Источником энергии солнца и звезд являются: Наша светлость: найден еще один источник энергии в звездах | Статьи

Наша светлость: найден еще один источник энергии в звездах | Статьи

Ученые доказали существование еще одного источника энергии Солнца. Специалисты получили первое экспериментальное подтверждение того, что на звезде протекают термоядерные реакции так называемого CNO-цикла. Исследователям удалось зарегистрировать солнечные нейтрино, которые образуются в ходе именно этого процесса. Успешный эксперимент провели ученые международной коллаборации «Борексино», в которую входят исследователи из России, и в частности НИЦ «Курчатовский институт».

Солнечная тайна

Источник энергии звезд — термоядерный синтез — совокупность происходящих при больших температуре и давлении цепочках реакций превращения водорода в гелий.

— Это может происходить двумя способами: за счет протон-протонной цепочки слияния ядер водорода, а также реакций CNO-цикла, — пояснил «Известиям» руководитель отделения физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Михаил Скорохватов. — Назван второй процесс по аббревиатуре трех элементов, ядра которых превращаются в ходе реакции один в другой: углерода (C), азота (N) и кислорода (O).

За теорию, описывающую второй тип генерации энергии в звездах, в 1967 году была вручена Нобелевская премия по физике. Теперь ученые в Borexinо подтвердили это экспериментально. Оказалось, что оба типа не исключают друг друга, и реакции CNO-цикла происходят внутри Солнца, пусть их вклад и составляет всего 1% от общего объема получаемой энергии.

Поймать нужные нейтрино

Чтобы экспериментально доказать, каким образом происходит генерация энергии в звездах, ученые регистрируют нейтрино — особые частицы, рождающиеся в процессах термоядерного синтеза. Проблема в том, что они очень слабо взаимодействуют с веществом, поэтому почти беспрепятственно покидают недра Солнца и, двигаясь с околосветовой скоростью, достигают поверхности Земли за восемь с половиной минут. Такое свойство делает нейтрино идеальным источником информации о процессах внутри звезд, причем почти в режиме реального времени.

— В рамках протон-протонной цепочки образуются нейтрино с разными энергиями, — пояснил начальник лаборатории физики нейтрино НИЦ «Курчатовский институт» Евгений Литвинович. — Но в среднем энергия нейтрино, рожденных в реакциях протон-протонной цепочки, немного ниже, чем у нейтрино, получающихся в процессе CNO-цикла.

Способность проходить сквозь материю, почти не вступая с ней во взаимодействие, очень сильно усложняет регистрацию нейтрино. Чтобы «напасть на след» нейтрино, ученые использовали мощный детектор «Борексино». Он регистрирует все нейтрино, но разница в энергиях позволяет засечь нужные частицы.

— Детектор оснащен мишенью для нейтрино, состоящей из 280 тонн органической жидкости, — рассказал Евгений Литвинович. — Если внутри нее произошло взаимодействие нейтрино с электронами, это приведет к выделению небольшого количества фотонов. С помощью фотоэлектронных умножителей мы можем увидеть это явление.

Детектор снабжен несколькими слоями защиты от окружающей естественной радиоактивности. Это явление незаметно для человека, но оно создает фон, «зашумляющий» регистрацию нужных нейтрино.

— Нейтрино, появившиеся в процессе CNO-цикла, особенно сложно зарегистрировать, так как они имеют малую энергию, — добавил старший научный сотрудник НИИЯФ имени Д. В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова Александр Чепурнов. — В течение более чем 15 лет мы собирали данные, «очищали» детектор от фоновых событий, снова набирали данные, и так много раз. Сейчас детектор представляет собой самое низкофоновое место на всей планете, благодаря чему и удалось осуществить нужные измерения.

Вычислить неуловимых

С помощью уникального оборудования ученые собрали необходимые данные.

— Из секстиллионов (10 в 21-й степени. — «Известия») проходящих через детектор солнечных нейтрино удавалось зарегистрировать только около 100 всех типов нейтрино в день, — сообщил заведующий отделом ядерных детекторов НИЦ «Курчатовский институт» ПИЯФ Александр Дербин. — Наша задача заключалась в том, чтобы выделить сигналы именно от CNO-нейтрино. Точнее, зарегистрировать электроны, которые испытали взаимодействие с этими частицами.

В результате участникам коллаборации «Борексино» впервые удалось экспериментально зарегистрировать солнечные нейтрино, возникающие в реакциях CNO-цикла, и вычислить их поток, достигающий Земли. По экспериментальным данным, через каждый квадратный сантиметр поверхности проходит около 700 млн таких нейтрино в секунду, что составляет примерно одну сотую общего потока нейтрино от Солнца. Это как раз соответствует теоретическим оценкам вклада CNO-цикла в производимую Солнцем энергию.

— Будущие исследования позволят лучше понимать происходящие в звездах процессы, в частности, уточнить элементный состав Солнца. И нейтрино будут в этом нашими помощниками, — сообщил Михаил Скорохватов.

В международной коллаборации «Борексино» проводят исследования более 100 ученых из разных стран, в том числе российские специалисты из НИЦ «Курчатовский институт», ОИЯИ, НИИЯФ имени Д.В. Скобельцына МГУ.

Справка «Известий»

Детектор «Борексино» был создан для изучения солнечных нейтрино. Он расположен в Национальной лаборатории Гран-Сассо (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) в районе города Л’Аквила (Италия). Детектор находится в тоннеле под горным массивом, толщина скальных пород над лабораторией достигает 1,4 тыс. метров.

Коллаборация «Борексино» объединяет группы ученых из Италии, Германии, США, Франции, России и Польши. Российские ученые вносят существенный вклад в развитие проекта — это разработка, изготовление и установка электроники для сбора данных и мониторинга детектора, алгоритмов моделирования и анализа данных. В составе «Борексино» функционирует разработанный российскими учеными электронно-измерительный комплекс на базе быстрых оцифровщиков формы импульса.

Источник энергии Солнца и звёзд

Подробно:

© Владимир Каланов
Знания-сила

Запасы солнечной энергии

Из года в год Солнце с огромной интенсивностью излучает свет и тепло – а значит и энергию – в космическое пространство. Как давно это происходит и как долго будет
продолжаться? Будет ли мощность солнечного излучения уменьшаться со временем и всё живое на Земле постепенно замерзнет? Или же сила солнечного света
медленно возрастает и земная жизнь прекратится, когда закипя́т океаны? С тех пор как люди стали изучать Солнце, они вплоть до сегодняшних дней с помощью
самых совершенных приборов не смогли заметить сколько-нибудь существенных изменений интенсивности солнечного излучения со временем.

Энергетические запасы Солнца не могут быть бесконечно большими. Солнце имеет конечные размеры, оно содержит конечное количество
вещества. В результате излучения масса Солнца уменьшается на 4,3 млн тонн в секунду. Мы можем определить массу Солнца по силе его гравитационного притяжения. Земля и
другие планеты движутся вокруг Солнца по замкнутым орбитам, причем притяжение солнечной массы действует на каждую планету с силой, которая равна центробежной
силе, стремящейся увести планету с орбиты. Из условий такого равновесия сил можно определить силу притяжения Солнца, а значит, и его массу. Масса Солнца,
выраженная в тоннах, представляет собой 28-значное число (1,989*10³⁰ кг). В этой солнечной массе запасена́ энергия, от которой зависит наша жизнь.
Если разделить мощность солнечного излучения на его массу, то окажется, что каждый грамм солнечной массы теряет за год примерно 6 джоулей энергии. На первый
взгляд это не слишком много, если вспомнить, что каждый грамм человеческого тела излучает в день в тысячу раз бо́льшую энергию. Однако человек восполняет такие
энергетические потери за счёт питания, в то время как Солнце вот уже миллиарды лет черпает энергию из самого́ себя.

Поиск источника энергии Солнца

Что же является источником энергии, который позволяет Солнцу светить так долго и так ярко? Могут ли служить таким источником
химические превращения? Возьмем для примера наиболее простой химический процесс — горение. Если бы Солнце полностью состояло из каменного угля, то энергии
горения этого угля́ хватило бы на поддержание нынешнего солнечного излучения в течение примерно 5000 лет. Но Солнце светит уже многие миллиарды лет. Если бы в
«солнечной печи» сжигали уголь, то она давно бы уже потухла. Другие химические процессы слабо отличаются от горения: они тоже не дают достаточной энергии,
чтобы обеспечить излучение Солнца.

