Термоядерный синтез. Энергетика звезд
Цель урока: усвоение знаний и способов действий в комплексе и системе.
Дидактическая задача: формирование целостной системы ведущих знаний по теме и курсу, выделение мировоззренческих идей.
Рефлексивная деятельность ученика: самоосмысление, самореализация и саморегуляция.
Деятельность учителя по обеспечению рефлексии: подача учебного материала с учетом зоны ближайшего и актуального развития учеников, определение уровня усвоения (обучаемость и обученность).
Показатели реального результата решения задачи: самостоятельное выполнение заданий с применением знаний в знакомой и измененной ситуациях.
Общая продолжительность урока – 45 минут
Содержание учебного материала
Все сущее во все века Без счета верст Невидимый связует мост, И не сорвать тебе цветка, Не стронув звезд. Френсис Томпсон
1. Этап актуализации опорных знаний. Вопросы ученикам:
-Чем вызывается деление тяжёлых ядер?
Предполагаемый ответ: “Бомбардировкой нейтронов”.
-Что образуется при делении тяжёлых ядер?
Предполагаемый ответ: “Ядра меньшей массы из середины таблицы Менделеева и 2-3 нейтрона”.
- Чем сопровождается деление тяжёлых ядер?
Предполагаемый ответ: “Выделением энергии”.
-В чем причина выделения энергии?
Предполагаемый ответ: “Энергия связи ядер-продуктов реакции оказывается больше чем у делящегося ядра”.
2. Этап усвоения новых знаний.
Учитель сообщает ученикам, что выделение ядерной энергии может происходить не только при реакции деления ядер, но и при реакции соединения (синтеза) ядер и предлагает рассчитать энергетический выход реакции слияния трития и дейтерия:
2 Н+ 3 Н 4 Не + 1 n
Q= (2, 014102+3, 016049-4, 002603-1, 008665) •931, 5 МэВ = 17, 6 МэВ
(При расчёте энергии выделяющейся на один нуклон оказывается, что при данном синтезе это значение равно 17,6 МэВ?5= 3,5 МэВ, в то время как при делении тяжёлых ядер 0,9 МэВ.)
Учащиеся делают вывод о том, что реакция синтеза лёгких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжёлых и, совместно с учителем, формулируют определение: “Термоядерный синтез—реакция, в которой при высокой температуре из лёгких ядер синтезируются более тяжёлые”.
Учитель обращает внимание учащихся на трудности реализации термоядерных реакций: ядра надо сблизить на расстояние, равное радиусу действия ядерных сил r
10 -14 м, чтобы между ними возникло сильное (ядерное) взаимодействие и началась ядерная реакция. Этому противодействует кулоновское отталкивание ядер, для преодоления которого нужно сообщить ионам большую скорость, что можно сделать, повысив температуру плазмы:
Учитывая, что максвелловское распределение по скоростям предполагает наличие определённого числа частиц, скорости которых значительно превышает среднюю квадратичную скорость, а также некоторые квантовые свойства микрочастиц (туннельный эффект), удалось показать, что термоядерные реакции начнутся и при более низких температурах, порядка 10 7 К.
- Высокая температура возникает при взрыве урановой или плутониевой бомбы, что может быть использовано для возбуждения термоядерной реакции. Это используется в водородной бомбе, где за счёт взрыва урановой оболочки смесь трития и дейтерия сильно разогревается и сжимается, что порождает взрыв.
- Управляемая термоядерная реакция может быть создана путём сжатия и термоизоляции дейтериево-тритиевой плазмы стационарным или импульсным магнитным полем. В настоящее время учёными ведутся интенсивные исследования в области управляемых термоядерных реакций. (Сведения о термоядерном синтезе следует иллюстрировать возможностью его использования в перспективе для получения электроэнергии и технических и научных проблемах, которые предстоит решать на этом пути: получение высоких температур, термоизоляция плазмы, получение большой плотности частиц в плазме, создание соответствующих конструкционных материалов и др.)
- Такие условия существуют в недрах Солнца и звёзд.
Великие астрономы прошлого не задумывались, за счёт чего светят звёзды. Вопрос исторически “созрел”, только когда был открыт закон сохранения и превращения энергии, к середине ХIХ века, после введения Робертом Юлиусом Майером, Германом Гельмгольцем и Джеймсом Джоулем этого универсального закона Природы.
Р. Ю. Майер считал, что Солнце и звёзды разогреваются в результате падения на них комет. Когда стала точно известна частота столкновений комет с Солнцем, стало понятно, что это не объясняет солнечную светимость.
Г. Гельмгольц и У. Томсон предполагали, что звёзды разогреваются и излучают вследствие постоянного гравитационного сжатия; расчёты показали, что кроме гравитационного источника, ответственного за первичный разогрев, должен существовать основной механизм, “включающийся” при высокой температуре.
А. Эддингтон и Д. Джинс, каждый по-своему, искали главный источник: первый — в реакциях аннигиляции вещества, второй - в реакциях радиоактивного распада.
Л. Д. Ландау в 1937 году предложил идею аккреционного источника: каждая звезда имеет плотную нейтронную сердцевину, падение вещества (аккреция) на которую является эффективной тепловой машиной, преобразующей в энергию
Ни одна из предложенных гипотез не справилась с задачей. Но верная идея термоядерного источника, высказанная в 1929 году, подхваченная и развитая многими физиками (Г. Гамов, Э. Теллер, К. Вайцзеккер и др.), нашла окончательное выражение в блестящих работах Х. Бете.
Основным процессом, в котором происходит освобождение термоядерной энергии в нормальных звёздах, является превращение водорода в гелий.
4 1 1Н 4 2Н + 2 e + + 2v +Q ,
Энерговыделение реакции: Q=26,8 МэВ.
Этот процесс идёт не непосредственно, а через ряд промежуточных реакций и может выполняться двумя путями: