Термоядерная реакция 9 класс конспект

Обновлено: 05.07.2024

Раздел ОГЭ по физике: 4.4. Ядерные реакции. Ядерный реактор. Термоядерный синтез

Превращение ядер одного элемента в ядра другого элемента происходит не только в процессе радиоактивного распада. Такое превращение может происходить при взаимодействии ядер элементов друг с другом или с такими частицами, как альфа-частицы, электроны, протоны, нейтроны. Превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного, называют ядерной реакцией.

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силами. Свойства ядерных сил:

зарядовая независимость – ядерное (сильное) взаимодействие между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаково;
короткодействующий характер – ядерные силы быстро убывают с расстоянием; радиус их действия порядка 10 –15 м;
насыщаемость – ядерные силы могут удерживать друг возле друга в ядре ограниченное количество нуклонов; с ростом числа нуклонов ядра становятся менее стабильными.

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.

Измерения показали, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в состав, на величину Δm, называемую дефектом массы: Δm = (Zm_p + Nm_n) – М.

Энергия связи атомного ядра Е_св равна произведению дефекта масс на квадрат скорости света: Е_св = Δmс 2 .

Массу ядер удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м. = 1,67 • 10 –27 кг.

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом. При записи ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).

Например, осуществлена ядерная реакция , в результате которой получен изотоп натрия и некоторая частица, которую нужно определить. Находим сумму массовых чисел в левой части уравнения. Она равна 26. Вычитаем из этого числа массовое число изотопа натрия: 26 – 22 = 4. Следовательно, массовое число неизвестной частицы равно 4. Определяем зарядовое число: сумма зарядовых чисел в левой части равенства равна 13, следовательно, зарядовое число неизвестной частицы 13 – 11 = 2. Таким образом, массовое число образовавшейся в результате реакции частицы 4, а зарядовое число 2. Это — альфа-частица. Уравнение имеет вид:

Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции. В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются. Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких — это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно — поэтому они отталкиваются друг от друга. Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов. Именно такие реакции и называются термоядерными.

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает. На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках (импульсные системы, квазистационарные системы, токамак, торсатрон).

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях. Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции. К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (тяжёлый водород, обозначается символами D и 2 H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2) и тритий (сверхтяжёлый водород, обозначается символами T и 3 H — радиоактивный изотоп водорода), а в более отдалённой перспективе гелий-3 и бор-11.

Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция).

Из данного видеоурока вы узнаете, какие реакции называются термоядерными, а также о тех проблемах, с которыми столкнулось человечество при осуществлении управляемой термоядерной реакции. Узнаете, откуда черпают энергию звезды, в том числе и наше Солнце.

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, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Термоядерные реакции"

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?

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.

Ещё одним преимуществом данной термоядерной реакции является и то, что по оценкам учёных запасы дейтерия в Мировом океане составляют порядка 80 000 км 3 . Из такого количества дейтерия можно получить столько энергии, сколько выделяется при сгорании бензина, объем которого многократно превышает объем Мирового океана, то есть запасы дейтерия практически неисчерпаемы. А тритий, не встречающийся в природе, легко можно получать в самом термоядерном реакторе, если использовать мощные потоки нейтронов.

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.

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.

Целью даного урока является ведение понятия термоядерной реакции и принципы её осуществления, расширение кругозора учащихся в даном направлении используя региональный компонент. Заинтерисовать учащихся историей своего родного края. Привитие интереса учащихся к изучению данной темы через события происходящие в нашем регионе.

Урок физики в 9 классе

Тема: Термоядерные реакции. Энергия Солнца и звёзд.

Учитель физики: Люфт Елена Иосифовна

Цели урока: ввести понятие термоядерной реакции и принципы её

осуществления;

расширение кругозора учащихся в данном направлении используя

межрегиональный компонент;

привитие интереса учащихся к изучению данной темы и к

событиям, происходящим в нашем регионе.

Ход урока:

Обобщение домашнего задания – подведение учащихся к изучению новой темы.

А) Что происходит при делении тяжёлых ядер?

В) Как определяется энергия тяжёлых ядер?

С) Что происходит при делении лёгких ядер? И как определяется их энергия?

Д) Какая масса называется критической?

Изучение новой темы.

При нагревании лёгких ядер / водород, гелий, литий/ до высоких температур образуется – высокотемпературная плазма.

Соответственно скорость частиц можно определить по формуле:

E = 3/2 kT = mv2/2

Где k - постоянная Больцмана, Т – температура плазмы, т и v - масса и скорость частицы.

Реакция слияния ядер, осуществляемая при температуре свыше миллионов градусов, называется термоядерной реакцией, или термоядерным синтезом.

Для осуществления управляемой термоядерной реакции необходимо решить три проблемы:

во – первых, следует создать водородную плазму с температурой в несколько десятков миллионов градусов;

во – вторых, для зажигания термоядерной реакции в каком – либо объёме важно поддерживать эту температуру плазмы хотя бы в течение 0,1 – 0,01с

В – третьих, чтобы реакция проходила интенсивно и при этом выделялось достаточное количество энергии, концентрация ядер дейтерия должна составлять около 10 в 22 степени частиц в 1 кубическом см.

Использование межрегионального компонента – рассказ о Семипалатинском полигоне, о городе Курчатове, об ученых, работающих на данном полигоне. Ваши дедушки и бабушки видели всё происходящее своими глазами.

С 1949 по 1963 года произведено 99 подземных и 25 наземных взрывов.

С 1964 по 1984 года производились только подземные взрывы.

Каким способом можно получить ядерную энергию? Какая реакция называется термоядерной? На эти и другие вопросы можно получить ответы, прочитав нашу статью.

Что такое термоядерная реакция?

Ядерную энергию можно получить двумя способами: делением тяжелых ядер и синтезом (слиянием) легких ядер. Для слияния легких ядер необходимо, чтобы они сблизились на расстоянии около 10 в минус 12 см, так как ядерные силы действуют на очень маленьких расстояниях. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено за счет большой кинетической энергии теплового движения ядер. Следовательно, подобные реакции могут протекать только при очень высоких температурах. Ядерный синтез, происходящий в разогретом веществе, называют термоядерным (термоядерная реакция).

Рис. 1. Термоядерная энергия.

Термоядерные реакции, идущие в недрах звезд, играют очень важную роль в эволюции Вселенной. Они – источник ядер химических элементов, которые синтезируются из водорода в звездах.

Уникальная особенность термоядерных реакций как источника энергии – это очень большое энерговыделение на единицу массы реагирующих веществ, примерно в 10 миллионов раз больше, чем в химических реакциях. Вступление в синтез одного грамма изотопов водорода эквивалентно сгоранию 10 тонн бензина. Поэтому ученые давно стремятся овладеть этим гигантским источником энергии. В принципе мы умеем уже сейчас получать энергию в результате реакции термоядерного синтеза. Нагреть вещество до звездных температур можно, используя энергию атомного взрыва. Так устроена водородная бомба – самое страшное оружие современности, в которой взрыв ядерного запала приводит к мгновенному нагреву смеси дейтерия с тритием и последующему термоядерному взрыву.

На Солнце в качестве основного источника энергии выступают реакции протон-протонного цикла, когда из четырех протонов рождается одно ядро гелия. Энергия, которая выделяется в процессе синтеза, уносится образующими ядрами, нейтронами, нейтрино и квантами электромагнитного излучения.

Рис. 2. Солнце.

Условия термоядерного синтеза

Ученые стараются найти способы применения мирного, управляемого термоядерного синтеза. Какие же условия должны быть для этого выполнены?

Прежде всего необходимо нагреть термоядерное горючее до температуры, когда реакции синтеза могут происходить с заметной вероятностью. Но этого мало. Необходимо, чтобы при синтезе выделялось больше энергии, чем затрачивается ее на нагрев вещества, или, что еще лучше, чтобы рождающиеся при синтезе быстрые частицы сами поддерживали требуемую температуру горючего. Для этого нужно, чтобы вступающее в синтез вещество было надежно теплоизолировано от окружающей холодной среды, то есть чтобы время остывания, или, как говорят, время удержания энергии, было достаточно велико.

Требования к температуре и времени удержания зависят от используемого горючего. Легче всего осуществить синтез между тяжелыми изотопами водорода – дейтерием и тритием. При этом в результате реакции получается ядро гелия и нейтрон. Глядя на эту формулу становится ясно, какая энергия выделяется при термоядерной реакции:

Рис. 3. Пример термоядерной реакции.

Дейтерий имеется на Земле в огромных количествах в морской воде. Тритий же в природе отсутствует. Сегодня его получают искусственно, облучая в ядерных реакторах нейтронами литий.

Что мы узнали?

Если говорить кратко, то термоядерная реакция – это реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии. В данной статье рассматриваются условия термоядерного синтеза и особенности термоядерных реакций.

Читайте также: