Солнечная система. Звезды и источники их энергии. Галактика. Источники энергии солнца и звездТермоядерная реакция. Источники энергии Солнца и звезд«Надежда на быстрое решение проблемы управляемого термоядерного синтеза — то же, что надежда грешника попасть в рай, минуя чистилище…» Лев Андреевич Арцимович В данной теме речь пойдёт о термоядерных реакциях иисточниках энергии Солнца и звезд. Известно, что в середине 20 века возникла проблема поиска новых источников энергии. В связи с этим внимание ученых привлекли термоядерные реакции. Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые ядра. Для ее осуществления необходимо, чтобы исходные нуклоны или легкие ядра сблизились до расстояний, равных или меньших радиуса сферы действия ядерных сил притяжения (т.е. до расстояний порядка 10–15 м). Такому взаимному сближению ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Для возникновения реакции синтеза необходимо нагреть вещество большой плотности до сверхвысоких температур (порядка сотен миллионов кельвин), чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер оказалась достаточной для преодоления кулоновских сил отталкивания. При таких температурах вещество существует в виде плазмы. Поскольку синтез может происходить только при очень высоких температурах, то ядерные реакции синтеза и получили название термоядерных реакций (от греческого«Терма» — тепло, жар). На примере урана ранее было показано, что при деление тяжелых ядер может выделяться энергия. В случае с легкими ядрами энергия может выделяться при обратном процессе — при их синтезе. Причем реакция синтеза легких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжелых (если сравнивать выделившуюся энергию, приходящуюся на один нуклон). Таким образом, в термоядерных реакциях выделяется огромная энергия. Например, в реакции синтеза дейтерия с образованием выделяется 3,2 МэВ. В реакции синтеза дейтерия с образованием трития выделяется порядка 4 МэВ, а в реакции синтеза дейтерия и трития выделяется около17,6 МэВ энергии. Особенно большое практическое значение имеет тот факт, что при термоядерных реакциях на каждый нуклон выделяется значительно большая энергия, чем при цепных ядерных реакциях. Например, при синтезе ядер гелия из ядер водорода на один нуклон выделяется энергия, порядка 6 МэВ, в то время как при делении ядра U-235 на один нуклон выделяется энергия всего лишь порядка 0,9 МэВ. Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в недрах звезд (в том числе Солнца) и играют важнейшую роль в существовании и развитии Вселенной. На Земле первая термоядерная реакция была осуществлена при взрыве водородной бомбы. Высокую температуру, необходимую для начала термоядерной реакции, в водородной бомбе получали в результате взрыва входящей в ее состав атомной бомбы, играющей роль детонатора, а термоядерным горючим являлся дейтерид лития. Сначала в водородной бомбе взрывается атомная бомба. Этот взрыв сопровождается резким ростом температуры, а также возникновением потока нейтронов. Нейтроны вступают в реакцию с изотопом лития, образуют тритий, затем инициируется термоядерная реакция, которая дает основное выделение энергии. Термоядерные реакции, происходящие при взрывах водородных бомб, являются неуправляемыми. Если бы в земных условиях была возможность осуществлять легко управляемые термоядерные реакции, человечества получило бы практически неисчерпаемый источник энергии, так как запасы водорода на Земле огромны. Однако на пути осуществления энергетически выгодных управляемых термоядерных реакций стоят большие технические трудности. Прежде всего, необходимо создавать температуры порядка 108 К. Только при такой температуре газ почти полностью ионизируется, превращаясь в плазму, в которой и происходит синтез ядер. Такие сверхвысокие температуры могут быть получены путем создания в плазме электрических разрядов большой мощности. Также, для удержания плазмы, необходимо создание очень сильных магнитных полей. Этот метод используют в установках типа "Токамак", впервые созданных в Институте атомной энергии имени Курчатова. В таких установках плазму создают в тороидальной камере, являющейся вторичной обмоткой мощного импульсного трансформатора. Его первичная обмотка подключена к батарее конденсаторов очень большой емкости, камеру заполняют дейтерием. При разряде батареи конденсаторов через первичную обмотку в тороидальной камере возбуждается вихревое электрическое поле, вызывающее ионизацию дейтерия и появление в нем мощного импульса электрического тока, что приводит к сильному нагреванию газа и образованию высокотемпературной плазмы, в которой может возникнуть термоядерная реакция. Главная трудность заключается в том, чтобы удержать плазму внутри камеры в течение от 0,1 до 1 секунды без ее контакта со стенками камеры, поскольку не существует материалов, способных выдерживать столь высокие температуры. Эту трудность удается частично преодолеть с помощью тороидального магнитного поля, в котором находится камера. Под действием магнитных сил плазма скручивается в шнур и как бы "висит" на линиях индукции магнитного поля, не касаясь стенок камеры. Однако плазма в магнитном поле очень неустойчива и плазменный шнур распадается прежде, чем удается нагреть плазму до нужной температуры. Пока удалось получать плазму с температурой 1,3×107 К и удерживать ее в течение 60 — 80 мс на установке "Токамак-10". Для увеличения продолжительности существования управляемой термоядерной реакции необходимо увеличивать размеры установки, поэтому в настоящее время строится новая большая установка "Токамак-20". Хотя уже сейчас,говорят, что группе китайских ученых удалось стабилизировать плазму на рекордные 30 секунд. Осуществить это позволило усовершенствование токамака EAST в городе Хэфей, который и использовался для эксперимента. Использование установок типа "Токамак" (в которых для получения и нагревания плазмы используется мощный электрический разряд, а для удержания плазмы магнитное поле) является одним из возможных путей осуществления управляемых термоядерных реакций, другим путем достижения этой цели является лазерный термоядерный синтез. Сущность такого метода состоит в следующем. Замороженную смесь дейтерия и трития, приготовленную в виде шариков диаметром менее 1 мм, равномерно облучают со всех сторон мощным лазерным излучением. Это приводит к нагреванию и испарению вещества с поверхности шариков. При этом давление внутри шариков возрастает до величин порядка 1015 Па. Под действием такого давления происходят увеличение плотности и сильное нагревание вещества в центральной части шариков и начинается термоядерная реакция. В настоящее время во многих странах мира ведутся интенсивные работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции. Имеются обоснованные предположения, что эта проблема будет решена в течение ближайших 20 лет. Термоядерные реакции играют важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней. Благодаря термоядерным реакциям, протекающим в недрах Солнца, выделяется энергия, дающий жизнь обитателям Земли. Солнце излучает в пространство свет и тепло уже почти 4,6 миллиарда лет. Естественно, что во все времена ученых интересовал вопрос о том, что является топливом, за счет которого на Солнце вырабатывается огромное количество энергии в течении столь длительного времени. На этот счет существовали разные гипотезы. Одна из них заключалась в том, что энергия на Солнце выделяется в результате химической реакции горения. Но в этом случае, как показывают расчеты, Солнце могло бы просуществовать всего несколько тысяч лет, что противоречит действительности. Оригинальная гипотеза была выдвинута в середине ХIХ в. Она состояла в том, что увеличение внутренней энергии и соответствующее повышение температуры Солнца происходит за счет уменьшения его потенциальной энергии при гравитационном сжатии. Она тоже оказалась несостоятельной, так как вэтом случае срок жизни Солнца увеличивается до миллионов лет, но не до миллиардов. Предположение о том, что выделение энергии на Солнце происходит в результате протекания на нем термоядерных реакций, было высказано в 1939 г. американским физиком Хансом Бете. Именно за это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году. Им же был предложен так называемый водородный цикл, т. е. цепочка из трех термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода. Чтобы получилось два ядра необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды. Известно, что в соответствии с формулой с уменьшением внутренней энергии тела уменьшается и его масса. Чтобы представить, какое колоссальное количество энергии теряет Солнце в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что масса Солнца ежесекундно уменьшается на несколько миллионов тонн. Но, несмотря на потери, запасов водорода на Солнце должно хватить еще на 5 — 6 миллиардов лет. Между тем, в недрах Солнца к этому времени уже произойдут существенные изменения. В центре весь водород уже будет исчерпан. Центральная область Солнца целиком будет заполнена гелием. В центре не происходит ядерных реакций, поскольку весь водород уже выгорел, а для превращения гелия в углерод температура слишком мала. Только на поверхности этого гелиевого шара, там, где гелий граничит со слоем, богатым водородом, еще происходит сгорание водорода. Постепенно выгорает и этот водород, а радиус гелиевой сферы в центре Солнца увеличивается. Через 13 миллиардов лет размеры Солнца станут примерно в 100 раз больше, чем сегодня, а светимость увеличится в 2000 раз. В то же время температура поверхности существенно снизится. Она будет составлять всего 4000 градусов, т. е. на 1800 градусов меньше, чем теперь. Но нас это уже не спасет. К тому времени океаны на Земле давно уже испарятся, а под палящими лучами Солнца будет даже плавиться свинец. Земля превратиться в горячую печь, на которой уже не сможет существовать жизнь. Над безжизненной поверхностью Земли будет светить гигантский красный солнечный шар размером в полнеба. Когда температура центральной части Солнца достигнет 100 000 000 градусов, начнет сгорать и гелий, превращаясь в тяжелые элементы, и Солнце вступит в стадию сложных циклов сжатия и расширения. На последней стадии эта звезда потеряет внешнюю оболочку, центральное ядро будет иметь очень большую плотность и размеры, как у Земли. Пройдет еще несколько миллиардов лет, и Солнце остынет, превратившись в белый, а затем, и в черный карлик. Основные выводы: – Термоядерная реакция — это реакция синтеза легких ядер в более тяжелые ядра. – Плазма — это частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов и заряженных частиц. – Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в недрах звезд и играют важнейшую роль в существовании и развитии Вселенной. – Если бы в земных условиях была возможность осуществлять легко управляемые термоядерные реакции, человечества получило бы практически неисчерпаемый источник энергии. videouroki.net
studfiles.net Энергия Солнца и звезд.Энергия Солнца и звезд. Получить температуру в несколько миллионов градусов в земных условиях очень трудно. Но оказывается, что термоядерные реакции идут в природе без нашего участия. Солнце и звезды излучают огромную энергию в мировое пространство, и эта энергия пополняется за счет ядерных реакций соединения легких элементов. В центре Солнца температура порядка 13 миллионов градусов. При этой температуре атомы полностью ионизованы, то есть вокруг их ядер уже не существует электронных оболочек. Фактически Солнце заполнено электронно-ионным газом. Высокие температуры вызывают колоссальные давления этих газов, и ядра могут подойти значительно ближе друг к другу, нежели в земных условиях при обычных температурах. Благодаря давлению плотность газов в центре Солнца равна около 80 граммов на кубический сантиметр, что намного больше ‘плотности самых тяжелых твердых тел на земле. Исследования показали, что на Солнце и в ряде других звезд идет целый ряд ядерных реакций, в результате которых четыре атома водорода превращаются в одно ядро гелия. В результате этих реакций выделяется огромная энергия. При превращении одного килограмма водорода в гелий выделяется тепло, достаточное для того, чтобы вскипятить полтора миллиона кубометров воды. Интересно, что термоядерная реакция на Солнце протекает очень медленно. Нужно несколько миллионов лет, чтобы четыре атома водорода превратились в ядро гелия. Поэтому тепло, излученное десятками тонн солнечного вещества в сутки, недостаточно, чтобы вскипятить один стакан воды. При таком медленном процессе только благодаря участию гигантских масс возможно выделение Солнцем огромного количества тепла. Если применить известный уже нам закон взаимосвязи массы и энергии, то оказывается, что наше Солнце излучает такую огромную энергию, что вместе с этой энергией каждую секунду Солнце теряет четыре с половиной миллиона тонн своего веса. Правда, для Солнца эта потеря совершенно ничтожна. Масса его настолько велика, что за два миллиарда лет своего непрерывного излучения Солнце теряет не больше одной десятой процента своего веса. Естественно, что в результате ядерных реакций содержание водорода на Солнце уменьшается, и после того как весь водород израсходуется, выделение энергии прекратится: Солнце погаснет. Но и здесь опасаться незачем. Сейчас на Солнце столько водорода, что его хватит, как показывают подсчеты, на 100 миллиардов лет. www.hep.by Солнечная система. Звезды. | От урока до экзаменаСолнечная система  Солнечная система. Звезды.Солнечной системой называется совокупность небесных тел, движущихся вокруг Солнца, которое является динамическим центром этой системы. Солнечная система состоит из Солнца и планетной системы, включающей в себя все естественные космические объекты, которые обращаются вокруг Солнца. Обращаются вокруг Солнца 8 больших планет со своими спутниками и кольцами: Меркурий, Венера, Земля, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Они делятся на планеты земной группы, похожие на Землю, и планеты – гиганты, похожие на Юпитер. Эти группы сильно отличаются по своим физическим характеристикам. К естественным космическим объектам в солнечной системе относятся карликовые планеты и их спутники, а также малые тела: астероиды, метеоры и метеориты, кометы, космическая пыль. Между орбитами Марса и Юпитера расположен пояс астероидов. Возраст Солнечной системы приблизительно 4,6 млрд лет. Основные особенности Солнечной системы. Звезды и источники их энергии На небе (в одном пулушарии) мы можем увидеть 2500 звезд. Солнце – ближайшая к нам звезда. Из-за близости Земли к Солнцу мы имеем возможность изучать на нем процессы и по ним судить об аналогичных процессах в звездах, которые не видимы из-за их удаления. Солнце влияет на жизненные процессы на Земле. Судить о температуре Солнца (и звезд) мы можем только по его (их) излучению. Температура на поверхности Солнца T=60000 К. Оно является источником излучения различных длин волн – от радио — до рентгеновского и гамма-излучения. Звезды — раскаленные газовые шары, отличающиеся цветом, массой, светимостью и радиусом. Звезды по их спектрам и цвету разбиваются на спектральные классы: M(кр)-30000К, G(желт)-60000К, A(бел)-100000К, B(голуб). Солнце называют желтым карликом из-за цвета и радиуса. Звезды (они выделены на диаграмме «спектр — светимость»)делятся на группы: красные гиганты, сверхгиганты, белые  Спектральный класскарлики. Источником энергии Солнца и звезд главной последовательности являются термоядерные реакции синтеза гелия из водорода. Солнце состоит на 70% из водорода. Реакции протекают в центре, в ядре звезды при температурах свыше 106 K. Галактика Наблюдения установили, что все звезды образуют огромную звездную систему — Галактику (от греческого слова галактикос — молочный). Млечный Путь – наша Галактика представляет собой гигантскую спиральную галактику, заполненную звездными скоплениями, газом и пылью. Солнечная система входит в нее. В Галактике около 100 млрд звезд! Среднее расстояние между звездами в Галактике 5 св. лет. Галактика вращается. Солнце, находящееся на расстоянии 26 000 св. лет от центра Галактики, обращается со скоростью 220 км/ч вокруг центра Галактики. Газ и пыль скрывают от нас центр Млечного Пути, где спрятана массивная черная дыра. Наряду со спиральными галактиками существуют эллиптические и неправильные галактики. Эллиптические галактики не вращаются, в них отсутствуют газ и пыль. Они состоят в основном из старых звезд. Смотри видео «3D-путешествие по Солнечной системе». Жми  Галактика — Млечный Путьkaplio.ru Строение типичной звезды. Источники энергии Солнца и звезд — МегаобучалкаСолнце — рядовая звезда нашей Галактики, горячий шар из плазмы. Его когда-то считали твердым шаром и даже пригодным для жизни. Радиус Солнца 6966000 км, масса 1,99 • 1030 кг, средняя плотность 1,41 кг/м3. Его возраст оценивается в 4,6 млрд лет, как и у всех тел Солнечной системы. Для Земли Солнце — ближайшая звезда, источник жизни. Среднее расстояние от Земли до Солнца 149,6 млн км или 1 а. е. Земля вращается, как и другие планеты, по эллиптической орбите, ее расстояние зимой меньше на 2,5 млн км, а в июле — на столько же больше. Мощность, излучаемая Солнцем, составляет 3,86 • 1040 Дж/с, или 3,86 • 1020 МВт, из которой до Земли доходит только одна двухмиллиардная часть. Эффективная температура поверхности Солнца равна 5806 К, оно относится к спектральному классу желтых карликов. Современная структура Солнца возникла в результате эволюции (рис. 9.1, а, б). Наблюдаемые слои Солнца называют его атмосферой. Фотосфера — самая глубокая ее часть, и чем глубже, тем слои горячее. В тонком (порядка 700 км) слое фотосферы возникает наблюдаемое излучение Солнца. Во внешних, более холодных слоях фотосферы свет частично поглощается — на фоне непрерывного спектра образуются темные фраунгоферовы линии. В телескоп можно наблюдать зернистость фотосферы. Маленькие светлые пятнышки — гранулы (размером до 900 км) — окружены темными промежутками. Эта происходящая во внутренних областях конвекция вызывает движения в фотосфере — в гранулах горячий газ вырывается наружу, а между ними — опускается. Эти движения распространяются и в более высокие слои атмосферы Солнца — хромосферу и корону. Поэтому они горячее, чем верхняя часть фотосферы (4500 К). Хромосферу можно наблюдать во время затмений. Видны спикулы — язычки уплотненного газа. Изучение спектров хромосферы показывает ее неоднородность, перемешивание газа происходит интенсивно, и температура хромосферы достигает 10 000 К. Над хромосферой располагается самая разреженная часть солнечной атмосферы — корона, она все время колеблется с периодом 5 мин. Плотность и давление быстро нарастают внутрь, где газ сильно сжат. Давление превышает сотни миллиардов атмосфер (1016 Па), а плот-
