§ 34. Термоядерні реакції. Енергія Сонця і зір. Будова і розвиток Всесвіту

• Назад до змісту

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

1. Яка температура на поверхні жовтих зір?

Температура на поверхні жовтих зір становить близько $6000\text{ К}$. Колір зорі безпосередньо залежить від температури її зовнішніх шарів. Типовим прикладом жовтої зорі у Всесвіті є наше Сонце, температура поверхні якого дорівнює саме $6000\text{ К}$.

2. Допишіть термоядерну реакцію: ? + \,^{1}_{1}\text{H} \rightarrow \,^{3}_{2}\text{He}.

^{2}_{1}\text{H} + \,^{1}_{1}\text{H} \rightarrow \,^{3}_{2}\text{He}

Невідомою частинкою є ядро Дейтерію — $^{2}_{1}\text{H}$ (важкий ізотоп Гідрогену).

За законом збереження зарядового числа сума зарядів до реакції має дорівнювати сумі зарядів після реакції: $Z + 1 = 2$, звідки $Z = 1$. За законом збереження масового числа сума нуклонів також зберігається: $A + 1 = 3$, звідки $A = 2$. Елемент із зарядовим числом 1 і масовим числом 2 — це ізотоп Гідрогену Дейтерій. Ця реакція є важливою проміжною ланкою термоядерного синтезу в надрах зір.

3. Унаслідок утворення ізотопу Гелію $^{3}_{2}\text{He}$ виділяється $5{,}49\text{ МеВ}$ енергії. Скільки енергії виділяється внаслідок синтезу $1\text{ г}$ цього ізотопу? ($1\text{ а.о.м.} = 1{,}67 \cdot 10^{-27}\text{ кг}$, $1\text{ МеВ} = 1{,}6 \cdot 10^{-13}\text{ Дж}$.)

Дано:

• $m = 1\text{ г} = 10^{-3}\text{ кг}$
• $E_0 = 5{,}49\text{ МеВ} = 5{,}49 \cdot 1{,}6 \cdot 10^{-13}\text{ Дж} = 8{,}784 \cdot 10^{-13}\text{ Дж}$
• $m_0 \approx 3\text{ а.о.м.} \approx 3 \cdot 1{,}67 \cdot 10^{-27}\text{ кг} \approx 5 \cdot 10^{-27}\text{ кг}$

Знайти:

• $E - ?$

Розв’язання:
Кількість утворених ядер ізотопу Гелію $^{3}_{2}\text{He}$ визначається як відношення загальної маси речовини до маси одного ядра:
$N = \dfrac{m}{m_0}$

Загальна виділена енергія дорівнює добутку кількості утворених ядер на енергію, яка вивільняється під час утворення одного ядра:
$E = N \cdot E_0 = \dfrac{m \cdot E_0}{m_0}$

Підставимо числові дані разом з одиницями вимірювання:
$E = \dfrac{10^{-3}\text{ кг} \cdot 8{,}784 \cdot 10^{-13}\text{ Дж}}{5 \cdot 10^{-27}\text{ кг}} = \dfrac{8{,}784 \cdot 10^{-16}\text{ кг}\cdot\text{Дж}}{5 \cdot 10^{-27}\text{ кг}} = 1{,}7568 \cdot 10^{11}\text{ Дж}$

Відповідь: $E = 1{,}7568 \cdot 10^{11}\text{ Дж}$.

4. Завдяки чому існує наша Галактика?

Наша Галактика існує та зберігає свою структуру завдяки силам гравітації (гравітаційній взаємодії).

Величезна спільна маса сотень мільярдів зір, зоряних скупчень, міжзоряного газу й пилу створює гравітаційне поле, яке утримує всі ці космічні тіла разом навколо спільного галактичного центру та змушує їх рухатися замкненими орбітами.

