Temat

Reakcje termojądrowe na Słońcu

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 zachodzącą w gwiazdach.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Wyjaśnia, jakie reakcje należą do cyklu protonowego.

2. Oblicza energię uwolnioną podczas syntezy jądrowej.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- wyjaśnia reakcję termojądrową przemiany wodoru w hel,

- oblicza energię uwolnioną podczas syntezy jądrowej.

Metody kształcenia

1. Dyskusja.

2. Analiza tekstu.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca grupowa.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Nauczyciel prosi uczniów o przypomnienie, czym jest synteza jądrowa.

Czym jest synteza jądrowa?

Realizacja lekcji

Nauczyciel omawia z uczniami, jakie procesy zachodzą w Słońcu.

Słońce emituje energię, która pochodzi z procesu syntezy jądrowej. Synteza zachodzi głęboko w jądrze Słońca. Wewnątrz tego jądra temperatura sięga ponad 15000000 K. Co sekundę 600 milionów ton wodoru zamienia się w hel i uwalniana jest olbrzymia energia.

Specyficzny typ reakcji syntezy, który występuje wewnątrz Słońca, jest nazywany syntezą protonową.

Cykl protonowy

Proces rozpoczyna się od zderzenia protonów. Te protony są jądrami wodoru. W szeregu następujących po sobie pojedynczych reakcji protony zamieniają się w hel. Masa helu jest mniejsza niż masa zderzających się protonów i zgodnie z zasadą równoważności masy i energii podczas reakcji syntezy zostaje uwolniona energia. Uzyskana energia jest wypromieniowana z jądra Słońca i rozprzestrzenia się poprzez cały Układ Słoneczny.

Cykl protonowy odbywa się w kilku etapach:

1. Dwie pary protonów ulegają syntezie tworząc dwa deuterony.

2. Każdy deuteron zderza się z dodatkowym protonem tworząc hel ${}_{}{}^{3}He$.

3. Dwa jądra helu ${}_{}{}^{3}He$ ulegają syntezie tworząc hel ${}_{}{}^{4}He$ i dwa protony.

[Grafika interaktywna]

W cyklu protonowym uwalniane są dwa neutrina, dwa pozytony i promieniowanie gamma.

[Ilustracja 1]

Reakcje biorące udział w cyklu protonowym są następujące:

Uczniowie obliczają energię uwolnioną w reakcji syntezy protonu i deuteronu.

Polecenie 1

Oblicz energię uwolnioną podczas reakcji syntezy protonu z deuterem w cyklu protonowym. Masa deuteru wynosi 3,343583772 ∙ 10Indeks górny -27  Indeks górny koniec^-27 kg, a masa protonu wynosi 1,6726219 ∙ 10Indeks górny -27^-27 kg. Użyj dokładnych wartości prędkości światła c = 299792458 $\frac{m}{s}$. Zależność między elektronowoltem i dżulem jest następująca: 1 eV = 1,6021766208 ∙ 10Indeks górny -19  Indeks górny koniec^-19 J. Porównaj wyniki z informacjami, które już przeczytałeś.

Czas reakcji:
Średni czas zachodzenia pierwszego etapu cyklu protonowego jest wyjątkowo długi. Jądro wodoru potrzebuje średnio 10Indeks górny 9⁹ lat na oddziaływanie z innym jądrem, aby zainicjalizować cykl. Następny etap jest bardzo krótki i średnio trwa około 1 s. W końcowych etapach cyklu jądro helu ${}_{}{}^{3}He$ potrzebuje około 400 lat, by wyprodukować końcowe jądro helu ${}_{}{}^{4}He$.

Szybkość zachodzenia cyklu protonowego jest bardzo mała, ale wciąż wystarczająca do wytworzenia ogromnej ilości energii ze względu na olbrzymią liczbę atomów wodoru w jądrze Słońca.

Podsumowanie lekcji

Podczas reakcji syntezy protonów występującej w Słońcu, nazywanej cyklem protonowym, protony w ciągu następujących po sobie reakcji zamieniają się w hel. W tej reakcji syntezy uwalniane są ogromne ilości energii.