ность до 1,5 • 105 кг/м . Температура тоже сильно возрастает, достигая 15 млн К. Магнитные поля играют на Солнце существенную роль, так как газ находится в состоянии плазмы. При росте напряженности поля во всех слоях его атмосферы возрастает солнечная активность, проявляющаяся во вспышках, которых в годы максимума бывает до 10 в сутки. Вспышки размером около 1000 км и продолжительностью порядка 10 мин обычно возникают в нейтральных областях между пятнами, имеющими противоположную полярность. Во время вспышки выделяется энергия, равная энергии взрыва 1 млн мегатонных водородных бомб. Излучение в это время наблюдается и в радиодиапазоне, и в рентгеновском. Появляются энергичные частицы — протоны, электроны и другие ядра, составляющие солнечные космические лучи. Солнечные пятна перемещаются по диску; заметив это, Галилей заключил, что оно вращается вокруг своей оси. Наблюдения за пятнами показали, что Солнце вращается слоями: около экватора период около 25 сут, а у полюсов — 33 сут. Число пятен на Солнце колеблется в течение 11 лет от наибольшего к наименьшему. За меру этой пятнообразующей деятельности принимают так называемые числа Вольфа: W= 10g+f, здесь g — число групп пятен, f — общее число пятен на диске. При отсутствии пятен W= 0, при одном пятне — W= 11. В среднем пятно живет почти месяц. Размеры пятен порядка сотен километров. Пятна обычно сопровождаются группой светлых полосок — факелов. Оказалось, что в области пятен наблюдаются сильные магнитные поля (до 4000 эрстед). Видимые на диске волокна названы протуберанцами. Это массы более плотного и холодного газа, поднимающиеся над хромосферой на сотни и даже тысячи километров. В видимой области спектра Солнце абсолютно доминирует на Земле над всеми другими небесными светилами, его блеск в 1010 раз больше, чем у Сириуса. В других диапазонах спектра оно выглядит существенно скромнее. От Солнца исходит радиоизлучение, по мощности одинаковое с радиоисточником Кассиопея А; на небе всего 10 источников слабее его в 10 раз. Оно было замечено только в 1940 г. военными радиолокационными станциями. Анализ показывает, что коротковолновое радиоизлучение возникает вблизи фотосферы, а на метровых волнах генерируется в солнечной короне. Аналогичная картина по мощности излучения наблюдается и в рентгеновском диапазоне — лишь у шести источников оно слабее на порядок. Первые рентгеновские снимки Солнца были получены в 1948 г. с помощью аппаратуры, находящейся на высотной ракете. Установлено, что источники связаны с активными областями на Солнце и расположены на высотах 10—1000000 км над фотосферой, в них температура достигает 3 — 6 млн К. Рентгеновская вспышка обычно следует за оптичес- кой с запаздыванием в 2 мин. Рентгеновское излучение исходит от верхних слоев хромосферы и короны. Кроме того, Солнце излучает потоки частиц — корпускул. Солнечные корпускулярные потоки оказывают большое воздействие на верхние слои атмосферы нашей планеты. Первый прибор для выяснения природы и строения звезд — полярископ, сконструированный Д. Араго после открытия хроматической поляризации света, появился в 1811 г. Араго обнаружил, что фотосфера Солнца состоит из нагретого до высокой температуры самосветящегося газа, о чем высказывал догадки еще Ломоносов. С этого времени ученые начали изучать и корону, которая была видна в периоды полных солнечных затмений. В 1860 г. английский астроном У.Хеггинс, сравнивая спектры Солнца, звезд и разных веществ, установил, что спектры Солнца и звезд идентичны. Через несколько лет итальянский ученый А.Секки, изучив спектры почти 4000 звезд, подтвердил этот вывод. Французский астроном П.Ж.Жансен, первым начавший изучать атмосферы планет, выяснил, что в состав Солнца входят многие элементы, которые встречаются на Земле. В 1869 г. английский астроном Дж.Н.Локьер обнаружил там неизвестный на Земле элемент, названный гелием. Он же установил существование 11-летнего цикла солнечной активности и предположил, что входящие в состав звезд элементы могут разлагаться под действием высоких температур. Локьер выделил этапы распада элементов, о каждом из которых можно судить по спектру, но позже установили, что изменение спектра определяется изменением температуры. В то же время Локьер и Жансен предложили (независимо друг от друга) новый метод наблюдения протуберанцев и хромосферы Солнца, позволяющий не дожидаться времени затмения. Потенциальную энергию сжатия Гельмгольц считал источником энергии звезды. Температура даже внешних слоев Солнца порядка 6000 К, т. е. вещество находится там в газообразном состоянии. Движение частиц газа — основа тепловой энергии звезды, гравитационное притяжение частиц — основа ее потенциальной энергии. Чтобы компенсировать потери энергии на излучение, достаточно, чтобы диаметр Солнца уменьшался на 75 м в год. Тогда светимость Солнца удваивалась бы каждые 10 млн лет, но этого не происходит. Эти расчеты и оценка роли гравитационного сжатия оказались не бесполезными в дальнейшем. Термоядерными реакциями синтеза гелия из водорода объяснил энергию звезд английский астрофизик Эддинг-тон (1920), известный своими работами по теории гравитации и квантовой теории, обнаруживший экспериментально отклонение света звезды в поле тяготения Солнца (1919), предсказанное ОТО. В книге «Звезды и атомы» (1927) он показал, что масса ядра гелия не точно в четыре раза превышает массу ядра водорода, а несколько меньше. Если к незначительной разнице масс применить формулу Эйнштейна Е = тс2, то окажется, что этот дефект массы эквивалентен огромной энергии. Тогда выводы Эдцингтона вызывали сомнения среди ученых. Реакция синтеза ядер гелия из водорода возможна при условиях, реализуемых в центральной части Солнца, где температура составляет 10—13 млн К. Атомы теряют свои электронные оболочки, но этого недостаточно для преодоления силы кулоновского отталкивания между ядрами. Протон предохранен от взаимодействия с другим протоном потенциальным барьером в 2,24 • 10-14 Дж (140 кэВ). Тепловая энергия протона при Т 106 К составляет всего 1 кэВ, а суммарная энергия сталкивающихся протонов вдвое больше, т.е. барьер превышает в 100 раз среднюю энергию частиц. Необходимо сближение частиц на расстояние, меньшее 10-15 м. С точки зрения классической механики, этот барьер непреодолим, но в законах квантовой механики существует вероятность преодоления — так называемый туннельный эффект. Протон должен успеть столкнуться с другим протоном, преодолеть барьер, окружающий его ядро, превратиться в нейтрон, и произойдет рождение тяжелого водорода — дейтерия (рис. 9.2). Так начнется термоядерная реакция, являющаяся, по современным представлениям, источником энергии звезд. При условиях, типичных для недр звезд типа Солнца, возможны реакции двух типов. Протон-протонный цикл ядерных реакций разработал американский физик-теоретик Г. Бете (1939). Ядро тяжелого водорода — дейтерия, соединяясь сначала с протоном, образует ядро изотопа гелия. Последняя реакция этого цикла состоит в слиянии ядер легкого гелия и освобождении двух протонов. Этот цикл обеспечивает выход энергии 3,16-10-12 Дж (19,78 МэВ) и может идти при температурах порядка 13 млн К. Расчет показывает, что для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца достаточно, чтобы выделение энергии происходило лишь в 0,1 части массы Солнца. На Солнце это самый эффективный цикл. Азотно-углеродный цикл состоит из шести реакций. Этот цикл типичен для более тяжелых звезд, он требует температур порядка 20 млн К. Углерод играет в нем роль катализатора реакций, т. е. его количество остается неизменным. Реакции этого цикла тоже происходят на Солнце, но идут медленно. Два протона не образуют связанной системы (нет изотопа Не2). При столкновении один из протонов превращается в нейтрон с излучением позитрона и нейтрино. Количество освобожденной энергии оценивалось по формуле Эйнштейна. Дефект массы для слияния четырех протонов и образования ядра атома гелия (а-частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов) составляет 0,02863 а. е. Соответствующая ему энергия излучается, что дает энергию Е = 4,3 • 10-12 Дж. Поскольку Солнце излучает энергию L = 3,86-1026 Дж/с, то из отношения L/E, примерно равного 1038, можно заключить, что в недрах Солнца за 1 с образуется около 1038 ядер гелия. Но тогда должно образовываться вдвое больше нейтрино. Обнаружение нейтрино подтвердило бы осуществимость таких реакций на Солнце. Оценки показывают, что длина пробега нейтрино порядка 1015 м. Это в сотни раз превышает размеры всей Солнечной системы, а на расстоянии 150 млн км от Земли до Солнца поток нейтрино должен бы составлять 65 млрд на 1 см2 в 1 с. Для регистрации нейтрино предложено много методов, строятся специальные установки, но точных результатов по их обнаружению пока нет. То, что нейтрино не удавалось уловить, создало проблему «солнечного кризиса». Выход был найден в резком перемешивании солнечного вещества, которое происходит периодически. Дело в том, что центральные части Солнца должны вращаться быстрее, чем поверхностные. Поэтому в область, где происходят термоядерные реакции, втягиваются слои плазмы с повышенным содержанием изотопа Не3, что расширяет область реакции и замедляет ее ход. Накопление вращательного момента, вызывающего эти процессы, продолжается 10 млн лет. Потом происходит передача избытка его центральным областям звезды, и все повторяется. При перемешивании светимость уменьшается, поток нейтрино ослабевает. Возможно, с этим связаны причины оледенений на Земле. Внутренние области Солнца, где должны происходить термоядерные реакции, изучал Эддингтон и строил их модели. Он считал, что звезды — это шары из плазмы, находящиеся в состоянии лучистого равновесия. Эддингтон определил «время жизни» Солнца, температуру его недр, вычислил предельные массы звезд, обеспечивающие их устойчивость (см. рис. 9.1, а). В 1924 г. он установил связь между массой и светимостью звезд, подсчитал, что силу тяготения должна уравновешивать направленная наружу сила, которая могла возникнуть благодаря стремлению газа расшириться под действием высокой температуры. Исходя из значений массы Солнца и его размеров Эддингтон получил значение температуры в центре газового шара 15 млн К. Активная область, где идут термоядерные реакции, занимает центральную шаровую зону с радиусом 230 тыс. км. Ее окружает зона лучистого переноса энергии радиусом 280 тыс. км с млн К, в которой не могут происходить термоядерные реакции: атомы здесь не полностью ионизованы, поглощение у-излучения переводит какие-то их электроны на более высокие орбиты, а возвращаются они уже в несколько ступеней, т.е. испускаются кванты меньших энергий. Зону лучистого переноса окружает зона конвекции, в которой энергия переносится к поверхности путем конвекционного движения солнечной плазмы. Скорости конвекционных движений невелики, порядка 100 — 500 м/с, но эти «под-фотосферные» слои порождают солнечную активность. Теория зоны конвекции описывает не только состояние вещества, но и строение звезд на ранних этапах их эволюции (до выхода на Главную последовательность), и строение ядер массивных звезд. В зоне конвекции дробление квантов резко ослабевает и лишь малая часть энергии уходит в инфракрасной и радиочастотной областях спектра. Конвекционная зона — источник энергии, обеспечивающий нагревание солнечной короны и хромосферы. КПД переноса энергии в солнечную корону всего 0,01. Газ короны непрерывно истекает в межпланетное пространство, где дует сильный солнечный ветер, сметающий микрометеорные частицы и испаряющиеся из атмосфер планет газы, формирует планетные хвосты. На расстоянии земной орбиты скорость солнечного ветра составляет около 400 км/с, а Солнце теряет 0,01 своей массы за 5 млрд лет (или 4,3 млн т за 1 с). У голубых звезд и