сил.
3. В каких объектах природы постоянно происходят термоядерные реакции?
- В недрах Солнца и других звёзд
- В атмосфере Земли во время грозы
- В земной коре при обычном нагревании горных пород
- В океанах при испарении морской воды
В недрах звёзд при чрезвычайно высокой температуре происходят реакции синтеза лёгких ядер, сопровождающиеся выделением энергии.
4. Какая частица может участвовать в реакции синтеза дейтерия и трития с образованием гелия?
- Электрон
- Ядро дейтерия
- Фотон
- Нейтральный атом гелия
В реакции синтеза дейтерия и трития участвуют два лёгких ядра: дейтерий и тритий. В результате образуются ядро гелия и нейтрон.
5. Какая формула выражает связь между энергией и изменением массы при ядерной реакции?
- E = m · g
- E = F · s
- E = Δm · c²
- E = Δm · c
Согласно формуле Эйнштейна, энергия равна произведению дефекта массы на квадрат скорости света. Эта формула объясняет выделение энергии при термоядерном синтезе.
6. В каких единицах СИ измеряется дефект массы Δm?
- В ньютонах (Н)
- В джоулях (Дж)
- В метрах в секунду (м/с)
- В килограммах (кг)
Дефект массы представляет собой разность масс, поэтому в СИ измеряется в килограммах.
7. Почему при слиянии лёгких ядер может выделяться энергия?
- Масса образовавшегося ядра меньше суммы масс исходных ядер
- При реакции полностью прекращается движение частиц
- Масса образовавшегося ядра всегда больше суммы масс исходных ядер
- В процессе реакции исчезают все электрические заряды
Разность между суммарной массой исходных частиц и массой продуктов реакции называется дефектом массы. Она соответствует выделившейся энергии.
8. Какое практическое применение связано с использованием термоядерных реакций?
- Получение электрического тока в батарейке
- Получение энергии в водородной бомбе
- Работа обычного электрического нагревателя
- Работа двигателя внутреннего сгорания
В водородной бомбе используется неконтролируемая термоядерная реакция синтеза лёгких ядер. В настоящее время также исследуются возможности управляемого термоядерного синтеза.
9. Дефект массы при термоядерной реакции равен 2 · 10⁻³⁰ кг. Определите выделившуюся энергию. Скорость света принять равной 3 · 10⁸ м/с.
- 1,8 · 10⁻¹⁶ Дж
- 6 · 10⁻²² Дж
- 1,8 · 10⁻¹³ Дж
- 9 · 10⁻¹³ Дж
Используем формулу E = Δm · c². E = 2 · 10⁻³⁰ · (3 · 10⁸)² = 2 · 10⁻³⁰ · 9 · 10¹⁶ = 1,8 · 10⁻¹³ Дж.
10. При ядерной реакции выделилась энергия 9 · 10⁻¹⁴ Дж. Определите дефект массы. Скорость света равна 3 · 10⁸ м/с.
- 3 · 10⁻³⁰ кг
- 1 · 10⁻²² кг
- 9 · 10⁻³⁰ кг
- 1 · 10⁻³⁰ кг
Из формулы E = Δm · c² получаем Δm = E / c². Δm = 9 · 10⁻¹⁴ / (3 · 10⁸)² = 9 · 10⁻¹⁴ / 9 · 10¹⁶ = 1 · 10⁻³⁰ кг.
11. Во сколько раз увеличится энергия, выделяющаяся при термоядерной реакции, если дефект массы увеличится в 3 раза?
- В 3 раза
- В 9 раз
- В 6 раз
- Не изменится
Согласно формуле E = Δm · c², энергия прямо пропорциональна дефекту массы. Поэтому при увеличении дефекта массы в 3 раза энергия также увеличится в 3 раза.
12. В результате термоядерной реакции дефект массы составил 5 · 10⁻²⁹ кг. Определите выделившуюся энергию, если скорость света равна 3 · 10⁸ м/с.
- 4,5 · 10⁻²¹ Дж
- 4,5 · 10⁻¹² Дж
- 1,5 · 10⁻¹² Дж
- 9 · 10⁻¹² Дж
По формуле E = Δm · c² получаем E = 5 · 10⁻²⁹ · (3 · 10⁸)² = 5 · 10⁻²⁹ · 9 · 10¹⁶ = 4,5 · 10⁻¹² Дж.