СЛОВНИК ФІЗИЧНИХ ТЕРМІНІВ

• Термоядерні реакції — Thermonuclear reactions
• Галактика — Galaxy
• Метагалактика — Metagalaxy

ЗДІЙСНІТЬ САМОПЕРЕВІРКУ

Тестові запитання для закріплення знань розділу «Атомна і ядерна фізика»:

1. Які реакції є основним джерелом енергії Сонця та інших зір?
Основним джерелом енергії зір є термоядерні реакції — реакції синтезу легких ядер Гідрогену в ядра Гелію, які відбуваються за температури в десятки мільйонів градусів у надрах зір.

2. Яка умова необхідна для здійснення термоядерного синтезу?
Необхідна надвисока температура (десятки мільйонів кельвінів). За такої температури ядра рухаються з величезними швидкостями і мають кінетичну енергію, достатню для подолання електростатичного кулонівського відштовхування однойменно заряджених протонів.

3. Чому на Землі поки що складно побудувати промисловий термоядерний реактор?
За температури в мільйони градусів речовина перебуває в стані високотемпературної плазми. Жоден твердий матеріал не витримує такого нагрівання, тому плазму необхідно утримувати в обмеженому об’ємі за допомогою сильних магнітних чи електричних полів.

4. Як називається сучасна теорія походження та еволюції нашого Всесвіту?
Теорія Великого вибуху. Згідно з нею приблизно 15 мільярдів років тому Всесвіт перебував у стані сингулярності (був стиснутий у точку), після чого почалося його неперервне розширення та охолодження.

5. Що являє собою Метагалактика?
Метагалактика — це частина Всесвіту, яка доступна для сучасних астрономічних спостережень за допомогою оптичних, радіотелескопів та орбітальних обсерваторій.

ВИКОНАЙТЕ ПРОЄКТ

Навчальний проєкт на тему: «Джерела радіоактивного випромінювання в нашому домі»

1. Мета проєкту:
Дослідити природні та штучні джерела йонізуючого випромінювання, з якими людина стикається у побуті, з’ясувати рівень їхньої небезпеки та підготувати рекомендації для зменшення радіаційного навантаження.

2. Основні побутові джерела випромінювання:

3. Висновки та практичні правила захисту:
Найбільшу частку побутової дози людина отримує від радону, який проникає крізь щілини фундаменту. Для безпеки достатньо регулярно провітрювати кімнати, герметизувати стики підлоги в підвалах, не зберігати вдома старі радієві компаси чи годинники та використовувати сертифіковані будматеріали. Природний радіаційний фон є нормальним середовищем нашого існування і не становить загрози за дотримання простих правил гігієни житла.

СТВОРЕННЯ ДОВІДНИКА «ПУТІВНИК ПО ОСНОВАХ ФІЗИКИ»

Підсумкова пам’ятка до розділу: «Атомна і ядерна фізика в природі та техніці»

• Будова атома та ядра: атом складається з позитивно зарядженого ядра та електронної оболонки. Ядро утворене протонами і нейтронами (нуклонами), зв’язаними короткодіючими ядерними силами.
• Радіоактивність: спонтанне перетворення нестійких ядер з випромінюванням $\alpha$-частинок (ядра Гелію), $\beta$-частинок (швидкі електрони чи позитрони) або $\gamma$-квантів (електромагнітні хвилі високої частоти).
• Закон радіоактивного розпаду: кількість ядер, що не розпалися, зменшується вдвічі за період піврозпаду $T_{1/2}$:
  $N = N_0 \cdot 2^{-\frac{t}{T_{1/2}}}$
• Ядерні реакції поділу: поділ важких ядер (Уран-235) під дією нейтронів із виділенням величезної енергії. Використовується на атомних електростанціях для виробництва електроенергії.
• Термоядерні реакції: синтез легких ядер (ізотопів Гідрогену в Гелій) за високих температур ($> 10^7\text{ К}$). Є основним джерелом енергії Сонця і зір у Всесвіті.
• Застосування у техніці та житті: ядерна енергетика, радіаційна медицина (діагностика та променева терапія), дефектоскопія матеріалів, радіовуглецеве датування в археології.