К концу 19 столетия были проделаны многочисленные исследования, авторы которых пытались найти источник энергии Солнца. Поскольку
химических процессов на Солнце явно недостаточно, то возникал вопрос, не может ли Солнце разогреваться за счет внешних источников. В нашей Солнечной системе
имеется множество небольших твердых тел, которые перемещаются между орбитами планет — так называемых метеоритов. Мы знакомы с ними по появлению «падающих
звёзд». Такая «звезда» загорается на небе, когда метеорит влетает в земную атмосферу и, разогреваясь от трения, начинает ярко светиться. Некоторые
метеориты не полностью сгорают в атмосфере, их остатки падают на Землю. Многие такие метеориты можно увидеть сегодня в музеях. Солнце из-за своего чрезвычайно
большого гравитационного притяжения должно особенно сильно «бомбарди́роваться» метеоритами, с огромной скоростью прилета́ющими из нашей Солнечной системы. При
падении метеорита на Солнце энергия его движения должна переходить в тепло. Может быть, это тепло и обеспечивает солнечное излучение? Метеориты, падающие на
поверхность Солнца, должны приносить примерно 190 миллионов джоулей энергии на каждый грамм своей массы. Однако, чтобы обеспечить излучение Солнца, на него в
течение года должно падать столько метеоритов, что их масса составит около сотой части массы Земли. Такое увеличение количества солнечного вещества было бы
заметным, поскольку при этом увеличивалась бы сила гравитационного притяжения Солнца, а значит, изменялась бы и скорость движения Земли по орбите. Поэтому
продолжительность года за последние 2000 лет должна была заметно уменьшиться. Однако данные о восходах и заходах Солнца и Луны известны с древнейших времен. И
никаких заметных изменений в движении нашей планеты вокруг Солнца за это время не произошло. Поэтому «метеоритную гипотезу» пришлось отвергнуть. Солнце
разогревается не за счет метеоритной бомбардировки поверхности.

Другим источником энергии Солнца может быть, в принципе, гравитационное взаимодействие между частицами его вещества. На такую
возможность указывал ещё в прошлом веке Герман фон Ге́льмгольц, необычайно разносторонний учёный-физик и врач. Если бы в недрах Солнца не было никакого
другого источника энергии, то с течением времени Солнце постепенно сжима́лось бы. Его диаметр становился бы всё меньше и меньше, а каждый грамм солнечного
вещества постепенно приближался бы к центру Солнца (в самом грубом приближении — с постоянной скоростью). Как и при падении метеоритов на Солнце, при этом
процессе должна выделяться энергия, однако солнечное вещество «падает» — в отличие от метеоритов — «само в себя». Поэтому масса Солнца и его воздействие на
Землю не будут изменяться. Однако расчеты показывают, что этот процесс мог поддерживать существующую светимость Солнца примерно десять миллионов лет — в 100
раз меньше срока, в течение которого светит наше Солнце. Таким образом, собственная гравитация тоже не может объяснить излучение Солнца.

Примечание:
Здесь мы должны заметить, что до сегодняшних дней
существуют альтернативные гипотезы строения Солнечной системы и Солнца, с одной из них мы познакомимся позже на нашем сайте, после изучения классической теории.

Атомная энергия Солнца и звёзд

Атомные и ядерные реакции

Сегодня мы знаем, что атомные и ядерные реакции служат наиболее мощными из известных источников энергии. Заметная часть электроэнергии вырабатывается сегодня на
атомных электростанциях. В реакторах этих электростанций тяжелые я́дра атомов урана распадаются на я́дра более легких элементов. При таком распаде
освобождается энергия. Ещё больше энергии выделяется при ядерных реакциях, в которых легкие я́дра объединяются в более тяжелые. Одной из таких реакций
является слияние я́дер водорода.

Солнце, как и почти все звёзды, состоит в основном из водорода. Естественно возникает вопрос, может ли светимость Солнца
поддерживаться за счет ядерных реакций слияния водорода в его недрах? Но прежде чем убедиться, что Солнце, а следовательно и мы, обязаны своей жизнью ядерным
реакциям, попытаемся понять, что следует из предположения о том, что Солнце и звёзды существуют за счет превращения атомов водорода в атомы гелия, а
освобождающаяся энергия поддерживает свечение звёзд.

Пусть атомные я́дра одного грамма водорода превратятся в я́дра гелия, тогда из этого грамма вещества освободится 630 миллиардов джоулей
энергии: в 20 миллионов раз больше, чем при сгорании такой же массы каменного угля. Таким образом, ядерная энергия Солнца позволяет ему существовать в 20
миллионов раз дольше, чем если бы Солнце получало свою энергию за счет сжига́ния угля. Это означает, что продолжительность жизни Солнца составляет около 100
миллиардов лет. Наконец мы нашли источник энергии, который может поддерживать светимость Солнца в течение миллиардов лет: это ядерная энергия, освобождающаяся
при превращении водорода в гелий. Энергия, запасённая в водороде нашего Солнца, позволяет ему светить целых 100 миллиардов лет. На самом деле эта оценка
завышена, поскольку Солнце состоит из водорода лишь примерно на 70%, а следовательно, оно содержит меньше ядерного «горючего», чем мы предполагали.
Далее мы увидим, что ядерная реакция в недрах звёзд начинает затухать, уже когда израсходовано 10-20% всего водорода. Отсюда следует, что Солнце может
существовать примерно семь миллиардов лет. Это тоже достаточно большой срок, и Земля (если на ней ещё будет существовать жизнь) ещё очень долго будет
освещаться лучами Солнца.

Уважаемые посетители!

У вас отключена работа JavaScript. Включите пожалуйста скрипты в браузере, и вам откроется полный функционал сайта!

их рождение, жизнь и смерть [Издание третье, переработанное]

Глава 8 Ядерные источники энергии излучения звезд

В § 3 мы уже говорили о том, что источниками энергии Солнца и звезд, обеспечивающими их светимость в течение гигантских «космогонических» промежутков времени, исчисляемых для звезд не слишком большой массы миллиардами лет, являются термоядерные реакции. Сейчас мы остановимся на этом важном вопросе более подробно.

Основы теории внутреннего строения звезд были заложены Эддингтоном еще тогда, когда источники их энергии были не известны. Мы уже знаем, что ряд важных результатов, касающихся условия равновесия звезд, температуры и давления в их недрах и зависимости светимости от массы, химического состава (определяющего средний молекулярный вес) и непрозрачности вещества, мог быть получен и без знания природы источников звездной энергии. Тем не менее понимание сущности источников энергии совершенно необходимо для объяснения длительности существования звезд в почти неизменном состоянии. Еще более важно значение природы источников звездной энергии для проблемы эволюции звезд, т. е. закономерного изменения их основных характеристик (светимости, радиуса) с течением времени. Только после того как стала ясной природа источников звездной энергии, оказалось возможным понять диаграмму Герцшпрунга — Рессела,— основную закономерность звездной астрономии.

Вопрос об источниках звездной энергии был поставлен почти сразу же после открытия закона сохранения энергии, когда стало ясно, что излучение звезд обусловлено какими-то энергетическими превращениями и не может происходить вечно. Неслучайно первая гипотеза об источниках звездной энергии принадлежит Майеру — человеку, открывшему закон сохранения энергии. Он полагал, что источником излучения Солнца является непрерывное выпадение на его поверхность метеорных тел. Расчеты, однако, показали, что этого источника явно недостаточно для обеспечения наблюдаемой светимости Солнца. Гельмгольц и Кельвин пытались объяснить длительное излучение Солнца его медленным сжатием, сопровождающимся освобождением гравитационной энергии. Эта очень важная даже (и особенно!) для современной астрономии гипотеза оказалась, однако, несостоятельной для объяснения излучения Солнца в течение миллиардов лет. Заметим еще, что во времена Гельмгольца и Кельвина никаких разумных идей о возрасте Солнца еще не было. Лишь недавно стало ясно, что возраст Солнца и всей планетной системы около 5 миллиардов лет.

На рубеже XIX и XX вв. было сделано одно из величайших открытий в истории человечества — обнаружена радиоактивность. Тем самым открылся совершенно новый мир атомных ядер. Потребовалось, однако, не одно десятилетие, чтобы физика атомного ядра стала на прочную научную основу. Уже к 20-м годам нашего века стало ясно, что источник энергии Солнца и звезд следует искать в ядерных превращениях. Сам Эддингтон тоже так считал, однако указать конкретные ядерные процессы, происходящие в реальных звездных недрах и сопровождаемые выделением нужного количества энергии, тогда еще не было возможности. Насколько несовершенны были тогда знания природы источников звездной энергии, видно хотя бы из того, что Джинс — крупнейший английский физик и астроном начала нашего века,— полагал, что таким источником может быть… радиоактивность. Это, конечно, тоже ядерный процесс, но он, как легко показать, совершенно непригоден для объяснения излучения Солнца и звезд. Это видно хотя бы из того, что такой источник энергии совершенно не зависит от внешних условий — ведь радиоактивность, как хорошо известно, есть процесс спонтанный. По этой причине такой источник никак не мог бы «подстраиваться» под меняющуюся структуру звезды. Другими словами, отсутствовала бы «регулировка» излучения звезды. Вся картина звездного излучения резко противоречила бы наблюдениям. Первым, кто это понял, был замечательный эстонский астроном Э. Эпик, который незадолго до второй мировой войны пришел к выводу, что источником энергии Солнца и звезд могут быть только термоядерные реакции синтеза.

Только в 1939 г. известный американский физик Бете дал количественную теорию ядерных источников звездной энергии. Что же это за реакции? В § 7 мы уже упоминали, что в недрах звезд должны происходить термоядерные реакции. Остановимся на этом немного подробнее. Как известно, ядерные реакции, сопровождающиеся превращениями ядер и выделением энергии, происходят при столкновении частиц. Такими частицами могут быть прежде всего сами ядра. Кроме того, ядерные реакции могут происходить и при столкновениях ядер с нейтронами. Однако свободные (т. е. не связанные в ядрах) нейтроны являются неустойчивыми частицами. Поэтому их количество в недрах звезд должно быть ничтожно мало[ 23 ]. С другой стороны, так как водород является самым обильным элементом в звездных недрах и он полностью ионизован, особенно часто будут происходить столкновения ядер с протонами.

