Химия Солнца
Трудно даже вообразить, что человек может изучить химию Солнца. Но наука сумела многое сделать: мы знаем теперь химический состав Солнца, знаем (и знаем уже немало) о грандиозных процессах — источниках солнечной энергии. С помощью спектрального анализа было найдено на Солнце более 60 элементов периодической системы Менделеева.
Определены даже количественные соотношения между химическими элементами на Солнце. Оказалось, что Солнце — это мир раскаленного водорода. Водородных атомов там почти в 5 раз больше, чем атомов гелия, и в 1000 раз больше, чем атомов всех остальных элементов, вместе взятых.
Среди других элементов на Солнце преобладают углерод, кислород и азот. Немало там и магния, алюминия, кремния, серы, железа. В меньшем количестве присутствуют калий, кальций, натрий, свинец и др. Обнаружено даже несколько представителей редких земель; можно быть уверенным, что будут найдены и остальные. Как и повсюду в мироздании, на Солнце преобладают легкие элементы, с малыми атомными номерами. Кроме того, как правило, элементов с четными порядковыми номерами на Солнце значительно больше, чем их соседей по периодической таблице с нечетными номерами.
Обнаружены на Солнце и простейшие химические соединения, молекулы которых способны выдержать очень высокую температуру. Это не какие-нибудь особые, «солнечные» соединения — нет, химики умеют их получать и исследовать на Земле. Это простейшие радикалы: СН, ОН, NH, CaH, SiH, CN. Более сложные молекулы, вероятно, не могут существовать на Солнце. С точки зрения старой химии, имеющей дело только с электронными оболочками атома, химия Солнцу, по-видимому, очень проста. Но на Солнце протекают процессы ядерной химии, и в очень грандиозных масштабах.
Периодический закон Менделеева помогает разобраться в том, что происходит на Солнце (и, конечно, на звездах, похожих на наше Солнце) и какие превращения испытывают на Солнце атомные ядра. В его недрах, при немыслимо высоких температуре и давлении, атомы элементов теряют почти все свои электроны. В условиях сжатого до огромной плотности газа, состоящего главным образом из протонов и электронов, ядер гелия и относительно небольшой примеси ядер и ионов других элементов, протоны могут вступать между собой и с ядрами других элементов в ядерно-химические реакции.
Солнце — это мир водорода. Ядра остальных элементов окружены со всех сторон протонами (ядрами водорода) и могут сталкиваться почти исключительно лишь с протонами. Другие столкновения происходят значительно реже. Если скорости и энергия сталкивающихся атомных ядер достаточно велики, то при столкновении оба ядра сливаются, и возникает новый элемент.
На Солнце протекает очень много различных ядерных реакций. Далеко не все они хорошо изучены, о многих из них мы еще и не подозреваем. Одна из известных нам ядерных реакций на Солнце имеет особое значение. Она определяет природу Солнца. Это реакция образования гелия из водорода. Она протекает различными путями. Протоны могут соединяться непосредственно друг с другом. При этом образуются ядра дейтерия (тяжелый изотоп водорода) и гелия-3 (легкий изотоп гелия). Реагируя с протонами, они образуют ядра гелия-4.
Но еще интереснее и важнее сложная ядерная каталитическая реакция — синтез гелия из водорода на углеродных атомах. Эта реакция протекает не сразу, а в несколько ступеней. Катализатором в этой солнечной реакции служит углерод, точнее, его наиболее распространенный изотоп 12 С, тот самый, которого больше всего и на Земле. Первая стадия реакции — соединение ядер водорода с ядрами изотопа углерод-12. При этом возникает атомное ядро с семью положительными зарядами: у углерода их шесть, а с протоном добавляется еще один. С таким атомным ядром ученые знакомы; на Земле его нет, но они уже умеют получать его искусственно.
Согласно правилу сдвига элемент при увеличении заряда ядра на единицу превращается в другой, занимающий в таблице Менделеева следующую по порядку клетку. Углерод-12, захватив протон, превращается в азот — в радиоактивный изотоп азота — азот-13. Период его жизни невелик: за 10 мин он распадается наполовину. Выбрасывая позитрон и нейтрино, тяжелый азот превращается снова в тяжелый изотоп углерода 13 С. Не нужно думать, что это какой-то особенный «солнечный» углерод. Его-много и на Земле: в земном углероде изотопа 13 С около 1%.
Образовавшееся ядро тяжелого углерода 13 С, подвергаясь новым ударам протонов, может слиться с тем из них, который обладает достаточно большой энергией. При этом, как следует из закономерностей периодического закона, возникает ядро азота, но уже с большей атомной массой: на этот раз возникает самый обычный азот 14 N, который содержится в атмосфере Земли и который мы вдыхаем вместе с кислородом.
Какие бы элементы ни возникали на Солнце в цепи ядерно-химических превращений, какие бы элементы там ни существовали, их судьба предопределена: они снова и снова должны участвовать в протонных превращениях. Такова же судьба и изотопа азота 14 N: его ядра будут реагировать с ядрами водорода. При их соединении, согласно правилу сдвига, должно возникнуть ядро легкого кислорода 15 О. Однако такого изотопа на Земле нет, но физики умеют его получать и хорошо изучили его свойства. Он радиоактивен и исчезает в короткое время. При распаде этот изотоп испускает позитрон и нейтрино и уже в третий раз превращается в азот, в тяжелый изотоп азота — 15 М. Он стабилен, хорошо известен и в небольшом количестве всегда присутствует в обычном земном азоте.
На Солнце в это атомное ядро снова внедряется протон, и тут ядро 15 N сразу распадается, выбрасывая а-частицу (ядро атома гелия), и превращается в ядро изотопа обычного углерода 12 С, с которого началась эта удивительная цепь последовательных ядерных превращений. Итак, на Солнце атомное ядро углерода в результате четырех последовательных ядерных реакций с протонами, трижды превратившись в азот, один раз — в тяжелый углерод, один раз — в кислород, выбросив по дороге два позитрона, потеряв две загадочные частицы — нейтрино, превращается в конце концов в тот же самый изотоп углерода 12 С и а-частицу.
В результате углерод остался таким же, каким он и был. Но исчезли четыре водородных ядра, и возникло ядро гелия. Оно сформировалось на углеродном атомном ядре, которое осталось без изменений, послужив ядерным катализатором в ядерно-химической реакции — в синтезе гелия из водорода. Таким образом, водород на Солнце — топливо, а гелий — зола, отбросы.
Долго, невообразимо долго продолжается этот замечательный ядерный цикл реакций: должно пройти почти 5 млн. лет, пока атом углерода после всех последовательных превращений станет снова атомом углерода. Ведь далеко не каждое соударение с протоном ведет к реакции. Требуются миллионы лет, чтобы среди бесчисленного множества столкновений ядер углерода с протонами произошло столкновение с таким быстрым протоном, энергия которого так велика, что он способен проникнуть в маленькую неприступную крепость — атомное ядро.
Но и с такой скоростью (за 5 млн. лет одно полное превращение) эта реакция может идти только при температуре не ниже 20 млн. К. Температура же на поверхности Солнца не превышает 6000 К. Это означает, что тайна Солнца скрыта в его недрах, в его центральных областях, где, как рассчитывают ученые, царят чудовищно высокие температуры, близкие к 20 млн. К.
Не нужно думать, что все только что изложенное — это лишь предположение ученых. Физики уже сумели повторить в лабораториях все стадии солнечного ядерно-химического процесса. Ученым не нужно ждать миллионы лет, чтобы осуществить самую медленную стадию этого цикла. В ускорителях получают протоны с такой большой энергией, которая превышает их возможную энергию при 20 млн. К на Солнце. Спектроскописты сумели определить, сколько углерода на Солнце. Они измерили, сколько в нем тяжелого изотопа 13 С. Физики рассчитали скорость этой реакции, нашли, сколько энергии выделяется при каждом полном цикле. Астрономы измерили массу солнечного шара, рассчитали температуры в его глубинах.