белых гигантов, и сверхгигантов радиус активной зоны составляет 0,2 радиуса звезды, конвекционная зона практически отсутствует, а весь остальной объем занимает зона лучистого переноса энергии. Красные гиганты имеют очень малое, радиусом до 0,001 радиуса звезды, изотермическое ядро, полностью состоящее из гелия, образовавшегося в прошлом из водорода. Поэтому термоядерные реакции идут уже не в ядре, а рядом с ним. Зона переноса излучения имеет небольшую относительную протяженность, а конвекционная зона занимает почти весь огромный объем этих звезд. megaobuchalka.ru Источники солнечной энергии. Немного историиОб источниках солнечной энергии ученые задумывались давно, и ими было выдвинуто много разных гипотез. Дольше других просуществовала гипотеза энерговыделения за счет сжатия Солнца. Высказанная в 1853 г. Г. Гельмгольцем, она подробно излагалась в книгах по астрономии еще в начале нашего столетия и казалась наилучшей, так как физика просто не знала других более мощных источников энергии. Но при сколько-нибудь детальной разработке обнаружилась и ее несостоятельность: за счет сжатия от размеров, превосходящих Солнечную систему, и до теперешнего объема Солнце могло бы светить 10 млн., от силы 20 млн. лет2 Между тем целая совокупность геологических, палеонтологических и других данных свидетельствует, что возраст Земли и Солнечной системы не менее 4—5 млрд. лет. На возрасте Земли следует остановиться немного подробнее. Читатель, вероятно, знает о радиоактивном распаде. В природных условиях это самопроизвольное превращение ядер одних элементов в ядра других, причем часто продукты распада сами являются радиоактивными, они распадаются, в свою очередь, и т. д. Наблюдаются целые цепочки радиоактивных превращений, и элементы, участвующие в такой цепочке, т. е. генетически связанные между собой, образуют так называемый радиоактивный ряд, заканчивающийся стабильным, уже нераспадающимся, изотопом. Например, изотоп урана 92U238 после ряда превращений дает стабильный изотоп свинца 82РЬ206, а изотоп 92U235 порождает 82Рb207, тоже стабильный. Здесь и далее числа справа вверху у символа химического элемента означают атомные веса, точнее, атомные массы. Они равны полному числу нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) в ядре. Числа же слева внизу указывают порядковые номера в периодической системе Менделеева. Напомним, что порядковый номер равен числу протонов в ядре, иначе — заряду ядра в единицах элементарного заряда (заряда протона или электрона). Число электронов в нейтральном атоме, естественно, равно его порядковому номеру. Важнейшая характеристика радиоактивных превращений — это период полураспада, т. е. время, в течение которого исходное количество радиоактивного изотопа уменьшится вдвое или, иначе говоря, время, за которое распадается половина атомов образца. Периоды полураспада хорошо известны на основании физических измерений, их значения у различных изотопов разных элементов заключены в весьма широких пределах: по порядку величины от долей секунды до 1015 лет (нас здесь интересуют долгоживущие изотопы). Вернемся теперь к определению возраста. Выберем в горной породе, возраст которой нас интересует, какой-либо минерал (обозначим его через M1), содержащий свинец, но совсем не содержащий урана. Найдем затем в этом минерале относительное содержание изотопов, свинца Pb204, Pb206 и Рb207. Поскольку эти изотопы стабильны, изотопный состав свинца в минерале M1 сохраняется со времени образования минерала. Урана в этом минерале не было с самого начала, иначе благодаря большому периоду полураспада он частично сохранился бы до наших дней. Выберем теперь в той же породе другой минерал-М2, в котором присутствуют как свинец, так и уран. Изотопный состав свинца будет иным: будет большее содержание Рb207 и Рb206 по сравнению с количеством Рb204, который не входит в радиоактивные ряды. По величине избытков Рb207 и Рb206 и зная периоды полураспада U235 и U238 (соответственно 7,13•108 и 4,51•109 лет) можно найти возраст породы, т. е. момент, когда она стала квазиизолированной и ее химический состав перестал изменяться за счет обмена с окружающей средой. Разумеется, здесь описана только схема; для обеспечения большей надежности обычно рассматривают несколько разных радиоактивных рядов. А помимо уран-свинцового, существуют также калий-аргоновый, рубидий-стронциевый и другие методы. Самые древние среди изученных горных пород на Земле имеют возраст 3,8—3,9 млрд. лет. Возраст наиболее старых лунных пород, доставленных советскими автоматическими станциями и американскими экспедициями «Аполлон», оценивается в 4,5—4,6 млрд. лет. Такой же возраст свойствен и наиболее старым метеоритам. Все перечисленное дает основание считать, что Солнечная система образовалась около 4,6 млрд. лет назад. Сам процесс образования Солнца и планет протекал относительно быстро, за 100—200 млн. лет. По современным космогоническим представлениям, развитым в последние два десятилетия и основанным на многочисленных наблюдениях и надежных расчетах, именно такое время требуется для образования молодой звезды из протозвездного облака. Около 3 млрд. лет назад (по другим данным — 2 млрд. лет) на Земле возникла примитивная жизнь. Такой возраст — от 2,6 до 3,5 млрд. лет — имеют остатки бактерий и синезеленых водорослей, находимые в породах, сформировавшихся в архейскую эру. Возникновение и последующее развитие жизни свидетельствует о том, что за все это время в 2—3 млрд. лет излучение Солнца и освещенность им Земли существенным образом не менялась. Поэтому для понимания физики Солнца нужно было найти такой источник энергии, который обеспечил бы его свечение в течение миллиардов лет. Выдающийся английский астроном А. Эддингтон, столетие со дня рождения которого недавно отмечалось астрономической общественностью, еще в 1916 г. понял, что источник энергии Солнца нужно искать на «субатомном уровне». В своих работах по теории внутреннего строения звезд, основные идеи которых широко используются в этой теории до сих пор, он указывал на возможность «превращения материи в энергию», но никаких конкретных