Для того чтобы протон мог при таком столкновении проникнуть в ядро, с которым он сталкивается, ему надо приблизиться к последнему на расстояние около 10^-13 см. Именно на таком расстоянии действуют специфические силы притяжения, «цементирующие» ядро и присоединяющие к нему «чужой», сталкивающийся протон. Но для того, чтобы приблизиться к ядру на столь малое расстояние, протону необходимо преодолеть весьма значительную силу электростатического отталкивания («кулоновский барьер»). Ведь ядро тоже заряжено положительно! Легко подсчитать, что для преодоления этой электростатической силы протону нужно иметь кинетическую энергию, превышающую потенциальную энергию электростатического взаимодействия

Между тем, как мы убедились в § 7, средняя кинетическая энергия тепловых протонов в солнечных недрах составляет всего лишь около 1 кэВ, т. е. в 1000 раз меньше. Протонов с нужной для ядерных реакций энергией в недрах звезд практически не будет. Казалось бы, при такой ситуации никаких ядерных реакций там происходить не может. Но это не так. Дело в том, что согласно законам квантовой механики протоны, энергия которых даже значительно меньше 1000 кэВ, все же, с некоторой небольшой вероятностью, могут преодолеть кулоновские силы отталкивания и попасть в ядро. Эта вероятность быстро уменьшается с уменьшением энергии протона, но она не равна нулю. В то же время число протонов по мере приближения их энергии к средней тепловой будет стремительно расти. Поэтому должна существовать такая «компромиссная» энергия протонов, при которой малая вероятность их проникновения в ядро «компенсируется» их большим количеством. Оказывается, что в условиях звездных недр эта энергия близка к 20 кэВ. Только приблизительно одна стомиллионная доля протонов имеет такую энергию. И все же этого оказывается как раз достаточно, чтобы ядерные реакции происходили с такой скоростью, что выделяющаяся энергия точно соответствовала бы светимости звезд.

Мы остановили свое внимание на реакциях с протонами не только потому, что они — самая обильная составляющая вещества звездных недр. Если сталкиваются более тяжелые ядра, у которых заряды значительно больше элементарного заряда протона, кулоновские силы отталкивания существенно увеличиваются, и ядра при T

10⁷ К уже не имеют практически никакой возможности проникнуть друг в друга. Только при значительно более высоких температурах, которые в некоторых случаях реализуются внутри звезд, возможны ядерные реакции на тяжелых элементах.

Мы уже говорили в § 3, что сущность ядерных реакций внутри Солнца и звезд состоит в том, что через ряд промежуточных этапов четыре ядра водорода объединяются в одно ядро гелия (

-частицы), причем избыточная масса выделяется в виде энергии, нагревающей среду, в которой происходят реакции. В звездных недрах существуют два пути превращения водорода в гелий, отличающиеся разной последовательностью ядерных реакций. Первый путь обычно называется «протон-протонная реакция», второй — «углеродно-азотная реакция».

Опишем сначала протон-протонную реакцию.

Эта реакция начинается с таких столкновений между протонами, в результате которых получается ядро тяжелого водорода — дейтерия. Даже в условиях звездных недр это происходит очень редко. Как правило, столкновения между протонами являются упругими: после столкновения частицы просто разлетаются в разные стороны. Для того чтобы в результате столкновения два протона слились в одно ядро дейтерия, необходимо, чтобы при таком столкновении выполнялось два независимых условия. Во-первых, надо, чтобы у одного из сталкивающихся протонов кинетическая энергия раз в двадцать превосходила бы среднюю энергию тепловых движений при температуре звездных недр. Как уже говорилось выше, только одна стомиллионная часть протонов имеет такую относительно высокую энергию, необходимую для преодоления «кулоновского барьера». Во-вторых, необходимо, чтобы за время столкновения один из двух протонов успел бы превратиться в нейтрон, испустив позитрон и нейтрино. Ибо только протон с нейтроном могут образовать ядро дейтерия! Заметим, что длительность столкновения всего лишь около 10^-21 секунды (оно порядка классического радиуса протона, поделенного на его скорость). Если все это учесть, то получается, что каждый протон имеет реальные шансы превратиться таким способом в дейтерий только раз в несколько десятков миллиардов лет. Но так как протонов в недрах звезд достаточно много, такие реакции, и притом в нужном количестве, будут иметь место.

По-другому складывается судьба вновь образовавшихся ядер дейтерия. Они «жадно», всего лишь через несколько секунд, «заглатывают» какой-нибудь близкий протон, превращаясь в изотоп гелия ³Не. После этого возможны три пути (ветви) ядерных реакций. Чаще всего изотоп гелия будет взаимодействовать с подобным себе ядром, в результате чего образуется ядро «обыкновенного» гелия и два протона. Так как концентрация изотопа ³Не чрезвычайно мала, это произойдет через несколько миллионов лет. Напишем теперь последовательность этих реакций и выделяющуюся при них энергию.

Таблица 8.1:

Здесь буква

означает нейтрино, а

 — гамма-квант.

Не вся освободившаяся в результате этой цепи реакций энергия передается звезде, так как часть энергии уносится нейтрино. С учетом этого обстоятельства энергия, выделяемая при образовании одного ядра гелия, равна 26,2 МэВ или 4,2

10^-5 эрг.

Вторая ветвь протон-протонной реакции начинается с соединения ядра ³Не с ядром «обыкновенного» гелия ⁴Не, после чего образуется ядро бериллия ⁷Ве. Ядро бериллия в свою очередь может захватить протон, после чего образуется ядро бора ⁸В, или захватить электрон и превратиться в ядро лития. В первом случае образовавшийся радиоактивный изотоп ⁸В претерпевает бета-распад: ⁸B
⁸Be + e⁺ +

. Заметим, что нейтрино, образовавшиеся при этой реакции, как раз и обнаружили при помощи уникальной дорогостоящей установки. Об этом важном эксперименте подробно будет рассказано в следующем параграфе. Радиоактивный бериллий ⁸Ве весьма неустойчив и быстро распадается на две альфа-частицы. Наконец, последняя, третья ветвь протон-протонной реакции включает в себя следующие звенья: ⁷Ве после захвата электрона превращается в ⁷Li, который, захватив протон, превращается в неустойчивый изотоп ⁸Ве, распадающийся, как и во второй цепи, на две альфа-частицы.

Еще раз отметим, что подавляющее большинство реакций идет по первой цепи, но роль «побочных» цепей отнюдь не мала, что следует хотя бы из знаменитого нейтринного эксперимента, который будет описан в следующем параграфе.

Перейдем теперь к рассмотрению углеродно-азотного цикла. Этот цикл состоит из шести реакций.

Таблица 8.2:

Поясним содержание этой таблицы. Протон, сталкиваясь с ядром углерода, превращается в радиоактивный изотоп азота ¹³N. При этой реакции излучается

-квант. Изотоп ¹³N, претерпевая

-распад с испусканием позитрона и нейтрино, превращается в изотоп углерода ¹³С. Последний, сталкиваясь с протоном, превращается в обычное ядро азота ¹⁴N. При этой реакции также испускается

-квант. Далее, ядро азота сталкивается с протоном, после чего образуется радиоактивный изотоп кислорода ¹⁵O и

-квант. Затем этот изотоп путем

-распада превращается в изотоп азота ¹⁵N. Наконец, последний, присоединив к себе во время столкновения протон, распадается на обычный углерод и гелий. Вся цепь реакций представляет собой последовательное «утяжеление» ядра углерода путем присоединения протонов с последующими

-распадами. Последним звеном этой цепи является восстановление первоначального ядра углерода и образование нового ядра гелия за счет четырех протонов, которые в разное время один за другим присоединились к ¹²С и образующимся из него изотопам. Как видно, никакого изменения числа ядер ¹²С в веществе, в котором протекает эта реакция, не происходит. Углерод служит здесь «катализатором» реакции.

Во втором столбце приводится энергия, выделяющаяся на каждом этапе углеродно-азотной реакции. Часть этой энергии выделяется в форме нейтрино, возникающих при распаде радиоактивных изотопов ¹³N и ¹⁵O. Нейтрино свободно выходят из звездных недр наружу, следовательно, их энергия не идет на нагрев вещества звезды. Например, при распаде ¹⁵O энергия образующегося нейтрино составляет в среднем около 1 МэВ. Окончательно при образовании одного ядра гелия путем углеродно-азотной реакции выделяется (без учета нейтрино) 25 МэВ энергии, а нейтрино уносят около 5% этой величины.