В результате большой общей работы было найдено, что при 20 млн. К при том количестве изотопа 13 С, какое было найдено на Солнце, должно возникать ровно столько энергии, сколько ее излучает Солнце. Несмотря на то что как будто бы ученые выяснили и поняли, каким образом рождается солнечная энергия, дающая жизнь нашей Земле, все еще остается неразгаданной тайна процессов в недрах Солнца. Дело в том, что во всех ядерно-химических реакциях на Солнце, протекающих с выделением позитрона, одновременно должны появляться удивительные, неуловимые, лишенные массы частицы — нейтрино. Но до сих пор ученым не удается, несмотря на все попытки, обнаружить поток нейтрино от Солнца. Почему их нет, пока никто не знает. Может быть, наши представления о механизме солнечных реакций неверны или эти частицы почему-то до нас не долетают? А может быть, просто мы еще не научились их ловить?
Посмотрите на солнышко, как много чудесного рассказали ученым его ласковые лучи, в которых вы греетесь и загораете летом, о таинственных и загадочных процессах, протекающих за миллионы километров от нашей Земли. Но еще не все понято, не все изучено. Многое и многое остается на вашу долю, юные читатели Детской энциклопедии.
Источник
Из чего состоит Солнце
С Земли, Солнце выглядит как гладкий огненный шар, и до открытия комическим кораблём Galileo пятен на Солнце, многие астрономы считали, что оно идеальной формы без дефектов. Теперь мы знаем, что Солнце состоит из нескольких слоёв, как и Земля, каждый из которых выполняет свою функцию. Эта структура Солнца, похожая на массивную печь, является поставщиком всей энергии на Земле, необходимой для земной жизни.
Из каких элементов состоит Солнце?
Если бы у вас получилось разложить звезду на части, и сравнить составные элементы, вы бы поняли, что состав Солнца представляет собою 74% водорода и 24% гелия. Также, Солнце состоит из 1% кислорода, и оставшийся 1% — это такие химические элементы таблицы Менделеева, как хром, кальций, неон, углерод, магний, сера, кремний, никель, железо. Астрономы полагают, что элемент тяжелее гелия – это металл.
Протон-протонный цикл происходящий в недрах Солнца
Как появились все эти элементы Солнца? В результате Большого Взрыва появились водород и гелий. В начале становления Вселенной, первый элемент, водород, появился из элементарных частиц. Из-за большой температуры и давления условия во Вселенной были как в ядре звезды. Позже, водород синтезировался в гелий, пока во Вселенной была высокая температура, необходимая для протекания реакции синтеза. Существующие пропорции водорода и гелия, которые есть во Вселенной сейчас, сложились после Большого Взрыва и не изменялись.
Остальные элементы Солнца созданы в других звездах. В ядрах звезд постоянно происходит процесс синтеза водорода в гелий. После выработки всего кислорода в ядре, они переходят на ядерный синтез более тяжелых элементов, таких как литий, кислород, гелий. Многие тяжелые металлы, которые есть в Солнце, образовывались и в других звездах в конце их жизни.
Образование самых тяжелых элементов, золота и урана, происходило, когда звезды, во много раз больше нашего Солнца, детонировали. За доли секунды образования черной дыры, элементы сталкивались на большой скорости и образовывались самые тяжелые элементы. Взрыв раскидал эти элементы по всей Вселенной, где они помогли образоваться новым звездам.
Наше Солнце собрало в себя элементы, созданные Большим Взрывом, элементы от умирающих звезд и частицы появившихся в результате новых детонаций звезд.
