Фізика. Повторне видання. 9 клас. Засєкіна

§ 38. Термоядерні реакції. Енергія Сонця й зір

Ви дізнаєтесь

• У чому особливості термоядерної реакції

Пригадайте

• Що таке ядерна реакція

Механізм термоядерної реакції. У попередніх параграфах ми розглядали ядерні реакції розпаду радіоактивних речовин, що зумовлені перетворенням атомних ядер у результаті їхньої взаємодії з елементарними частинками й між собою. І з’ясували, що під час поділу важких ядер виділяється велика кількість енергії. Так, під час поділу одного ядра урану-235 виділяється 200 МеВ енергії. Проте виявилося, що при злитті (синтезі) легких ядер виділяється ще більше енергії. Наприклад, якщо здійснити злиття ізотопів водню (дейтерію і тритію), то в результаті цього утворюється гелій і випромінюється нейтрон ²₁Н + ³₁Η → ⁴₂He + ¹₀n. У цій реакції беруть участь усього 5 нуклонів, а виділяється 17,6 МеВ енергії (мал. 196).

Мал. 196. Схема ядерного синтезу

Якщо врахувати, що в реакції синтезу в розрахунку на один нуклон виділяється приблизно 3,5 МеВ енергії, а при радіоактивному розпаді ядра урану — «всього» 1 МеВ на нуклон, то зрозуміло, що реакції синтезу набагато вигідніші з точки зору одержання енергії.

Такі реакції називаються термоядерними. Сама назва цих реакцій вказує на їхню особливість — вони відбуваються за дуже високих температур. З’ясуємо чому.

Щоб почалося злиття ядер, їх потрібно наблизити одне до одного на відстань дії ядерних сил. Для такого зближення потрібно подолати кулонівське відштовхування ядер, яке різко зростає зі зменшенням відстані між ядрами. Для цього потрібно, щоб ядра атомів мали дуже велику кінетичну енергію, тобто аби їхня швидкість була досить великою. Це можливо лише за дуже високих температур (десятки й сотні мільйонів градусів). Тому реакція ядерного синтезу й називається термоядерною реакцією.

Термоядерними реакціями називаються ядерні реакції синтезу легких ядер у важчі, що супроводжуються виділенням енергії (мал. 198, с. 182).

З фізичної точки зору зрозуміло, що енергія, яка вивільняється у процесі радіоактивного розпаду ядер, — це, в основному, кінетична енергія уламків, що набули її внаслідок дії електричних сил відштовхування. При термоядерному синтезі енергія вивільняється в результаті прискореного руху нуклонів назустріч один одному під дією набагато потужніших ядерних сил. Простіше кажучи, при поділі ядер вивільняється енергія електричної взаємодії, а при синтезі ядер — енергія сильної (ядерної) взаємодії.

Термоядерні реакції відбуваються за надвисоких температур (10⁷-10⁹ °С). За таких температур речовина є повністю йонізованою та перебуває в стані плазми.

Здійснення реакцій керованого термоядерного синтезу в земних умовах відкриє перед людством перспективу отримання екологічно чистої і практично невичерпної енергії.

На даному етапі розвитку науки та техніки вдалося здійснити тільки некеровану реакцію термоядерного синтезу у водневій бомбі, де висока температура досягалася за рахунок вибуху уранової або плутонієвої атомної бомби.

Енергія Сонця й зір. Термоядерні реакції відіграють надзвичайно важливу роль в еволюції Всесвіту. Сонце й деякі інші зорі випромінюють у космічний простір величезну енергію, що вивільняється в процесі термоядерного синтезу чотирьох легких ядер водню в одне ядро гелію (мал. 197). При перетворенні одного кілограма водню на гелій виділяється така кількість теплоти, якої достатньо для того, щоб закип’ятити півтора мільйона кубометрів води.

Мал. 197. Термоядерні реакції на Сонці

Температура в центрі Сонця становить близько 13 мільйонів градусів. За такої температури атоми повністю йонізовані, тобто навколо їхніх ядер уже немає електронних оболонок. Фактично Сонце заповнене електронно-йонним газом. Висока температура спричинює колосальний тиск цих газів, тому ядра можуть наблизитися значно ближче одне до одного, ніж у земних умовах за звичайних температур.

Цікаво, що термоядерна реакція на Сонці протікає дуже повільно. Для того щоб чотири ядра водню перетворилися на ядро гелію, має пройти декілька мільйонів років. За такого повільного процесу Сонце може виділяти величезну кількість теплоти тільки завдяки тому, що в цьому процесі одночасно бере участь велетенська маса речовини. Разом з випромінюванням енергії кожної секунди Сонце втрачає чотири з половиною мільйони тонн своєї маси. Але для Сонця ця втрата абсолютно мізерна. Маса Сонця настільки велика, що за два мільярди років безперервного випромінювання Сонце втратило не більш ніж одну десяту відсотка своєї маси.

Учені підрахували, що запасів водню на Сонці вистачить на 100 мільярдів років.

Мал. 198. Термоядерні реакції

Підбиваємо підсумки

• Термоядерними реакціями називають ядерні реакції синтезу легких ядер у важчі, які супроводжуються виділенням енергії.

• Енергія, що виділяється при злитті легких ядер, більша за енергію, що виділяється при поділі важких ядер (у розрахунку на 1 нуклон).

• Термоядерні реакції ефективно відбуваються за надвисоких температур близько 10⁷-10⁹ °С.

• Дослідження показали, що на Сонці й інших зорях відбуваються ядерні реакції, у результаті яких виділяється величезна енергія.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. У чому різниця між реакціями ядерного поділу та синтезу?
• 2. Чому для термоядерної реакції необхідна висока температура?
• 3. Ядра яких елементів вступають у реакцію термоядерного синтезу на Сонці?
• 4. Чому маса Сонця зменшується?
• 5. На скільки років, за підрахунками вчених, має вистачити запасу водню на Сонці?