В третьем столбце таблицы II приведены значения скорости различных звеньев углеродно-азотной реакции. Для

-процессов это просто период полураспада. Значительно труднее определить скорость реакции, когда происходит утяжеление ядра путем присоединения протона. В этом случае надо знать вероятности проникновения протона через кулоновский барьер, а также вероятности соответствующих ядерных взаимодействий, так как само по себе проникновение протона в ядро еще не обеспечивает интересующего нас ядерного превращения. Вероятности ядерных реакций получаются из лабораторных экспериментов либо вычисляются теоретически. Для их надежного определения потребовались годы напряженной работы физиков-ядерщиков, как теоретиков, так и экспериментаторов. Числа в третьем столбце дают «время жизни» различных ядер для центральных областей звезды с температурой в 13 миллионов кельвинов и плотностью водорода 100 г/см³. Например, для того чтобы при таких условиях ядро ¹²С, захватив протон, превратилось в радиоактивный изотоп углерода, надо «подождать» 13 миллионов лет! Следовательно, для каждого «активного» (т. е. участвующего в цикле) ядра реакции протекают чрезвычайно медленно, но все дело в том, что ядер достаточно много.

Как уже неоднократно подчеркивалось выше, скорость термоядерных реакций чувствительным образом зависит от температуры. Это и понятно — даже небольшие изменения температуры очень резко сказываются на концентрации необходимых для реакции сравнительно энергичных протонов, энергия которых раз в 20 превышает среднюю тепловую энергию. Для протон-протонной реакции приближенная формула для скорости энерговыделения, рассчитанного на грамм вещества, имеет вид

(8.1)

Эта формула справедлива для сравнительно узкого, но важного интервала температур 11—16 миллионов кельвинов. Для более низких температур (от 6 до 10 миллионов кельвинов) справедлива другая формула:

(8. 2)

Основным источником энергии Солнца, температура центральных областей которого близка к 14 миллионам кельвинов, является протон-протонная реакция. Для более массивных, а следовательно, и более горячих звезд существенна углеродно-азотная реакция, зависимость которой от температуры значительно более сильная. Например, для интервала температур 24—36 миллионов кельвинов

(8.3)

Понятно, почему эта формула содержит множителем величину Z — относительную концентрацию тяжелых элементов: углерода и азота. Ведь ядра этих элементов являются катализаторами углеродно-азотной реакции. Обычно суммарная концентрация этих элементов приблизительно в семь раз меньше концентрации всех тяжелых элементов. Последнее обстоятельство учитывается в численном коэффициенте формулы (8.3).

Непрерывно идущие в центральных областях звезд ядерные реакции «медленно, но верно» меняют химический состав звездных недр. Главная тенденция этой химической эволюции — превращение водорода в гелий. Помимо этого в процессе углеродно-азотного цикла меняется относительная концентрация различных изотопов углерода и азота до тех пор, пока не установится некоторое определенное равновесие. При таком равновесии количество реакций за единицу времени, приводящих к образованию какого-нибудь изотопа, равно количеству реакций, которые его «разрушают». Однако время установления такого равновесия может быть очень большим. А пока равновесие не установится, относительные концентрации различных изотопов могут меняться в самых широких пределах. Приводим значения равновесных концентраций изотопов, полученные при температуре 13 миллионов кельвинов[ 24 ]:

(8.4)

Вычисленные равновесные концентрации изотопов не зависят от плотности вещества, ибо скорости всех реакций пропорциональны плотности. Первые два изотопных отношения не зависят также и от температуры. Ошибки в вычисленных равновесных концентрациях достигают нескольких десятков процентов, что объясняется неуверенностью в знании вероятности соответствующих реакции. В земной коре отношение

= 89,

= 270.

Для протон-протонной реакции равновесное состояние наступает по истечении огромного срока в 14 миллиардов лет. Вычисления, выполненные для T = 13 миллионам кельвинов, дают значения

(8.5)

Заметим, что для более низкой температуры T = 8

10⁶ К

10^-2, т.е. почти в сто раз больше. Следовательно, образующийся в недрах сравнительно холодных карликовых звезд изотоп ³He весьма обилен.

Кроме протон-протонной и углеродно-азотной реакции, при некоторых условиях могут иметь существенное значение и другие ядерные реакции. Представляют, например, интерес реакции протонов с ядрами легких элементов — дейтерия, лития, бериллия и бора: ⁶Li + ¹H
³He + ⁴He; ⁷Li + ¹H

2⁴He; ¹⁰B + 2¹H

3⁴He и некоторые другие. Так как заряд ядра — «мишени», с которой сталкивается протон, невелик, кулоновское отталкивание не так значительно, как в случае столкновений с ядрами углерода и азота. Поэтому скорость этих реакций сравнительно велика. Уже при температуре около миллиона кельвинов они идут достаточно быстро. Однако, в отличие от ядер углерода и азота, ядра легких элементов не восстанавливаются в процессе дальнейших реакций, а необратимо расходуются. Именно поэтому обилие легких элементов на Солнце и в звездах так ничтожно мало. Они уже давно «выгорели» на самых ранних стадиях существования звезд. Когда температура внутри сжимающейся под действием силы тяжести протозвезды достигнет

1 миллиона кельвинов, первые ядерные реакции, которые там будут протекать,— это реакции на легких ядрах. Тот факт, что в атмосфере Солнца и звезд наблюдаются слабые спектральные линии лития и бериллия, требует объяснения. Он может указывать на отсутствие перемешивания между самыми наружными слоями Солнца и «глубинными» слоями, где температура уже превышает 2 миллиона кельвинов — значение, при котором эти элементы «выгорели» бы. Следует, однако, иметь в виду и совершенно другую возможность. Дело в том, что, как сейчас доказано, в активных областях Солнца (там, где происходят вспышки) заряженные частицы ускоряются до весьма высоких энергий. Такие частицы, сталкиваясь с ядрами атомов, образующих солнечную атмосферу, могут давать (и дают!) различные ядерные реакции. Свыше 10 лет назад при помощи гамма-детектора, установленного на запущенном в США специализированном спутнике «OSO-7» («Седьмая орбитальная солнечная лаборатория»), были обнаружены во время яркой вспышки на Солнце 4 августа 1972 г. две спектральные линии в этом диапазоне. Одна линия, имеющая энергию квантов 0,511 МэВ, отождествляется с излучением, возникающим при аннигиляции электронов с позитронами, другая с энергией 2,22 МэВ излучается при образовании дейтерия из протонов и нейтронов. Эти важные эксперименты как раз и демонстрируют, что в активных областях Солнца и, конечно, звезд идут ядерные реакции. Только такими реакциями можно объяснить аномально высокое обилие лития в атмосферах некоторых звезд и наличие линий технеция у звезд редкого спектрального класса S. Ведь самый долгоживущий изотоп технеция имеет период полураспада около 200 000 лет. Именно по этой причине его нет на Земле. Только ядерные реакции в поверхностных слоях звезд могут объяснить наличие линий технеция в спектрах упомянутых выше звезд.

Если температура звездных недр по каким-либо причинам становится очень большой (порядка сотен миллионов кельвинов), что может случиться после того, как практически весь водород «выгорит», источником ядерной энергии становится совершенно новая реакция. Эта реакция получила название «тройной альфа-процесс». При столь высоких температурах сравнительно быстро идут реакции между альфа-частицами, так как «кулоновский барьер» уже легче преодолеть. В этом случае «высота» кулоновского барьера соответствует энергии в несколько миллионов электронвольт. При столкновениях эффективно просачиваться через барьер будут альфа-частицы с энергией порядка ста тысяч электронвольт. Заметим, что энергия тепловых движений частиц при такой температуре порядка десяти тысяч электронвольт. При таких условиях сталкивающиеся альфа-частицы могут образовывать радиоактивный изотоп бериллия ⁸Be. Этот изотоп очень быстро опять распадается на две альфа-частицы. Но может так случиться, что не успевшее еще распасться ядро ⁸Be столкнется с третьей альфа-частицей, конечно, при условии, что у последней достаточно высокая энергия, чтобы «просочиться» через кулоновский барьер. Тогда будет иметь место реакция ⁴He + ⁸Be
¹²C +

, ведущая к образованию устойчивого изотопа углерода с выделением значительного количества энергии. При каждой такой реакции выделяется 7,3 миллиона электронвольт.

Хотя равновесная концентрация изотопа ⁸Ве совершенно ничтожна (например, при температуре сто миллионов кельвинов на десять миллиардов

-частиц приходится всего лишь один изотоп ⁸Ве), все же скорость «тройной» реакции оказывается достаточной для выделения в недрах очень горячих звезд значительного количества энергии. Зависимость энерговыделения от температуры исключительно велика. Например, для температур порядка 100—200 миллионов кельвинов

(8. 6)

где, как и раньше, Y означает парциальную концентрацию гелия в недрах звезды. В случае, когда почти весь водород «выгорел», величина Y довольно близка к единице. Заметим еще, что энергетически «горение» водорода является более выгодным процессом, так как в этом случае на грамм «горючего» выделяется в 10 раз больше энергии.

Рис. 8.1: Зависимость ядерного энерговыделения от температуры для трех реакций.

На рис. 8.1 в логарифмическом масштабе приведена зависимость энерговыделения от температуры для трех важнейших реакций, которые могут проходить в недрах звезд: протон-протонной, углеродно-азотной и «тройного» столкновения альфа-частиц, которое только что обсуждалось. Стрелками указано положение различных звезд, для которых соответствующая ядерная реакция имеет наибольшее значение.