Из каких слоев состоит Солнце
На первый взгляд, Солнце — просто шар, состоящий из гелия и водорода, но при более глубоком изучении видно, что оно состоит из разных слоев. При движении к ядру, температура и давление увеличиваются, в результате этого были созданы слои, так как при различных условиях водород и гелий имеют разные характеристики.
Графическое представление слоев Солнца
Солнечное ядро
Начнем наше движение по слоям от ядра к наружному слою состава Солнца. Во внутреннем слое Солнца – ядре, температура и давление очень высокие, способствующие для протекания ядерного синтеза. Солнце создает из водорода атомы гелия, в результате этой реакции образуется свет и тепло, которые доходят до Земли. Принято считать, что температура на Солнце около 13,600,000 градусов по Кельвину, а плотность ядра в 150 раз выше плотности воды.
Ученые и астрономы считают, что ядро Солнца достигает около 20% длины солнечного радиуса. И внутри ядра, высокая температура и давление способствуют разрыву атомов водорода на протоны, нейтроны и электроны. Солнце преобразовывает их в атомы гелия, не смотря на их свободно плавающее состояние.
Такая реакция называется экзотермической. При протекании этой реакции выделяется большое количество тепла, равное 389 х 10 31 дж. в секунду.
Радиационная зона Солнца
Эта зона берет свое начало у границы ядра (20% солнечного радиуса), и достигает длины до 70% радиуса Солнца. Внутри этой зоны находится солнечное вещество, которое по своему составу достаточно плотное и горячее, поэтому тепловое излучение проходит через него, не теряя тепло.
Внутри солнечного ядра протекает реакция ядерного синтеза – создание атомов гелия в результате слияния протонов. В результате этой реакции происходит большое количество гамма-излучения. В данном процессе испускаются фотоны энергии, затем поглощаются в радиационной зоне и испускаются различными частицами вновь.
Траекторию движения фотона принято называть «случайным блужданием». Вместо движения по прямой траектории к поверхности Солнца, фотон движется зигзагообразно. В итоге, каждому фотону необходимо примерно 200.000 лет для преодоления радиационной зоны Солнца. При переходе от одной частицы к другой частице происходит потеря энергии фотоном. Для Земли это хорошо, ведь мы бы могли получать лишь гамма-излучение, идущее от Солнца. Фотону, попавшему в космос необходимо 8 минут для путешествия к Земле.
Большое количество звезд имеют радиационные зоны, и их размеры напрямую зависит от масштаба звезды. Чем меньше звезда, тем меньше будут зоны, большую часть которой будет занимать конвективная зона. У самых маленьких звезд могут отсутствовать радиационные зоны, а конвективная зона будет достигать расстояние до ядра. У самых больших звезд ситуация противоположная, радиационная зона простирается до поверхности.
Конвективная зона
Конвективная зона находится снаружи радиационной зоны, где внутреннее тепло Солнца перетекает по столбам горячего газа.
Почти все звезды имеют такую зону. У нашего Солнца она простирается от 70% радиуса Солнца до поверхности (фотосферы). Газ в глубине звезды, у самого ядра, нагреваясь, поднимается на поверхность, как пузырьки воска в лампадке. При достижении поверхности звезды, происходит потеря тепла, при охлаждении газ обратно погружается к центру, за возобновлением тепловой энергии. Как пример, можно привезти, кастрюля с кипящей водой на огне.
Поверхность Солнца похожа на рыхлую почву. Эти неровности и есть столбы горячего газа, несущие тепло к поверхности Солнца. Их ширина достигает 1000 км, а время рассеивания достигает 8-20 минут.
Астрономы считают, что звезды маленькой массы, такие как красные карлики, имеющие только конвективную зону, которая простирается до ядра. У них отсутствует радиационная зона, что нельзя сказать о Солнце.
Фотосфера
Единственный видимый с Земли слой Солнца – фотосфера. Ниже этого слоя, Солнце становится непрозрачным, и астрономы используют другие методы для изучения внутренней части нашей звезды. Температуры поверхности достигает 6000 Кельвин, светится желто-белым цветом, видимым с Земли.
Атмосфера Солнца находится за фотосферой. Та часть Солнца, которая видна во время солнечного затмения, называется короной.
Строение Солнца в диаграмме
NASA специально разработало для образовательных потребностей схематическое изображение строения и состава Солнца с указанием температуры для каждого слоя:
- (Visible, IR and UV radiation) – это видимое излучение, инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Видимое излучение – это свет, которые мы видим приходящим от Солнца. Инфракрасное излучение – это тепло, которое мы ощущаем. Ультрафиолетовое излучение – это излучение, дающее нам загар. Солнце производит эти излучения одновременно.
- (Photosphere 6000 K) – Фотосфера – это верхний слой Солнца, поверхность его. Температура 6000 Кельвин равна 5700 градусов Цельсия.
- Radio emissions (пер. Радио эмиссия) – Помимо видимого излучения, инфракрасного излучения и ультрафиолетового излучения, Солнце отправляет радио эмиссию, которую астрономы обнаружили с помощью радиотелескопа. В зависимости от количества пятен на Солнце, эта эмиссия возрастает и снижается.
- Coronal Hole (пер. Корональная дыра) – Это места на Солнце, где корона имеет небольшую плотность плазмы, в результате она темнее и холоднее.
- 2100000 К (2100000 Кельвин) – Радиационная зона Солнца имеет такую температуру.
- Convective zone/Turbulent convection (пер. Конвективная зона/Турбулентная конвекция) – Это места на Солнце, где тепловая энергия ядра передается с помощью конвекции. Столбы плазмы доходят до поверхности, отдают своё тепло, и вновь устремляются вниз, чтоб вновь нагреться.
- Coronal loops (пер. Корональные петли) – петли, состоящие из плазмы, в атмосфере Солнца, движущиеся по магнитным линиям. Они похожи на огромные арки, простирающиеся от поверхности на десятки тысяч километров.
- Core (пер. Ядро) – это солнечное сердце, в котором происходит ядерный синтез, при помощи высокой температуры и давления. Вся солнечная энергия происходит из ядра.
- 14,500,000 К (пер. 14,500,000 Кельвин) – Температура солнечного ядра.
- Radiative Zone (пер. Радиационная зона) – Слой Солнца, где энергия передается при помощи радиации. Фотон преодолевает радиационную зону за 200.000 и выходит в открытый космос.
- Neutrinos (пер. Нейтрино) – это ничтожно маленькие по массе частицы, исходящие из Солнца в результате реакции ядерного синтеза. Сотни тысяч нейтрино проходят через тело человека ежесекундно, но никакого вреда нам не приносят, мы их не чувствуем.
- Chromospheric Flare (пер. Хромосферная вспышка) – Магнитное поле нашей звезды может закручиваться, а потом резко разрывается в различных формах. В результате разрывов магнитных полей появляются мощные рентгеновские вспышки, исходящие из поверхности Солнца.
- Magnetic Field Loop (пер. Петля магнитного поля) – Магнитное поле Солнца находится над фотосферой, и видно, так как раскаленная плазма движется по магнитным линиям в атмосфере Солнца.
- Spot– A sunspot (пер. Солнечные пятна) – Это места на поверхности Солнца, где магнитные поля проходят через поверхность Солнца, и на них температура ниже, часто в виде петли.
- Energetic particles (пер. Энергичные частицы) – Они исходят из поверхности Солнца, в результате создается солнечный ветер. В солнечных бурях их скорость достигает скорости света.
- X-rays (пер. Рентгеновские лучи) – невидимые для глаза человека лучи, образующиеся во вспышек на Солнце.
- Bright spots and short-lived magnetic regions (пер. Яркие пятна и недолгие магнитные регионы) – Из-за перепада температур на поверхности Солнца появляются яркие и тусклые пятна.
Источник