Temat

Reakcje termojądrowe

Etap edukacyjny

Trzeci

Podstawa programowa

XI. Fizyka jądrowa. Uczeń:

11) opisuje reakcję termojądrową przemiany wodoru w hel zachodzącą w gwiazdach.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Opisuje reakcję termojądrową przemiany wodoru w hel.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Wyjaśnia, jakie są różnice między rozszczepieniem jądrowym a syntezą jądrową.

2. Opisuje niezbędne warunki wymagane do wystąpienia syntezy jądrowej.

3. Opisuje charakterystyczne własności reakcji syntezy deuteru i trytu.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- wyjaśnia, czym jest synteza jądrowa,

- opisuje proces syntezy deuteru i trytu.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Nauczyciel zwraca się do uczniów, aby przypomnieli, jak wygląda zależność energii wiązania przypadająca na nukleon od liczby masowej i jakie jest jej znaczenie.

Opisz zależność energii wiązania przypadającej na nukleon od liczby masowej.

Realizacja lekcji

Nauczyciel omawia z uczniami własności syntezy jądrowej.

Obok procesu rozszczepienia jądrowego, połączenie dwóch lekkich jąder w jedno cięższe może również być źródłem energii. Taki proces znany jest jako fuzja jądrowa.

Poniższe wykresy przedstawiają energię wiązania przypadającą na nukleon dla różnych pierwiastków. Żelazo ma liczbę masową równą 56 i jest jednym z najbardziej stabilnych ze wszystkich pierwiastków. Elementy o mniejszej i większej liczbie masowej są mniej stabilne.

W przypadku pierwiastków cięższych od żelaza dominuje proces rozszczepienia, natomiast w przypadku pierwiastków lżejszych występuje proces syntezy jądrowej.

[Ilustracja 1]

Synteza jądrowa:

Synteza jądrowa to rodzaj reakcji jądrowej, w której dwa lekkie jądra zderzają się ze sobą, tworząc pojedyncze, cięższe jądro. Jądro to jest niestabilne i rozpada się na bardziej stabilne produkty pochodne. W tym procesie, zgodnie z zasadą równoważności masy i energii, energia jest uwalniana, ponieważ masa nowego jądra jest mniejsza niż suma mas zderzających się jąder.

Niektóre możliwe reakcje syntezy jądrowej:

Synteza jądrowa deuteru i trytu:

Reakcja pomiędzy jądrami deuteru i trytu:

W procesie syntezy powstaje jądro helu (cząstka alfa) i neutron. Całkowita masa produktów jest niższa niż masa zderzających się cząstek, stąd zgodnie z zasadą równoważności masy i energii uwalniana jest energia.

Jest to reakcja jądrowa zachodząca w Słońcu i innych gwiazdach.

[Grafika interaktywna]

Uczniowie obliczają energię uwolnioną w reakcji syntezy deuteru i trytu.

Polecenie 1

Oblicz energię uwolnioną w reakcji syntezy deuteru i trytu. Masa deuteru wynosi 3,34449 ∙ 10Indeks górny -27^-27 kg, trytu 5,00826 ∙ 10Indeks górny -27^-27 kg, helu 6,64648 ∙ 10Indeks górny -27^-27 kg, a masa neutronów to 1,67493 ∙ 10Indeks górny -27^-27 kg. Użyj dokładnych wartości prędkości światła c = 299792458 $\frac{m}{s}$. Zależność między elektronowoltami i dżulami jest następująca: 1 eV = 1,6021766208 ∙ 10Indeks górny -19^-19 J. Porównaj wyniki z informacjami, które już przeczytałeś.

Nauczyciel omawia z uczniami, jakie warunki są wymagane do przeprowadzenia syntezy jądrowej.

Warunki potrzebne do wystąpienia reakcji syntezy jądrowej:

Oddziaływanie między dwoma jądrami może wystąpić, jeśli znajdują się w odległości rzędu 10Indeks górny -15^-15 m. Wtedy siły jądrowe są silniejsze niż odpychanie elektrostatyczne wynikające z dodatniego ładunku jąder. (Odpychanie jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości między jądrami). Aby oba jądra zbliżyły się do siebie na wystarczająco bliską odległość, ich energia kinetyczna, a zatem temperatura musi być bardzo wysoka. W wysokiej temperaturze atomy jonizują się całkowicie i znajdują się w stanie plazmy. Plazma przewodzi prąd elektryczny, a na jej ruch mogą wpływać pola elektryczne i magnetyczne.

W warunkach laboratoryjnych próbka deuterowo‑trytowa musi zostać podgrzana do bardzo wysokiej temperatury, podobnej do tej na Słońcu, wynoszącej 10Indeks górny 7⁷ K. Próbka powinna być również zamknięta w niewielkiej przestrzeni przez wystarczająco długi czas, aby wytworzyć możliwie jak najwięcej zderzeń i zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia reakcji syntezy jądrowej. Wytwarzając podczas syntezy deuteru i trytu 1 kg helu, uwalniana jest energia około 120 milionów kWh, co odpowiada energii, którą można uzyskać z 12 milionów kilogramów węgla. Wieloletnie próby uzyskania zadowalającego bilansu energetycznego termojądrowej syntezy zakończyły się niepowodzeniem. Jak dotąd nikt nie zdołał wyprodukować więcej energii niż ta, którą trzeba dostarczyć, aby podtrzymać przebieg reakcji.

Podsumowanie lekcji

Reakcja syntezy jądrowej to reakcja jądrowa, w której dwa lekkie jądra zderzają się ze sobą, tworząc pojedyncze, cięższe jądro.