Резюмируя этот параграф, мы должны сказать, что успехи ядерной физики привели к полному объяснению природы источников звездной энергии.

Принято думать, что богатейший мир атомных ядер стал известен человечеству после выдающегося открытия Беккерелем радиоактивности. С этим фактором, конечно, трудно спорить. Но на протяжении всей своей истории человечество купалось в лучах Солнца. Давно уже стало банальным утверждение, что источником жизни на Земле является Солнце. Но ведь солнечные лучи — это переработанная ядерная энергия. Это означает, что не будь в природе ядерной энергии, не было бы жизни на Земле. Будучи всем обязаны атомному ядру, люди на протяжении долгих тысячелетий даже не подозревали о его существовании. Но, с другой стороны, смотреть — это еще не значит открыть. И мы не покушаемся на славу замечательного французского ученого…

Ядерные процессы играют, как мы видели в этом параграфе, фундаментальную роль в длительной, спокойной эволюции звезд, находящихся на главной последовательности. Но, кроме того, их роль является определяющей при быстро протекающих нестационарных процессах взрывного характера, являющихся поворотными этапами в эволюции звезд. Об этом будет идти речь в третьей части этой книги. Наконец, даже, казалось бы, для такой в высшей степени тривиальной и очень «спокойной» звезды, какой является наше Солнце, ядерные реакции открывают возможность объяснения явлений, которые представляются очень далекими от ядерной физики. Об этом речь пойдет в следующем параграфе.

«Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле»: Интервью ко Всемирному дню Солнца

Ежегодно в начале мая отмечается Международный день Солнца. Решение о создании этого праздника было принято в 1994 году Европейским отделением Международного общества солнечной энергии (МОСЭ) с целью привлечения внимания общества к возможностям использования возобновляемых источников энергии. На Энергетическом факультете Политехнического института Южно-Уральского государственного университета изучают всю технологическую цепочку энергетической индустрии: производство, передачу, распределение, регулирование и потребление электрической и тепловой энергии.  Особое внимание на факультете уделяется развитию новейших электротехнологий, которые включают в себя водородную энергетику, лазерные технологии, электросварочное производство, электрометаллургию, электролизное производство. В этом году кафедра Теоретических основ электротехники готовит первый выпуск бакалавров по этому профилю подготовки. На факультете утверждена и реализуется стратегия развития «Распределенная цифровая энергетика и интеллектуальный электропривод». В этой стратегии есть доля  всех видов альтернативной энергетики, включая энергию солнца. Декан факультета Сергей Ганджа рассказал о потенциале солнечной энергии и ее дальнейшем развитии.

– Солнце – наша ближайшая звезда, что она дает нашей планете?

– Энергия Солнца стоит за всеми известными формами движения материи: механической, физической, химической, биологической и социальной. Солнце – единственный ближайший к нам источник, который наполняет энергией все формы живой и неживой природы. Так, на появление энергии ветра, волн, гидроэнергией рек, энергией углеводородов, включая биогаз на начальной стадии формирования, влияет Солнце. Энергия ветра обусловлена неравномерностью прогрева земной поверхности, энергия углеводородов рождается под влиянием фотосинтеза, гидроэнергия рек образуется от испарения воды и последующего выпадения осадков. Только несколько видов альтернативных источников не имеют солнечную природу. Это энергия приливов и отливов, обусловленная гравитационным притяжением Луны, ядерная энергия, запасенная вселенной много миллиардов лет назад и геотермальная энергия Земли, образованная при ее формировании.  Эти виды энергии составляют незначительную долю в энергетическом балансе планеты. Можно сказать, что Солнце – это единственный основной источник энергии и жизни на Земле.

– Как добывается и используется солнечная энергия?

– Источником энергии в самом Солнце является термоядерный синтез, при котором атомы водорода, соединяясь друг с другом, образуют гелий, второй элемент таблицы Менделеева. При этом выделяется гигантское количество энергии, которая распространяется в виде радиации и доходит до Земли. Здесь и происходит ее преобразование в другие виды энергии. Солнечную энергию мы можем превратить, например, в электрическую, используя эффект фотосинтеза. Солнце в масштабах существования человеческой цивилизации является неисчерпаемым источником энергии. Альтернативная энергетика как раз и использует преобразованную солнечную энергию. Главное преимущество ее в том, что в основном – это экологически чистые источники энергии. Традиционная энергетика исторически сопровождалась выбросами вредных веществ, превышением нормы углекислого газа в атмосфере, что приводило к парниковому эффекту и глобальному потеплению. Солнечная радиация напрямую превращается в электричество, ветровые установки тоже не несут выбросов. Но у альтернативных источников есть один существенный недостаток. Это – нестабильность генерации энергии, которая зависит от природных условий. Промышленность и крупные мегаполисы не могут полностью полагаться на такой ненадежный источник. Альтернативная энергетика получит мощный импульс развития, если решит проблему по накоплению энергии, причем объемы накопления должны быть гигантские, соизмеримые с существующими запасами углеводородного топлива. Создание такой технологии накопления электричества названо McKinsey Global Institute одной из 12 прорывных технологий, которые существенным образом изменят глобальную экономику. На Энергетическом факультете ведутся такие работы на базе водородной энергетики.

– Изучают ли на Энергетическом факультете возобновляемые источники энергии и, в том числе солнечную энергию?

– Структура Энергетического факультета построена таким образом, что все, что есть в энергетике – представлено на том или ином образовательном уровне: бакалавриате, магистратуре или аспирантуре. У нас хорошо развито изучение традиционной энергии: это электрические станции, сети, системы электроснабжения. Имеется направление магистратуры, на котором мы готовим специалистов по альтернативной энергетике. Также у нас имеются серьезные научные заделы в этом направлении, в том числе выполненные совместно с американскими учеными. В основном мы работаем в ветроэнергетике, солнечной, биогазовой и водородной энергетике.

– Какое будущее ждет солнечную энергетику?

– Энергетика идет по пути комплексного развития. Ориентироваться на один вид энергии нельзя. Энергетика может быть стабильной и надежной тогда, когда она использует различные источники энергии. Абсолютно неразумно, имея такую развитую, рентабельную углеводородную инфраструктуру, разрушать ее или неэффективно использовать. По мере истощения углеводородов она будет свою роль потихоньку терять, но произойдет это, по оценке Министра энергетики РФ Александра Новака, не ранее чем через 100 лет. Одновременно с этим традиционные источники энергии будут вытесняться альтернативными источниками энергии и атомной энергетикой. Солнечную энергетику ждет светлое будущее, но для этого надо решить еще очень много научных и инженерных задач. Энергетический факультет в этом направлении ведет активную деятельность.

Солнце, реакция синтеза — Справочник химика 21

    Химические элементы возникли в результате протекания ядерных реакций. Однако для осуществления ядерных реакций требуется высокая энергия частиц, которая достигается при температурах около 10 К. Считается, что условия для протекания ядерных реакций создаются в результате достижения, с определенной плотностью, суммарной массы частиц межзвездного пространства около 0,03 массы Солнца. Тогда, в силу всемирного закона тяготения, вещество еще более сжимается и при этом выделяется энергия. При достаточном разогреве такой массы начинают протекать ядерные реакции синтеза новых элементов. [c.316]









    К фотохимическим относятся реакции, протекающие под действием квантов света. Такие реакции многочисленны, а некоторые из них имеют жизненно важное значение. Фотохимическими являются реакции выделения кислорода и ассимиляции диоксида углерода в процессе фотосинтеза, образование озона из кислорода под действием ультрафиолетового излучения Солнца, природный синтез хлорофилла и т. п. Фотохимическое разложение бромистого серебра лежит в основе фотографического процесса. С фотохимическими реакциями связано явление люминесценции, выцветание красок и т. п. [c.200]

    Термоядерный синтез. Энергия может быть получена не только при делении тяжелых ядер, но и при слиянии легких ядер, при этом возникает дефект массы. За счет реакции слияния легких ядер выделяется энергия на Солнце. Реакция слияния легких ядер получила название ядерного синтеза. Некоторые реакции ядерного синтеза приведены ниже  [c.405]

    Одним из источников энергии излучения солнца и звезд является термоядерная цепная реакция синтеза гелия из водорода. Возбудителями цепей в этой реакции выступают протоны, а промежуточным продуктом — неустойчивый изотоп гелия Не . Последовательность элементарных актов имеет следующий вид  [c.247]

    Процесс рр — (1е является исходной реакцией синтеза для водорода, сгорающего на Солнце. Его вероятность слишком мала, чтобы быть измеренной в лабораторных условиях при энергиях в несколько кэВ, при которых он фактически происходит в звездах. Поэтому точный и надежный расчет амплитуды этого процесса имеет решающее значение для понимания возникновения энергии в звездах и также для предсказаний потока нейтрино, которые приходят на Землю от ядерных процессов на Солнце [11]. [c.388]

    Фотосинтетические процессы связывают химию космоса с биохимией Земли. Потоки квантов, возникающие в результате бурных ядерных реакций, разыгрывающихся на Солнце, возбуждают синтезы органических веществ в растениях и микроорганизмах. Энергия Солнца запасается в молекулах белков, углеводов и жиров, из которых живые системы строят сложные динамические структуры. [c.220]