путей этого превращения описать не мог — физики тогда их просто не знали. Для иллюстрации последнего интересно процитировать главу XXVI «Астрономии» Рессела, Дэгана и Стюарта, русский перевод которой вышел в свет в 1935 г.: «В связи с вопросом о поддержании солнечной радиации указывалось, что ни один из известных источников потенциальной энергии не смог бы восполнить громадную потерю тепла излучением в течение всего геологического периода и что это тепло должно получаться путем непрерывного преобразования громадных запасов энергии, еще нам не известных и, вероятно, скрытых в ядре атома. Это заключение можно распространить на все звезды, поскольку Солнце, по-видимому, является типичной звездой». А вот что писал в то время другой выдающийся астроном, советский ученый В. Г. Фесенков (1899—1972), комментируя работы Эддингтона в дополнении к названной книге Рессела, Дэгана и Стюарта: «…непонятно, каким образом атомные ядра более или менее сложной структуры могут уничтожаться, давая при этом интенсивную вспышку энергии. Подобный процесс никогда не наблюдался физиками, не может быть обоснован теоретически и, являясь непонятным, не может облегчить понимание внутреннего строения звезды и ее эволюции. «Уничтожение» материи в звездах есть таким образом чисто астрофизическая абстракция, изобретенная только для того…», чтобы объяснить продолжительность существования звезд. Но именно эта абстракция, на непонятность которой указывал В. Г. Фесенков, порождаемая проблемой источников энергии Солнца и звезд, и стимулировала возникновение и развитие теории термоядерных реакций. Успех был достигнут в 1938—1939 гг., за 6 лет до взрыва первых урановых и за 15 лет до взрыва первых водородных бомб. Именно в это время немецкий физик-теоретик Г. Бете, эмигрировавший в США после прихода фашистов к власти в Германии, рассчитал наиболее вероятные ядерные реакции, идущие в недрах Солнца и звезд. Решение проблемы источников солнечной и звездной энергии — великолепный и поучительный пример того, насколько важно развитие фундаментальных научных направлений, в которых отдельные проблемы какое-то время (иногда довольно долго) могут быть весьма далеки от сиюминутных потребностей практики. Значение познания термоядерной реакции трудно переоценить. Сама же идея ее, идея о соединении легких ядер и выделении при этом огромной энергии, возникла при решении далекой от практических нужд проблемы источников энергии звезд и Солнца. comments powered by HyperCommentscollectedpapers.com.ua Энергия звезд - Дом Солнца Обычно думают, что главная трудность проблемы - в огромной мощности выделения энергии на Солнце и звездах. В действительности дело вовсе не в этом. Удельный темп энерговыделения на Солнце и в звездах более чем скромный. Так, в расчете на один грамм своего вещества Солнце ежесекундно выделяет всего по 2 эрга. По обыденным земным меркам это совершенно ничтожный темп энерговыделения - как в куче гниющих осенних листьев. В человеческом теле темп выделения энергии на четыре порядка (!) выше, чем в Солнце. Однако чтобы поддерживать такой уровень производства энергии, нам нужно трижды в день есть. А Солнце (и звезды) светят миллиарды лет, не питаясь.Итак, истинная проблема состоит в том, что звезды светят очень и очень долго. За это время они успевают высветить действительно огромные количества энергии. Откуда же она черпается? Как уже говорилось, вопрос был поставлен в 40-е годы XIX века, с открытием закона сохранения энергии. Сразу же стало ясно, что источником энергии в принципе может быть гравитация. Так, Роберт Мейер, один из отцов закона сохранения энергии, полагал, что Солнце светится за счет кинетической энергии выпадающего на него метеорного вещества. Любопытно, что в течение многих десятилетий гипотеза Мейера считалась чуть ли не смехотворной и упоминалась лишь как исторический курьез. Однако теперь мы знаем, что модернизированный вариант механизма Мейера - аккреция - играет в мире звезд важную роль. Другой пионер принципа сохранения энергии Герман Гельмгольц предположил, что свечение Солнца может поддерживаться его медленным вековым сжатием, что приводит, разумеется, к выделению гравитационной энергии. Вскоре вслед за Гельмгольцем Дж. Томсон (более известный нам как лорд Кельвин; титул лорда он получил за научные заслуги) уточнил его оценку времени такого сжатия, учтя неоднородность в распределении солнечного вещества вдоль радиуса. За счет такого, как мы теперь говорим, кельвиновского сжатия Солнце могло бы, заметно не меняясь, светить лишь десятки миллионов лет. Любопытно, что сам Кельвин, а вслед за ним и многие другие, рассматривали это как серьезный аргумент против правильности дарвиновских представлений о биологической эволюции, требовавшей по крайней мере на порядок больших времен. В конце XIX века вера в закон сохранения энергии была незыблема - а никакого другого источника энергии звезд, кроме самогравитации, видно не было. Правда, оценки возраста Земли, получавшиеся средствами геологии, давали по крайней мере сотни миллионов лет, что указывало на необходимость поиска какого-то дополнительного источника солнечной энергии. Ситуация резко обострилась, можно сказать стала катастрофической, вскоре после открытия радиоактивности. Первые же надежные определения возраста Земли показали, что он не менее 1.5 миллиарда лет (современная оценка - 4.6 миллиарда). Отыскание источника энергии Солнца и звезд стало одной из жгучих проблем естествознания. К середине 20-х годов выяснилось, что таким источником в принципе могли бы служить ядерные реакции, ведущие к превращению водорода в гелий. Масса четырех протонов слегка превосходит массу ядра атома гелия - альфа-частицы, так что при таком процессе превращалось бы энегрию около 0.7% массы покоя. Но по соотношению Эйнштейна E = mc2 при превращении в энергию даже очень малой массы m выделяется колоссальная энергия, так как множитель пропорциональности - квадрат скорости света c2 - очень велик (в системе СГС - порядка 1021). Горячим проповедником идеи термоядерного горения водорода в 20-е годы был фактический создатель теории внутреннего строения звезд А.Эддингтон. Однако поначалу эта идея встретила серьезные возражения Резерфорда и его коллег. Температура в центре Солнца, рассчитанная самим же Эддингтоном (20 млн кельвинов) и оказавшаяся, как мы теперь твердо знаем, близкой к действительной (15.5 млн кельвинов), явно недостаточна для того, чтобы за счет кинетической энергии своего теплового движения протоны могли преодолеть электростатическое кулоновское отталкивание и сблизиться настолько, чтобы вступили в игру ядерные силы. Расхождение было очень серьезным - на три порядка по температуре. "Пойдите поищите местечко погорячее" - вот что постоянно слышал Эддингтон от своих коллег-физиков... Решение проблемы пришло с развитием квантовой механики. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, говорить о точном местоположении частицы не имеет смысла - она как бы размазана по некоторой области пространства и с разной вероятностью может быть обнаружена в разных местах. Это, в частности, делает возможным присутствие частицы и в тех областях пространства, где классические законы сохранения энергии и импульса это строго запрещают. В итоге непреодолимый для классической частицы кулоновский потенциальный барьер становится как бы "полупрозрачным" (так называемый туннельный эффект). Первыми на роль этого эффекта для решения загадки источников звездной энергии в 1929 г. указали Р.Аткинсон и Ф.Хаутерманс. Созданная в это же примерно время Г.А.Гамовым теория альфа-распада дала математический аппарат, положенный в конце тридцатых годов в основу количественной теории термоядерных реакций в недрах звезд. В 1937-1939 годах появляется, наконец, долгожданное окончательное решение давней загадки источника звездной энергии (Г.Бете и - независимо - К.Вейцзекер). Слить четыре протона в альфа-частицу за один акт практически невозможно: вероятность четверного столкновения пренебрежимо мала, поэтому процесс идет в несколько шагов. Детальный анализ всех возможных при температурах порядка 20 млн кельвинов ядерных реакций в газе космического химического состава привел к открытию двух возможных способов построить альфа-частицу из протонов. Первый способ - это знаменитый CN-цикл, или цикл Бете. Вот эта цепочка реакций: ‌→ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌ ‌__ 12C + 1H → 13N + γ 13N → 13C + e+ + ν 13C + 1H → 14N + γ 14N + 1H → 15O + γ 15O → 15N + e+ + ν 15N + 1H → 12C + 4He __ __ __ __ _‌Ее итогом является, очевидно, слияние четырех протонов в a-частицу, а углерод, азот и кислород выступают лишь как катализаторы. При всей кажущейся очевидности последнего утверждения оно нуждается в оговорке, имеющей важное значение для астрономов: на начальном этапе работы цикла, пока еще не установился стационарный режим, большая часть углерода превращается в азот, а оставшийся углерод приобретает специфический изотопный состав, резко отличающийся от того, который имеется на Земле и в атмосфере Солнца. По этим признакам можно с уверенностью опознавать вещество, подвергшееся переработке в CN-цикле. Второй способ синтеза альфа-частиц в звездах - так называемая pp-цепочка: 1H + 1H → 2D + e+ + ν 2D + 1H → 3He + γ 3He + 3He → 4He + 21HПервые две реакции происходят по два раза, так как надо выработать два ядра 3He, прежде чем сможет произойти заключительная реакция, синтезирующая 4He. Первоначально считалось, что наше Солнце вырабатывает свою энергию по первой схеме, т.е. за счет цикла Бете. В 50-е годы, однако, стало ясно, что это не так, и преобладающую роль играют pp-цепочки. Причина в том, что, как показал более внимательный анализ, центральная температура Солнца немного ниже, чем принималось ранее, а рост темпа выделения энергии с температурой у цикла Бете происходит существенно быстрее, чем для pp-цепочек. Однако в звездах с массами, превосходящими 1.2 массы Солнца, доминирует в выделении энергии CN-цикл. Простой энергетический расчет показал, что в Солнце выгорание водорода в его центральной части займет около 10 млрд лет. Проблема источников энергии Солнца и подавляющего большинства звезд, в частности, всех звезд так называемой главной последовательности, была тем самым окончательно решена. Однако ее решение сразу же дало и другой, важнейший для всей астрономии результат: стало ясно, что рождение звезд - это непрерывный процесс, который происходит буквально на наших глазах. Так как запасы ядерной энергии, очевидно, пропорциональны массе звезды, а темп ее расходования - светимость звезды - пропорциональна, грубо говоря, кубу массы, ясно, что все массивные звезды должны быть по астрономическим меркам совсем молодыми. Взяв в качестве примера массивную звезду Y Лебедя, Бете в своей эпохальной работе пришел к выводу, что возраст этой звезды должен быть менее 3.5·107 лет. "Приходится предположить, что Y Лебедя и подобные ей другие массивные звезды родились сравнительно недавно" - писал он в 1939 г. Отождествление источников энергии звезд открыло прямой путь к пониманию эволюции звезд - другому великому достижению естествознания XX века. Поскольку водород - основная составляющая звездного вещества (около 70% по массе) и поскольку при синтезе гелия выделяется большая часть ядерной энергии, запасенной в веществе, основную часть своей жизни звезды светят, сжигая водород. Последующие стадии ядерного горения, начинающиеся с весьма нетривиального процесса - слияния трех альфа-частиц в ядро 12C - важны, пожалуй, в первую очередь не с точки зрения энергетики, в этом отношении ничего принципиально нового здесь нет. Гораздо важнее другое: как выяснилось в 50-е годы, на этих последующих этапах ядерной жизни звезд произошел (и продолжает происходить) синтез всех "тяжелых" элементов, кроме водорода и частично гелия. Эти последние достались нам от Большого Взрыва. Поскольку именно тяжелые элементы - это основа жизни, без преувеличения можно сказать, что первым принципиальным шагом к созданию возможности появления жизни во Вселенной стали те ядерные процессы, которые происходят в недрах звезд после выгорания там водорода. Но это уже другая тема. www.sunhome.ru |
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
