Proton – protonový cyklus Střední odborná škola Otrokovice Proton – protonový cyklus Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je PaedDr. Pavel Kovář Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika DUM Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /2 Autor PaedDr. Pavel Kovář Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-In-F/2-MA-3/19 Název DUM Proton – protonový cyklus Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 36-52-H/01 Obor vzdělávání Instalatér Vyučovací předmět Fyzika Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák 16 – 17 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem; náplň: skládání jader helia Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Proton, neutrino, elektron, energie Datum 5. 5. 2013

Proton – protonový cyklus Náplň výuky Zopakování rozdělení elementárních částic Jaderné částice Proton Syntéza protonů p–p cyklus

Obr. 1 Jaderná fúze Fusione – tavení, splynutí (lat.) – totéž v angličtině v podobě fusion. Např. termonukleární bomba – fusion bomb. Výchozí reakce cyklu z něhož vzniká heliu a sluneční záření je pomalá reakce, která trvá miliardy let. neutrino + + + deuterium pozitron

+ + + 10 K Fúze dvou protonů za vzniku deuteria – shrnutí neutrino Obr. 2 Fúze dvou protonů za vzniku deuteria – shrnutí neutrino proton + Vznik deuteria má klíčový význam pro další průběh energeticky velmi vydatné reakce. + 8 10 K deuterium + proton Fúze dvou protonů proběhne při vysoké teplotě a děje se velmi pomalu. Statisticky většinový úkaz je pružná srážka dvou protonů bez dalších následků. Jaderná fúze dvou protonů může probíhat řádově miliardy let. Protonová fúze je tajemství dlouhověkosti hvězd na hlavní posloupnosti. pozitron

3,25 MeV Srážka dvou deuteronů He Obr. 3 3 He Aby bylo možné tuto reakci provést, musí být plazma připravené pro tuto jadernou syntézu stlačeno natolik, že jeho hustota překračuje všeobecně zažité přestavy o plynném vodíku a plynném heliu. Jeden krychlový centimetr této látky, jejíž teplota se pohybuje na hodnotách blízkých 10 000 000K má hmotnost přibližně milion tun. Takové podmínky panují v nitru hvězd i našeho Slunce. Proto je zapotřebí obrovského množství hmoty, aby byla rovnoměrně probíhající termonukleární reakce uvedena v chod. Obecně počítáme s minimálním množstvím vodíku o hmotnosti alespoň 0,01 hmotnosti Slunce. Zde je tajemství, proč ani na jedné z obřích planet sluneční soustavy nemohla být nikdy TNR zažehnuta. Přestože Jupiter, Saturn, Uran i Neptun vyzařují více energie, než na svých drahách od Slunce přijímají, nejedná se o termonukleární reakci. Jde o energii vyzařovanou na základě působení ohromné gravitace těchto těles, nejedná se však o fúzi vodíku v helium. 2 + nestabilní izotop helia + + 3,25 MeV + neutron

3,25 MeV Podmínka pro existenci počáteční energeticky vydatné reakce v proton – protonovém cyklu Obr. 4 deuterium + 3 + He 2 + 3,25 MeV + deuterium neutron 100 000 000 K Jádro Slunce i hvězd

3 4 Obr. 5 Fúze dvou nestabilních izotopů za vniku dvou protonů, stabilního He He 2 2 energetický zisk reakce je neuvěřitelných 17,6 MeV 3 He PROTON 2 Do reakce, která probíhá dlouhé miliardy let, vstupují dva protony a po vzniku helia z reakce opět dva protony vystupují. Na tomto principu září všechny hvězdy na obloze, které můžete vidět prostým okem na noční obloze. Mezi tyto hvězdy patří také nám hvězda nejbližší a tou je naše Slunce. Termonukleární rekce na něm probíhá necelých 5 mld let a z hlediska poměru vodíku a helia se nachází asi v polovině svého života. V závěrečných fázích života hvězdy (tedy i Slunce) pokračuje termonukleární reakce fúzí helia v těžší prvky. Díky konečným fázím života hvězd se objevují také složitější chemické prvky, prakticky všechny, které známe z periodické tabulky. + + + + HELIUM + + 17,6 MeV + + + PROTON 3 He 2

+ + + 17,6 MeV Závěr proton – protonového cyklu + He + + He + + He + Obr. 6 Závěr proton – protonového cyklu proton + 3 He 2 + + + 17,6 MeV 4 He + + 2 + + 3 He + 2 proton

Otázky k opakování : Problémová úloha: Popiš stručně, svými slovy, proton protonový cyklus probíhající na našem Slunci. Kolik protonů vstupuje do zde popsané termonukleární reakce? Kolik protonů ze zde popsané TNR opět vystupuje? Který prvek je produktem fúze protonů ve zde popsané TNR? Mohou v tomto procesu vzniknout i těžší prvky než je helium? Problémová úloha: Je za stavu současné techniky možné postavit zde na Zemi termonukleární reaktor využívající proton-protonového cyklu? Uveď argumenty proč.

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní Obr. 2: vlastní Obr. 3: vlastní

Seznam použité literatury: