Какая термоядерная реакция происходит на Солнце?
Известно, что тепло вырабатывается на Солнце вследствие ядерных реакций. В чем суть этих загадочных процессов?
Большая часть привычного нам вещества состоит из молекул и атомов, например, из атомов железа или кислорода. В ходе химических реакций атомы элементов перестраиваются в новые молекулы, но сами не меняются. Долгое время считалось, что получить из атомов одного элемента атомы другого элемента (скажем, из свинца золото) невозможно. Однако в конце XIX в. были открыты ядерные реакции, в ходе которых изменяются сами атомы.
На Солнце происходят термоядерные реакции. Основной из них является протон-протонный цикл. Его суть заключается в том, что из водорода получается гелий. Сначала два протона (а протон – это название ядра водорода) сливаются друг с другом и образуют дейтрон – ядро дейтерия, одного из изотопов водорода. Далее дейтрон сталкивается ещё с одним протоном, в результате возникает изотоп гелий-3. Наконец, два ядра гелия-3 также сливаются, что приводит к образованию гелия-4 и освобождению 2 протонов. Получается, что в ходе цикла этих реакций из 4 протонов получается 1 ядро гелия-4, при этом выделяется некоторое количество энергии.
На протон-протонный цикл приходится 98% энергии, выделяемой на Солнце. В ходе других реакций из гелия получается углерод, из углерода – неон и магний, из неона – аргон и кальций и т.д. Таким образом, в звезде «по цепочке» из водорода образуется огромное количество разнообразных элементов. Этот процесс называют звездным нуклеосинтезом. Изначально, после Большого взрыва, во Вселенной не было никаких других элементов, кроме водорода, гелия и небольшого количества лития. Именно благодаря звездному нуклеосинтезу мы живем в мире, где есть железо, золото, серебро, кислород и ещё порядка 100 элементов таблицы Менделеева.
Для термоядерных реакций нужны особые условия. Дело в том, что протоны обладают положительным зарядом, поэтому они отталкиваются друг от друга. Ядра водорода должны обладать огромной скоростью, чтобы они смогли столкнуться, несмотря на противодействие электростатических сил. Скорость же элементарных частиц тем выше, чем выше температура вещества и его плотность. В ядре температура достигает 15 млн °С, а давление составляет 340 млрд атмосфер. Этого как раз достаточно для термоядерных реакций. Во внешних же слоях Солнца термоядерные реакции не идут, хотя там тоже весьма жарко.
В ходе термоядерных реакций Солнце каждую секунду «сжигает» более 4 млн тонн водорода. Через 5 млрд лет он почти закончится, что приведет к резкому расширению Солнца и его последующему угасанию.
Список использованных источников
Источник
Энергия Солнца за счет термоядерных реакций
Термоядерная реакция происходит когда из более лёгких элементов образуются тяжелые. Это явление может произойти только при высоком давлении и температуре как на Солнце.
Много было гипотез появления энергии от солнца начиная от бомбардировки метеоритами, сжатия элементов до распада тяжелых элементов как при ядерном делении.
Самая верная оказалась гипотеза высказанная в 1935 году американским астрофизиком Ханс Альбрехт Бете: источником солнечной энергии может быть термоядерные реакции на Солнце превращения водорода в гелий. За это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.
Солнце – совершенный термоядерный реактор
В последнее время ученые всего мира пытаются получить термоядерную энергию, которая будет в производстве более эффективна, чем ядерная реакция. Такой термоядерный реактор мог бы соединять легкие ядра в более тяжелые, приблизительно также, как это происходит на Солнце. На разработку этого проекта затрачиваются огромные средства.
В то же время в природе существует уже пять миллиардов лет совершенный термоядерный реактор – Солнце.
В ядре звезды в том числе и как наше Солнце происходит огромное количество реакций. Во время каждой реакции количество частиц понижается. Это вызывает понижение давления в ядре звезды, так как давление пропорционально количеству частиц. Внешняя оболочка звезды сдавливает гелиевое ядро, которое нагревается, подобно тому, как нагревается сдавливаемый воздух в воздушном насосе. Но в то время, как тепло возникает за счет энергии наших мускулов, тепло в ядре звезды возникает за счет гравитационной энергии.
Горячее ядро нагревает слой водорода, покрывающий его. При температуре свыше 7 миллионов градусов по Кельвину водород начинает превращаться в гелий.
На этом этапе звезда, обладает двумя источниками энергии: энергией гравитационного сжатия выгоревшего гелиевого ядра и термоядерных реакций в слое, окружающем ядро.
У звезды с двумя источниками энергии повышается ее светимость. В то время как ядро звезды вследствие сил гравитации сжимается, горение водорода на поверхности звезды в процессе расширения охлаждается (приобретает красный цвет).
Нагревание гелия в ядре красного гиганта продолжается до тех пор, пока температура не достигнет ста миллионов градусов. При этой температуре альфа-частицы сталкиваются с такой скоростью, что преодолевают силу взаимного электрического отталкивания и вследствие этого могут приблизиться на расстояние 1 ферми (1 ферми 1×10 −15 м) . Между альфа-частицами начинает действовать мощная ядерная сила, которая соединяет их в более сложное атомное ядро.
Характеристики превращения
Считается, что термоядерные реакции на солнце совершенные по следующим причинам:
- Превращение водорода в гелий является наиболее эффективным способом освобождения энергии в Солнечной системе. Никакая другая ядерная или химическая реакция не способна освободить из вещества столько ресурсов, сколько освобождается их в недрах Солнца в результате превращения водорода в гелий.
- Самый безопасный реактор, поскольку не может взорваться, обладая столь совершенной системой управления своих внутренних процессов. Всякий рискованный перегрев вызывает расширение и моментальное охлаждение. Температура поверхности Солнца относительно стабильна.
- Почти вечный источник. Ведь процесс освобождения энергии в нем будет продолжаться еще по крайней мере десять миллиардов лет.
- Звезда поставляет на нашу планету беспрерывно громадное количество теплоты (180 000 ТВт), намного больше того количества, которое человечество способно употребить. Парадоксально звучат слова об энергетическом кризисе, в то время как Солнце предлагает нам в 20 000 раз больше, чем нужно всем обитателям Земли вместе взятым.
- Энергия, которую дает нам Солнце, абсолютно чистая. Она не загрязняет окружающую среду ни в химическом, ни в радиоактивном отношении.
- Солнце за счет термоядерной реакции тепло дает даром.
- Оно настолько далеко, что никто не может злонамеренно использовать его в целях уничтожения жизни на нашей планете.
- Совершенный солнечный термоядерный реактор служит исключительно в мирных целях, для пользы всего живого на Земле. В руках человека ядерная энергия превратилась в орудие страдания и смерти (Хиросима и Нагасаки).
- Солнечная энергия, поступающая к нам в виде фотонов, высококачественна. Ее можно легко преобразовывать в любой другой вид необходимый в быту, промышленности, транспорте, сельском хозяйстве. Солнечное излучение можно превращать прямым или косвенным путём в другие виды энергии: электрическую, химическую , тепловую, механическую. Отрасль энергетики, занимающаяся использованием солнечной энергии, называется гелиоэнергетикой. Во многих странах мира функционируют самые разные гелиоустановки.
Источник
Тест по астрономии Эволюция звёзд, 10-11 (Что происходит с газопылевыми облаками …)
Правильные ответы
1. Что происходит с газопылевыми облаками по мере их сжатия?
Плотность и температура облака повышаются
2. Что излучает газопылевое облако по мере сжатия?
Волны в инфракрасном диапазоне спектра
3. Укажите длительность стадии сжатия протозвезды с массой больше солнечной.
Сотни тысяч лет
4. От чего зависит светимость и поверхностная температура сформировавшихся звёзд?
5. Что происходит, когда температура в недрах протозвезды повышается до нескольких миллионов кельвинов?
В протозвезде начинаются термоядерные реакции
6. Какая будет температура в гелиевом ядре у звезды с массой чуть меньше солнечной?
7. Какие термоядерные реакции начинаются у Солнца при сжатии ядра?
Превращения гелия в углерод
8. Что остается после рассеяния оболочки звезды?
9. Из-за чего расширяется фотосфера звезды?
Из-за повышения газового давления
10. Во что может превратиться ядро массивной звезды при резком сжатии?
1. Что происходит с газопылевыми облаками по мере их сжатия?
Плотность и температура облака уменьшаются Плотность растет, а температура уменьшается Плотность и температура облака повышаются
2. Что излучает газопылевое облако по мере сжатия?
Волны в инфракрасном диапазоне спектра Волны в ультрафиолетовом диапазоне спектра Волны в микроволновом диапазоне спектра
3. Укажите длительность стадии сжатия протозвезды с массой больше солнечной.
Сотни миллионов лет Сотни миллиардов лет Сотни тысяч лет
4. От чего зависит светимость и поверхностная температура сформировавшихся звёзд?
От их возраста От их массы От их состава
5. Что происходит, когда температура в недрах протозвезды повышается до нескольких миллионов кельвинов?
В протозвезде начинаются термоядерные реакции Протозвезда начинает стремительно сжиматься Протозвезда поглощает большое количество энергии
6. Какая будет температура в гелиевом ядре у звезды с массой чуть меньше солнечной?
Более 120 млн К Около 100 млн К Менее 80 млн К
7. Какие термоядерные реакции начинаются у Солнца при сжатии ядра?
Превращения гелия в углерод Превращения водорода в гелий Превращения углерода в азот
8. Что остается после рассеяния оболочки звезды?
Красный гигант Планетарная туманность Белый карлик
9. Из-за чего расширяется фотосфера звезды?
Из-за повышения газового давления Из-за поглощения энергии ядром Из-за понижения температуры фотосферы
10. Во что может превратиться ядро массивной звезды при резком сжатии?
В звёздную туманность В чёрную дыру В красного гиганта
Источник
Как работает Солнце? Термоядерные реакции
С давних времен люди смотрели на небо и мечтали завести такой костер или светильник у себя дома. Так как же работает этот светильник, который носит имя Солнце?
Ядерная или по-другому атомная энергия – внутренний вид энергии. Она очень сильная, но это только на небольших расстояниях, я бы сказал этакий «богатырь с короткими руками». В современных АЭС используют ядерное расщепление тяжелых атомов. Да, при этой реакции высвобождается много энергии, но не так как при реакции термоядерного синтеза.
До 20 века ученые всей Земли не могли объяснить тот факт, что уже многие тысячелетия Солнце продолжает гореть, не используя постороннего топлива. Но вот относительно недавно ученые дали ответ: Солнце получает свою энергию в результате ядерного синтеза или по-другому термоядерного синтеза. Солнце – громадное небесное тело, оно само по себе имеет сложное строение (см картинку), но основу составляет плазма изотопов водорода (Дейтерий и Тритий).
Плазма – ионизированный газ. Сами по себе эти атомы соединиться не могут, они отталкиваются друг от друга за счет Кулоновских сил, но т.к. солнце огромное небесное тело, то и в тоже мгновение эти атомы стремятся прижаться за счет силы притяжения. К счастью, наше светило находится в стабильном состоянии. На атомы водорода действует значительная сила, которая позволяет при их налете друг на друга соединиться в новое ядро гелия.
Как раньше я говорил, что ядерные силы – «богатырь с короткими руками», они во много раз больше сил тяготения, поэтому и энергия термоядерного синтеза колоссальна. Она с огромным запасом окупает работу, затраченную протонами на преодоление электрического отталкивания.
Мы можем посчитать сколько энергии высвобождается при такой реакции. Масса протона мы можем посмотреть в учебнике химии, физики или даже в некоторых таблицах Менделеева, там она будет равна 1,007825, значит, два протона в сумме должны иметь массу 2,01565, но она в реальности она равна 2,01410, т. е. меньше массы двух протонов на 0,00155 (разница происходит из-за дефекта масс). Путем недолгих вычислений мы узнаем, что это число равно 0,46 млн. электрон-вольт. Вот это количество энергии и выделяется при образовании дейтрона. Затем происходит реакция соединения двух дейтронов (см картинку). При образовании нового ядра гелия выделяется энергия в 5,5 Мэв. Затем, ядра гелия также могут попарно соединиться, и тогда уже выделиться большее количество энергии равное — 12,89 Мэв. За миллион лет наше Солнце потеряло лишь миллионную долю своей массы!