    Большое значение как источники энергии имеют реакции синтеза ядер легких элементов из протонов, нейтронов, ядер дейтерия и трития. Эти реакции протекают в недрах солнца и звезд и являются источником их энергии. [c.94]

    Ядерные цепные реакции деления, осуп ,ествляемые в атомных котлах, служат мощным источником атомной энергии, а также для получения различных радиоактивных продуктов, которые используются в разнообразных направлениях. Еще более мощным источником внутриатомной энергии могут служить реакции синтеза ядер из более легких ядер, которые протекают при высоких температурах. Такие реакции называются т е р м о я д е р п ы м и и протекают в результате взаимного столкновения частиц благодаря тепловому двин епию. Этот тип реакций служит источником энергии солнца и звезд. В результате этих реакций водород превращается в гелий с выделением огромного количества энергии. [c.27]

    Звездный гелий (гелий Вселенной) является продуктом термоядерной реакции синтеза ядер водорода, протекающей на Солнце и звездах по протонно-протонному циклу. Два протона на огромной скорости (вследствие высокой температуры в звезде) сталкиваются, соединяются с образованием дейтрона, состоящего из одного протона и одного нейтрона. При столкновении дейтрона с другим протоном будет испущен у-квант и образуется частица Не . Атомы Не могут столкнуться с другой аналогичной частицей при этом образуется общее ядро Не с испусканием двух протонов. На 1 кг синтезированного гелия освобождается 175 млн. квт-ч энергии. Сказанное можно представить схемой  [c.11]

    Одна из реакций, благодаря которой на Солнце происходит вьщеление энергии, представляет собой синтез гелия при слиянии ядер двух изотопов водорода  [c.426]

    Большой интерес для энергетики представляют управляемые термоядерные реакции, т. е. процессы слияния легких атомных ядер в более тяжелые. Процессы эти протекают при очень высокой температуре (порядка 10 К) и сопровождаются освобождением огромного количества энергии. Такие реакции постоянно протекают в звездах, в том числе и в недрах Солнца. В земных же условиях плазма является единственной средой, пригодной для осуществления управляемого термоядерного синтеза. [c.42]

    Как было указано в разд. 20.6, при слиянии легких ядер в более тяжелые происходит выделение энергии. Именно к такому типу принадлежат реакции, которыми обусловлено выделение энергии на Солнце. Спектроскопические исследования показывают, что Солнце состоит на 73% из атомарного водорода, на 26% из гелия, а на долю всех остальных элементов приходится всего 1% массы Солнца. Среди различных процессов ядерного синтеза на Солнце, по-видимому, осуществляются следующие реакции  [c.273]

    Термоядерные реакции интенсивно протекают в недрах Солнца и звезд в условиях господствующих там температур и давлений (температура — десятки миллионов градусов и давление порядка десятков и сотен миллионов атмосфер). В этих условиях возможен синтез и тяжелых ядер, дающий огромный температурный эффект. Так, известны случаи возникновения космических новообразований (например, при взрыве звезд), яркость свечения которых в 600 ООО ООО раз выше солнечной. [c.377]

    Солнце. Получает энергию от реакции термоядерного синтеза с участием атомов водорода. Температура внутри Солнца равна приблизительно 10 К, так что энергии атомов водорода достаточно для протекания реакции  [c. 32]

    Процесс синтеза ядер также может сопровождаться высвобождением энергии. Из схемы для энергии связи видно, что при делении очень тяжелых ядер происходит превращение в энергию примерно 0,1% их массы. Еще большие доли массы очень легких ядер превращаются в энергию при их слиянии в более тяжелые ядра. Процесс 4Н—> Не, служащий основным источником энергии солнца, протекает с превращением 0,7% исходной массы в энергию. Аналогичная реакция между дейтроном и тритоном с образованием ядра гелия и нейтрона сопровождается превращением 0,4% массы в энергию [c.630]

    В основе теории развития элементов на звездах лежит представление о том, что химический состав звезды является функцией ее возраста. У молодых звезд, примером которых может служить Солнце, преобладающими элементами являются водород и гелий последний образуется из водорода в результате термоядерного синтеза, обусловливающего энергетические процессы на звезде. Последовательность ядерных реакций, приводящих к синтезу гелия из водорода на звездах, была обоснована Г. Бете (1938 г.). Эта схема, называемая циклом Бете, состоит из сле ющих последовательных реакций С1″+ №->№ С + Н  [c.63]

    В.— самый распространенный элемент в космосе. Он преобладает на Солнце и на большинстве звезд, составляя до половины их массы. В. имеет три изотопа про-тий ( H), дейтерий (О или Н), радиоактивный тритий (1 или Н). Атом В. имеет один электрон. Молекула состоит из двух атомов, связанных ковалентной связью. В соединениях В. положительно и отрицательно одновалентен. В.— хороший восстановитель. При обычных условиях малоактивен, непосредственно соединяется лишь с наиболее активными неметаллами (с фтором, а на свету и с хлором). При нагревании В. реагирует со многими элементами. С фтором реакция идет со взрывом, с хлором и с бромом при освещении или нагревании, а с иодом лишь при нагревании. Соединяется с азотом в присутствии катализатора, образуя аммиак. Практическое значение имеют реакции В. с оксидом углерода СО, при которых образуются углеводороды, спирты, альдегиды и т. д. В. непосредственно реагирует со щелочными и щелочноземельными металлами, образуя гидриды (Ма, Н, СаНз и др.). В. применяется для синтеза ЫНз, НС1, производства метанола (исходя из СО), используется для сварки и резки металлов, для гидрогенизации твердого и жидкого топлива, жиров и различных органических соединений и др Дейтерий и тритий используют в атомной промышленности. [c.32]

    Для того чтобы началась реакция ядерного синтеза, необходимо достичь температуры порядка миллиона градусов. Поскольку единственным известным в настоящее время средством достижения таких температур являются реакции ядерного деления, для возбуждения реакции водородного синтеза используется атомная бомба, основанная на реакции деления. Это обстоятельство делает маловероятным проведение самоподдерживающейся цепной реакции ядерного синтеза (термоядерной реакции), управляемой подобно тому, как это осуществляется в ядерном реакторе для реакций деления . Предполагается, что энергия, вьщеляемая звездами и в их числе нашим Солнцем, образуется в результате реакций ядерного синтеза, аналогичных указанным выше реакциям. В зависимости от возраста и температуры звезды в таких реакциях могут принимать участие ядра углерода, кислорода и азота, а также изотопы водорода и гелия. [c.437]

    Солнце — звезда с радиусом примерно 6,96 10 км и массой приблизительно 1,99 кг среднее расстояние от Земли до Солнца составляет 1,5 10 км. Солнце на 75 % мае. состоит из водорода и на 25 % — из гелия. Температура Солнца изменяется примерно от 5 10 К в центре до 5800 К на поверхности. Считается, что источником энергии Солнца является постоянное превращение атомов водорода в гелий в реакциях термоядерного синтеза. Видимая область Солнца, в которой генерируется большая часть достигающей Земли электромагнитной энергии, называется фотосферой. [c.294]

    Первичным источником энергии на Земле является энергия Солнца. Диапазон солнечного излучения, достигающего земной поверхности, называется видимым или белым светом нижний предел длины волны его равен примерно 400 нм, а верхний — 700 нм. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения, водоросли, цианобактерии) обладают способностью улавливать кванты солнечного света и трансформировать их в полезную химическую энергию. Процесс фотосинтеза, заключительной реакцией которого является синтез углеводов из Oj, может быть суммирован следующим стехиометрическим уравнением  [c.210]

    Назовите наиболее распространенный во Вселенной элемент периодической системы. Приведите реакции ядерного синтеза, являющиеся источником энергии Солнца и некоторых других звезд. [c.163]

    Водород — см. введение к главе. Источником энергии Солнца и некоторых других звезд являются реакции ядерного синтеза (см. задачу 2-13 в 2.2) так называемого углеродного цикла [c.492]

    Мыслимы циклические реакции, приводящие к синтезу а-частиц из протонов. Полагают, что они протекают в недрах Солнца и, как показал А. В. Северный, в большинстве других звезд, более ярких, чем Солнце. Именно эти реакции и служат, повидимому, основным источником огромных количеств энергии, выделяемой Солнцем и этими звездами. При.меро.м такой [c.419]

    Образование элементов на Солнце. Согласно современным представлениям все звёзды, в том числе и наше Солнце, генерируют излучаемую световую энергию посредством реакций ядерного синтеза [8, 59. Основной процесс в ряду такого сорта реакций — слияние ядер водорода, происходит путём формирования в конечном итоге из четырёх протонов ядра гелия-4 (а-частицы)  [c.66]

    Источником энергии Солнца является горение водорода — цепь реакций, начинающаяся со слияния протонов, и приводящая в итоге к синтезу ядер средних масс О. Многие ядерные реакции, происходящие внутри Солнца, приводят к излучению нейтрино, которые уносят до 2% выделяющейся энергии. В табл. 10.3.1 приведены основные реакции, в которых рождаются солнечные нейтрино, и указаны параметры соответствующих нейтринных потоков [6]. Энергетические спектры этих нейтрино приведены на рис. 10.3.1. [c.14]

