Термоядерные реакции. Атомная энергетика

Тема урока: Термоядерные реакции. Атомная энергетика 📚

Цели урока 🎯

• Понять, что такое синтез ядер и зачем нужна огромная температура 🌡

• Научиться записывать реакции синтеза и считать их энергию ⚡

• Сравнить плюсы и минусы атомной энергетики ⚖️

Основная часть урока 📝

1. Что такое термоядерная реакция? 🤔

Термоядерная реакция — слияние (синтез) лёгких ядер в более тяжёлое ядро с выделением энергии. Ядра заряжены положительно и отталкиваются, поэтому их нужно разогнать до огромных скоростей — нагреть вещество до десятков миллионов кельвинов. Отсюда приставка «термо».

✨ Важно: в расчёте на один нуклон синтез даёт в несколько раз больше энергии, чем деление урана.

2. Реакция дейтерия и трития 🛠

Легче всего запустить слияние тяжёлых изотопов водорода — дейтерия ²₁H и трития ³₁H.

Задача 1. Допиши реакцию ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + X и вырази её энергию 17,6 МэВ в джоулях (1 МэВ = 1,6·10⁻¹³ Дж).

1. Массовые числа: 2 + 3 = 4 + x, отсюда x = 1. Заряды: 1 + 1 = 2 + z, отсюда z = 0.

2. Частица с A = 1 и Z = 0 — нейтрон: ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n.

3. E = 17,6 · 1,6·10⁻¹³ ≈ 2,8·10⁻¹² Дж.

4. Проверка: суммы массовых чисел (5 = 5) и зарядов (2 = 2) сходятся ✅

3. Считаем энергию через дефект масс 🔍

Задача 2. Проверь энергию этой реакции. Массы ядер: m(²₁H) = 2,0136 а.е.м., m(³₁H) = 3,0155 а.е.м., m(⁴₂He) = 4,0015 а.е.м., m(¹₀n) = 1,0087 а.е.м.; 1 а.е.м. = 1,66·10⁻²⁷ кг.

1. Масса «до»: 2,0136 + 3,0155 = 5,0291 а.е.м.; масса «после»: 4,0015 + 1,0087 = 5,0102 а.е.м.

2. Дефект массы: Δm = 5,0291 − 5,0102 = 0,0189 а.е.м. = 0,0189 · 1,66·10⁻²⁷ ≈ 3,14·10⁻²⁹ кг.

3. E = Δm·c² = 3,14·10⁻²⁹ · (3·10⁸)² ≈ 2,8·10⁻¹² Дж, где c = 3·10⁸ м/с — скорость света.

4. Проверка: результат совпал с задачей 1 — это те же 17,6 МэВ ✅

4. Почему светит Солнце? ☀️

В ядре Солнца при температуре около 1,5·10⁷ К водород постепенно превращается в гелий. Каждую секунду около 4 млн тонн массы Солнца переходит в излучение — этого хватает, чтобы согревать всю Солнечную систему миллиарды лет.

5. Атомная энергетика: сегодня и завтра ⚖️

Сегодня электроэнергию дают АЭС, работающие на делении урана:

• ✅ Огромная энергия из крошечной массы топлива, без выбросов углекислого газа 🌍

• ❌ Радиоактивные отходы приходится хранить десятки и сотни лет 🗑

• ❌ Аварии редки, но их последствия тяжёлые ⚠️

Будущее связывают с управляемым термоядерным синтезом: дейтерий добывают из обычной воды, а долгоживущих отходов почти нет. Горячую плазму удерживают магнитным полем в установках-токамаках; крупнейший проект — международный реактор ITER. Промышленной термоядерной электростанции пока нет — это задача ближайших десятилетий.

Типичные ошибки ⚠️

• ❌ Путать деление и синтез → ✅ при делении тяжёлое ядро распадается, при синтезе лёгкие ядра сливаются.

• ❌ Понимать «термоядерная» как «сверхмощная» → ✅ «термо» — про высокую температуру, нужную для запуска.

• ❌ Говорить, что на Солнце «горит» водород → ✅ это ядерный синтез, а не горение: кислород не участвует.

• ❌ Вычитать в Δm массу «до» из массы «после» → ✅ из массы исходных ядер вычитают массу продуктов.

Мини-конспект 📋

• Термоядерная реакция — слияние лёгких ядер при огромной температуре.

• Для запуска нужны десятки миллионов кельвинов.

• Главная реакция: ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n + 17,6 МэВ.

• Энергию реакции считают через дефект масс: E = Δm·c².

• Солнце светит за счёт превращения водорода в гелий.

• Термоядерная энергетика — проект будущего: токамаки, ITER.

Зачем это нужно? 🚀

• Понимаешь главный источник энергии во Вселенной — синтез в звёздах ☀️

• Термоядерный синтез обещает почти неисчерпаемую чистую энергию 🔋

• Уравнения ядерных реакций встречаются в ОГЭ — это лёгкие баллы 📝