На этом все, подписывайтесь на канал, что бы не упустить новые и интересные статьи!
Источник
Термоядерные реакции, происходящие на солнце
Вадим Прибытков, физик-теоретик, постоянный корреспондент Терры Инкогнита.
Ученые прекрасно понимают, что термоядерные реакции, происходящие на Солнце, в целом заключаются в превращении водорода в гелий и в более тяжелые элементы. Но вот как совершаются эти превращения, абсолютной ясности нет, точнее, господствует полная неясность: отсутствует самое главное первоначальное звено. Поэтому придумана фантастическая реакция соединения двух протонов в дейтерий с выбросом позитрона и нейтрино. Однако такая реакция в действительности невозможна, потому что между протонами действуют мощные силы отталкивания.
—-Что же в действительности происходит на Солнце?
Первая реакция заключается в рождении дейтерия, образование которого происходит при высоком давлении в низкотемпературной плазме при близком соединении двух атомов водорода. В этом случае два водородных ядра на короткий период оказываются почти рядом, при этом они в состоянии совершить захват одного из орбитальных электронов, который и образует с одним из протонов нейтрон.
Аналогичная реакция может протекать и при других условиях, когда протон внедряется в атом водорода. В этом случае также происходит захват орбитального электрона (К-захват).
Наконец может быть и такая реакция, когда на какой-то короткий период сближаются два протона, их совместных сил хватает на то, чтобы захватить пролетающий электрон и образовать дейтерий. Все зависит от температуры плазмы или газа, в которых протекают эти реакции. При этом выделяется 1,4 Мэв энергии.
Дейтерий является основой для протекания последующего цикла реакций, когда два ядра дейтерия образуют тритий с выбросом протона, или гелий-3 с выбросом нейтрона. Обе реакции равновероятны и хорошо известны.
Далее следуют реакции соединения трития с дейтерием, трития с тритием, гелия-3 с дейтерием, гелия-3 с тритием, гелия-3 с гелием-3 с образованием гелия-4. При этом выделяется большее количество протонов и нейтронов. Нейтроны захватываются ядрами гелия-3 и всеми элементами, у которых имеются связки из дейтерия.
Эти реакции подтверждаются и тем, что из Солнца в составе солнечного ветра выбрасывается огромное количество протонов высоких энергий. Самым замечательным во всех этих реакциях является то, что в ходе их не образуется ни позитронов, ни нейтрино. При протекании всех реакций выделяется энергия.
—-В природе все происходит гораздо проще.
Далее из ядер дейтерия, трития, гелия-3, гелия-4 начинают формироваться более сложные элементы. При этом весь секрет заключается в том, что ядра гелия-4 не могут соединяться между собой непосредственно, потому что они взаимно отталкиваются. Их соединение происходит через связки из дейтерия и трития. Этот момент официальная наука также совершенно не учитывает и сваливает ядра гелия-4 в одну кучу, что невозможно.
Таким же фантастическим, как и официальный водородный цикл, является и так называемый углеродный цикл, придуманный Г.Бете в 1939 г., в ходе которого из четырех протонов образуется гелий-4 и, якобы, также выделяются позитроны и нейтрино.
В природе все происходит гораздо проще. Природа не придумывает, как теоретики, новые частицы, а пользуется лишь теми, которые у нее имеются. Как мы видим, образование элементов начинается с присоединения двумя протонами одного электрона (так называемый К-захват), в результате чего и получается дейтерий. К-захват является единственным методом создания нейтронов и широко практикуется и всеми остальными более сложными ядрами. Квантовая механика отрицает наличие электронов в ядре, но без электронов построить ядра невозможно.
Источник