    Первый вариант — термоядерный синтез. Он имеет значительно большее выделение энергии в единичном акте ядерной реакции, но пока его удаётся использовать практически только в термоядерных взрывах (если не принимать во внимание Солнце, которое является природным реактором термоядерного синтеза и энергия которого обеспечивает жизнь на Земле). Второй процесс — деление тяжёлых ядер — лежит в основе современной ядерной энергетики. С помощью ядерных реакторов деления урана сегодня вырабатывается около 17% всего мирового количества электроэнергии. [c.113]

    Следует подчеркнуть, что реакции на Солнце происходят с участием не нейтральных атомов, а путем взаимодействия атомных ядер, так как при высоких звездных температурах атомы водорода и гелия (а из них-то солнце и состоит) разорваны на свободные положительно заряженные ядра и электроны. Обычно говорят, что материя находится па Солнце в состоянии плазмы. Первой стадией звездного синтеза гелия является столкновение двух протонов, сопровождаемое образованием дейтона, положительного электрона (или позитрона) и нейтрино [c.197]

    Синтез ядер. Ядерные реакции, при которых легкие ядра сливаются друг с другом, образуя более тяжелые ядра, называются синтезом (слиянием) ядер. На рис. 24-5 видно, что в результате этих реакций также выделяется энергия. Реакции синтеза возникают внутри звезд, где температура настолько высока, что скорости ядэр достаточно велики для того, чтобы инициировать такие реакции. Следующая цепь реакций, как предполагается, даег наибольшую часть энергии, испускаемую солнцем [c.739]

    Вполне возможно, что со временем ядерные явления станут частью нашей повседневной жизнн. Солнце, как и все звезды, излучает свет в результате происходящих на нем ядерных реакций. Раскрыв секрет расщепления атома и ядерного синтеза, ученые выпустили на волю мощнейшую из известных сил во Вселенной. Атомная энергия, высвобождаемая из нескольких граммов ядерного топлива, эквивалентна энергии, образующейся при сгорании многих тысяч литров бензина. Как же нам использовать эту энергию, как относиться к связанным с ней опасностям, таким, как ядерное оружие или ядерные отходы  [c.299]

    Дальнейший синтез химических элементов продолжается в недрах звезд. Этапы этого синтеза сменяют друг друга при повышении температуры. В процессе конденсации в протозвезду межзвездного газа, состоящего из водорода и гелия, в результате гравитационного сжатия температура повышается, и снова становится возможной реакция образования гелия из водорода. (На нашем Солнце, по-видимому, в настоящее время это главный энергопроизводящий процесс, хотя, как будет сказано ниже, оно прошло и другие этапы звездной эволюции). 3)тот этап характеризуется температурами, не превышающими 20 млн градусов. После ядер Не наиболее устойчивыми являются ядра С и 0. Термоядерная эпоха образования таких ядер (Т 10 К) наступает после того, как истощится, выгорит , водород в процессах первого этапа. В эту эпоху в плотных выгоревших ядрах звезд-гигантов возможно непосредственное образование углерода и кислорода (конечно, не атомов, а ядер) по реакциям  [c.8]

    Волоро.ч и наиболее распространенный во Вселенной элемент . Солнце и звезды черпают свою энергию из реакции ядерного синтеза  [c.373]

    Успехи современной астрофизики определенно указывают, что эволюция звезд органически связана с атомно-ядерными превращениями в их недрах. На ранних этапах развития Вселенной основным строительным. материалом для образования атомов химических элементов был водород, и поныне господствующий в звездном мире и рассеянном межзвездном веществе. Естественный синтез химических элементов в истории Вселенной заключался в образовании сначала легких, потом средних и в заключение самых тяжелых трансурановых элементов путем различного типа ядерных реакций в недрах массивных звезд. Современная распространенность элементов и их изотопов явилась результатом наложения ряда ядерных реакций, а не единого одноактного процесса. Современная теория происхождения химических элементов разработана в основном английскими астрофизиками Дж. Бэрбидж, М. Бэрбидж, Ф. Хойлем и В. Фаулером. Синтез наиболее тяжелых элементов, включая трансурановые, произошел накануне формирования Солнечной системы [11]. Сравнение распространенности элементов в метеоритах, на Солнце и в космических лучах представлено в табл. 36 на основании обширной сводки, сделанной в 1975 г. В. Тримбл. [c.77]

    Предпо.лагается, что источником энергп.и Солнца и звезд являются термоядерные реакции, иронс.ходящие н их недрах. В результате этих реакций происходит превращение легких элементов в более тяжелые, например синтез Не из Н. Синтез более тяжелых элементов обычно осуществляется путем последовательной цепи iie-скольких термоядерных реакций. Этот комплекс реакций носит иазкапие звездного цикла. [c.946]

    Экзотермический процесс превращения водорода в гелий идет на Солнце чрезвычайно медленно, т. е. в литре, за 1 сек образуется ничтожное количество продукта ядерной реакции Споэтому Солнце не взрывается, и водорода на нем хватит еще на биллионы лет). В суммарном же выражении (на весь объем Солнца) синтез гелия происходит, однако, с большой скоростью, и в итоге получается потрясающий наше воображение суммарный тепловой эффект, который и определяет стационарное лучеиспускание солнечной энергии (подробнее об этом процессе будет сказано в одной из последующих лекций).  [c.138]

    Начальный момент синтеза элементов имеет, по-видимому, место в молодых, новообразовавшихся звездах, которые состоят в основном из водорода. При этом первичным процессом возникновения элементов является образование из гелия водорода в ходе так называемой протон-нротонной реакции (водородный цикл) при температуре около 10 °К, происходящей внутри (в ядре) звезды в результате ее сжатия. Последующее выгорание водорода в гелий в оболочке звезды происходит путем углеродно-азотного цикла. Для звезд так называемой главной последовательности, к числу которых относится и Солнце, превращение водорода в гелий является основным процессом ядерного синтеза, обеспечивающим их энергию и светимость. [c.15]

Урок 33. звезды. солнце — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 33. Звёзды. Солнце

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Основные физические характеристики Солнца;

2) Строение Солнца;

3) Источник энергии Солнца;

4) Спектральная классификация звёзд;

5) Эволюция звёзд

Глоссарий по теме

Звезда – раскалённый газовый шар;

Светимость звезды – энергия, которую излучает звезда за 1 секунду по всем направлениям;

Фотосфера Солнца – ближайший к поверхности, нижний слой атмосферы Солнца;

Ядро Солнца – центральная часть шара, в которой протекают термоядерные реакции;

Протуберанец – выплёскивающаяся с поверхности Солнца в атмосферу струя;

Протозвезда – звезда на раннем этапе своей эволюции;

Нейтронная звезда – звезда сверхбольшой плотности порядка плотности атомного ядра;

Чёрная дыра – звезда с таким соотношением массы и радиуса, что ни одно тело из сферы действия его гравитации и даже свет не могут покинуть его;

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. С. 353 – 366

2. В.М. Чаругин. Астрономия. 10-11класс. М.: «Просвещение», 2017. С. 80 — 106

3. Саймон и Жаклин Миттон. Астрономия. М.: «РОСМЭН», 1995.

4.И.А. Климишин. Элементарная астрономия. М.: Наука. 1991.

Основное содержание урока

Наше изучение звёзд начинается с изучения Солнца, ближайшей к Земле, звезды.

Основные характеристики Солнца.

Первая величина, которая легко вычисляется для Солнца – это его радиус.

Угол, под которым видно Солнце с Земли, равен 16 секундам. Расстояние от Земли до Солнца — значение большой полуоси орбиты Земли. Радиус Солнца равен 700000 км.

Массу Солнца определим, используя третий обобщённый закон Кеплера:

подставив значения большой полуоси орбиты Земли, гравитационной постоянной и периода вращения Земли вокруг Солнца.

Масса Солнца равна

Зная, что на 1 м² за 1 с приходится 1370 Дж энергии, можно найти светимость Солнца:

Химический состав Солнца: примерно 70% водорода, 29 % гелия;

Температура на поверхности Солнца 6000 К.

Атмосфера Солнца. Нижний слой, называющийся фотосферой, имеет небольшую высоту.

Внешняя часть, называющаяся короной, простирается на несколько радиусов Солнца.

В структуре фотосферы выделяют гранулы, протуберанцы, темные пятна.

С поверхности Солнца постоянно идёт поток заряженных частиц, называемый солнечным ветром.

Временами на Солнце происходят вспышки, увеличивающий поток частик и всевозможные излучения Солнца.

Основные характеристики звёзд.

Основные характеристики звёзд. Изучение звёзд затруднено тем, что они находятся далеко и освещенность, которую они создают на Земле очень мало. Проблему наблюдения за звёздами решают при помощи больших телескопов

Измерения температур поверхности звёзд показывают, что есть прямая связь между температурой звезды и видом её спектра.

В результате все звёзды разнесены по звёздным классам: O, B, A, F, G, K,

Э. Герцшпрунг и Г.Рессел составили диаграмму зависимости светимости всех известных звёзд от их спектрального класса.

По этой диаграмме все звёзды расположились в четырёх группах.

