Намунаи саволҳои муҳокимавӣ оид ба реаксияи синтез
Омезиш раванди ҳастаӣ аст, ки дар он ду ядрои атомии сабук якҷоя шуда, ядрои вазнинтарро ташкил медиҳанд. Ин реаксия манбаи энергияест, ки ситорагони коинот, аз ҷумла Офтобро, таъмин мекунад. Дар ин мақола, мо мафҳумҳои асосии реаксияҳои синтезро баррасӣ хоҳем кард ва мисолҳо ва роҳҳои ҳалро барои беҳтар кардани фаҳмиши худ аз ин падидаи ҷолиб пешниҳод хоҳем кард.
Муқаддима ба реаксияҳои синтезӣ
Реаксияҳои синтез дар шароити ҳарорат ва фишори ниҳоят баланд, ба монанди онҳое, ки дар ядрои ситора мавҷуданд, ба амал меоянд. Ин раванд синтези ду ядрои гидроген (одатан дейтерий ва тритий)-ро ба ядрои гелий дар бар мегирад, ки дар натиҷа миқдори зиёди энергия хориҷ мешавад. Муодилаи реаксия чунин аст:
\[
\text{D} + \text{T} \rightarrow \text{He} + \text{n} + \text{energy}
\]
Дар ин ҷо, D дейтерий (\(^2_1\text{H}\)), Т тритий (\(^3_1\text{H}\)), He гелий (\(^4_2\text{He}\)) ва n нейтрон (\(^1_0\text{n}\)) аст.
Энергияи истеҳсолшуда аз фарқияти масса байни маҳсулот ва реактивҳо ба даст меояд, мувофиқи муодилаи машҳури Эйнштейн, \(E=mc^2\), ки дар он \(E\) энергия, \(m\) массаи аз даст рафта ва \(c\) суръати рӯшноӣ аст.
Чаро дар рӯи Замин ба даст овардани реаксияи синтез душвор аст?
Гарчанде ки реаксияҳои синтез миқдори зиёди энергияро ба вуҷуд меоранд, фароҳам овардани шароити муносиб барои синтез дар Замин хеле душвор аст. Барои он ки ядроҳои атомӣ энергияи кинетикии кофӣ барои бартараф кардани теладиҳии электростатикӣ дошта бошанд, ҳарорат бояд ба миллионҳо дараҷа Селсий бирасад. Ғайр аз ин, барои наздик шудан ва синтез шудани ядроҳо фишори бузурге лозим аст.
Дар татбиқи амалӣ, ба монанди таҷрибаҳои назоратшавандаи синтез дар реакторҳои синтез, мушкилии асосӣ нигоҳ доштани плазма (омехтаи ядроҳои мусбат ва электронҳои озод) барои ба амал омадани синтези назаррас ба қадри кофӣ аст.
Намунаҳои саволҳо ва муҳокима
Инҳоянд чанд мисоли масъалаҳое, ки метавонанд ба мо дар фаҳмидани тарзи кори реаксияҳои синтез ва тарзи анҷом додани ҳисобҳо кӯмак расонанд.
Саволи 1: Ҳисоб кардани энергияи синтези оҳан
Ду ядрои дейтерий дар лаборатория якҷоя шуда, ядрои гелий-4-ро ташкил медиҳанд. Массаи атомии дейтерий 2,014 u ва массаи атомии гелий 4,002 u аст. Энергияи ҷудошударо дар ин реаксия ҳисоб кунед.
Муҳокима:
1. Муодилаи реаксияро нависед:
\[ 2\text{ } \rightarrow \text{He} \]
2. Массаи умумии пеш аз ва баъд аз реаксияро ҳисоб кунед:
Пеш аз: \(2 \times 2,014 \ \text{u} = 4,028 \ \text{u}\)
Баъд аз: \(4,002 \ \text{u}\)
3. Норасоии массаро ҳисоб кунед:
Касри масса \(= 4,028 \ \text{u} – 4,002 \ \text{u} = 0,026 \ \text{u}\)
4. Бо истифода аз \(E=mc^2\) ба энергия табдил диҳед:
Аз табдили 1 u (воҳиди массаи атомӣ) = 931.5 МэВ/с² истифода баред:
\[
E = 0,026 \ \text{u} \вақт 931,5 \ \text{MeV/u} = 24,2 \ \text{MeV}
\]
Пас, энергияи озодшуда 24,2 МэВ аст.
Саволи 2: Муайян кардани ҳарорати ҳадди ақал барои синтези омехта
Агар монеаи энергетикии Кулон (монеаи потенсиалӣ байни ду ядрои протон) 0,1 МэВ бошад, ҳадди ақали ҳарорати лозимиро барои реаксияи синтези гидроген ҳисоб кунед.
Муҳокима:
Энергияи миёнаи кинетикии зарраҳо дар газ дар ҳарорати \(T\) бо \(3/2 \ kT\) дода мешавад, ки дар он \(k\) доимии Болтсман аст (\(8,617 \times 10^{-5} \ \text{eV/K}\)).
1. Энергияи Кулон = Энергияи кинетикии миёна:
\[ 0,1 \ \text{MeV} = \frac{3}{2} kT \]
0,1 МэВ-ро ба эВ табдил диҳед: \(0,1 \ \text{MeV} = 10^{5} \ \text{eV}\).
2. Ҳарорат \(T\):
\[
T = \frac{2 \times 10^{5} \ \text{eV}}{3 \times 8,617 \times 10^{-5} \ \text{eV/K}}
тақрибан 7,7 маротиба 10^{9} \ матн{K}
\]
Пас, ҳарорати ҳадди ақали зарурӣ барои ба амал омадани синтези гидроген тақрибан \(7,7 \times 10^{9} \ \text{K}\) аст.
Хулоса
Реаксияҳои синтез як раванди муҳим дар коинот мебошанд, ки энергияеро таъмин мекунанд, ки тавассути энергияи офтоб ҳаётро дар Замин нигоҳ медорад. Аммо, такрор кардани ин шароитҳо дар Замин дар миқёси зарурии энергия як мушкили ҷиддиест, ки муҳаққиқони физикаи плазма ва технологияи энергетикӣ бо он рӯбарӯ мешаванд. Масъалаи мисоли дар боло овардашуда нишон медиҳад, ки чӣ гуна ҳисобҳо дар сенарияи синтез анҷом дода мешаванд ва аҳамияти фаҳмидани мафҳумҳои асосӣ ва азхуд кардани математикаро барои таҳқиқоти минбаъда дар ин соҳа таъкид мекунад.
Хулоса, гарчанде ки тавлиди энергияи тоза ва устувор аз реаксияҳои синтезӣ ба таҳқиқот ва рушди шадид ниёз дорад, манфиатҳои эҳтимолии он, бахусус дар талошҳо барои коҳиш додани вобастагӣ аз сӯзишвории истихроҷшаванда ва ҳалли мушкилоти тағйирёбии иқлим, бебаҳс мебошанд.