Главная последовательность диаграммы дает расположение большинства звёзд. Солнце является звездой данной группы звёзд.

Плотности звёзд данной группы примерно равны плотности Солнца.

Вторая и третья группы звёзд данной диаграммы – гиганты и сверх — гиганты.

Группа звёзд гигантов – звёзды красного цвета со светимостью примерно в сто раз больше Солнца, а размеры в десятки раз больше.

Сверх – гиганты также звёзды со светимостью в сотни тысяч раз больше солнечной, а размерами в сотни раз больше. Плотность сверх – гиганта Бетельгейзе составляет одну миллионную долю плотности воздуха.

Белые карлики – это группа звёзд, которая располагается на диаграмме внизу слева. Светимость белых

карликов в сотни и тысячи раз меньше солнечной и по размерам сравнимы с планетами. Однако, плотность достигает огромных значений.

Источник энергии Солнца и звёзд.

Источником энергии Солнца и звёзд является ядерная энергия, которая выделяется при синтезе ядер гелия из ядер водорода.

Это — так называемая термоядерная реакция.

Доказательством верности наших представлений о строении Солнца является результаты поиска и регистрации нейтрино, которые сопровождают термоядерные реакции в недрах Солнца и легко проникают от места реакции до самой Земли.

Эволюция звёзд.

Рождение звезды происходит в процессе сжатия газопылевых облаков галактик. Сначала увеличивается плотность, растёт температура и начинается излучение в инфракрасном диапазоне. Облако на этом этапе называют протозвездой.

Любая звезда в своей жизни проходит определенные стадии своей эволюции: рождение, пребывание на главной последователь последовательности, расширение и превращение в гиганта или сверх — гиганта. В зависимости от массы звезды происходит дальнейшее преобразование — либо в белого карлика, либо в нейтронную звезду или черную дыру.

Разбор тренировочных заданий

1.

Выберите одно утверждение о звёздах, которые соответствуют диаграмме.

1) «Жизненный цикл» звезды спектрального класса В главной последовательности более длительный, чем звезды спектрального класса G главной последовательности.

2) Температура поверхности звёзд спектрального класса F ниже температуры звёзд спектрального класса А.

3) Звезда Арктур имеет температуру поверхности 4100 К, следовательно, она относится к звёздам спектрального класса В.

4) Средняя плотность сверхгигантов существенно больше средней плотности белых карликов.

Решение.

Анализ утверждения 1): Начало жизненного цикла звёзд – левый верхний угол главной последовательности диаграммы Герцшпрунга – Рессела. Поэтому длительность «жизни» звезды класса В меньше, чем звезды класса G.

Утверждение 1) неверно.

Анализ утверждения 2): На нижней линии диаграммы указаны спектральные классы звёзд, на верхней линии — соответствующие температуры. Классу F соответствует температура ниже, чем классу А.

Утверждение 2) верно.

Анализ утверждения 3): Звезда с температурой 4100 К относится к классу К, что противоречит утверждению.

Утверждение 3) неверно.

Анализ утверждения 4): Белые карлики имеют рекордно высокую плотность. Это противоречит утверждению.

Утверждение 4) неверно.

Ответ: Верное утверждение – 2)

2. Установите соответствие между элементами

Решение.

1.Термоядерная реакция, протекающая в ядре Солнца – реакция синтеза ядер гелия из 4 ядер водорода с образованием 2-х позитронов и 2-х нейтрино.

2. Атмосфера Солнца состоит на 70% из водорода, около 30% из гелия.

3. Солнечный ветер – это поток заряженных частиц с фотосферы Солнца: ядра гелия, водорода, электроны и незначительное количество ионов.

Ответ:

Энергия Солнца и звезд. | Центр физики частиц и высоких энергий НИИ ЯП БГУ

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.

звезд | Определение, свет, имена и факты

Изменения размера звезды

В отношении массы, размера и собственной яркости Солнце является типичной звездой. Его приблизительная масса составляет 2 × 10 ³⁰ кг (около 330 000 масс Земли), приблизительный радиус 700 000 км (430 000 миль) и приблизительная светимость 4 × 10 ³³ эрг в секунду (или эквивалентно 4 × 10 ²³ ). киловатт мощности). Соответствующие величины других звезд часто измеряются с точки зрения величин Солнца.

изображение с использованием ультрафиолетового света

Изображение Солнца в крайнем ультрафиолетовом свете со спутника Солнечной и гелиосферной обсерватории (SOHO) на орбите Земли. Слева внизу виден массивный петлеобразный эруптивный выступ. Почти белые области являются самыми горячими; более глубокие красные цвета указывают на более низкие температуры.

НАСА

Узнайте о различных типах звезд, классифицированных по их массе и температуре — красные карлики, красные гиганты, сверхгиганты, белые и коричневые карлики

Обзор нескольких типов звезд, в частности, красный карлик, красный гигант , сверхгигант, белый карлик и коричневый карлик.

© Open University (партнер-издатель Britannica) Просмотреть все видео к этой статье

Многие звезды различаются по количеству излучаемого ими света. Такие звезды, как Альтаир, Альфа Центавра A и B и Процион A, называются карликовыми звездами; их размеры примерно сопоставимы с размерами Солнца. Сириус А и Вега, хотя и намного ярче, также являются карликовыми звездами; их более высокие температуры дают большую скорость излучения на единицу площади. Альдебаран А, Арктур ​​и Капелла А являются примерами звезд-гигантов, размеры которых намного больше, чем у Солнца. Наблюдения с помощью интерферометра (инструмента, который измеряет угол, образуемый диаметром звезды в позиции наблюдателя) в сочетании с измерениями параллакса (которые дают расстояние до звезды; см. ниже Определение звездных расстояний) дают размеры 12 и 22. солнечные радиусы для Арктура и Альдебарана A. Бетельгейзе и Антарес A являются примерами звезд-сверхгигантов. Последняя имеет радиус примерно в 300 раз больше солнечного, тогда как переменная звезда Бетельгейзе колеблется между примерно 300 и 600 солнечными радиусами.Некоторые из звездного класса белых карликов, которые имеют низкую светимость и высокую плотность, также являются одними из самых ярких звезд. Ярким примером является Сириус B, имеющий радиус в одну тысячную меньше, чем у Солнца, что сравнимо с размером Земли. Также среди самых ярких звезд находятся Ригель А, молодой сверхгигант в созвездии Ориона, и Канопус, яркий маяк в Южном полушарии, часто используемый для навигации космических кораблей.

Звездная активность и потеря массы

Солнечная активность, по-видимому, не уникальна. Установлено, что звезды многих типов активны и имеют звездные ветры, аналогичные солнечному ветру. Важность и повсеместность сильных звездных ветров стали очевидными только благодаря достижениям космической ультрафиолетовой и рентгеновской астрономии, а также радио- и инфракрасной наземной астрономии.

Рентгеновские наблюдения, проведенные в начале 1980-х годов, дали довольно неожиданные результаты. Они обнаружили, что почти все типы звезд окружены коронами с температурой в один миллион кельвинов (К) и выше.Кроме того, все звезды, по-видимому, имеют активные области, включая пятна, блики и протуберанцы, очень похожие на таковые на Солнце ( см. солнечное пятно; солнечная вспышка; солнечный протуберанец). У некоторых звезд звездные пятна настолько велики, что все лицо звезды относительно темное, в то время как другие проявляют вспышечную активность в тысячи раз более интенсивную, чем на Солнце.

солнечная вспышка

Одна из самых сильных солнечных вспышек, когда-либо обнаруженных, на изображении Солнца в крайнем ультрафиолетовом (искусственном) цвете, сделанном спутником Солнечной и гелиосферной обсерватории (SOHO) 4 ноября 2003 г. Такие мощные вспышки, называемые вспышками X-класса, испускают интенсивное излучение, которое может временно вызвать отключение радиосвязи по всей Земле.

SOHO/ESA/NASA

Яркие горячие голубые звезды имеют самые сильные звездные ветры. Наблюдения их ультрафиолетовых спектров с помощью телескопов на зондирующих ракетах и ​​космических кораблях показали, что скорость их ветра часто достигает 3000 км (примерно 2000 миль) в секунду, при этом скорость потери массы в миллиард раз превышает скорость солнечного ветра.Соответствующие темпы потери массы приближаются, а иногда и превышают стотысячную часть солнечной массы в год, а это означает, что одна целая солнечная масса (возможно, десятая часть общей массы звезды) уносится в космос за относительно короткий промежуток времени. из 100 000 лет. Соответственно, считается, что самые яркие звезды теряют значительную часть своей массы в течение своей жизни, которая, по расчетам, составляет всего несколько миллионов лет.

Ультрафиолетовые наблюдения показали, что для создания таких сильных ветров недостаточно давления горячих газов в короне, которая движет солнечным ветром. Вместо этого ветры горячих звезд должны быть вызваны непосредственно давлением энергичного ультрафиолетового излучения, испускаемого этими звездами. Помимо простого осознания того, что от таких горячих звезд исходит обильное количество ультрафиолетового излучения, детали этого процесса не совсем понятны. Что бы ни происходило, это, безусловно, сложно, поскольку ультрафиолетовые спектры звезд имеют тенденцию меняться со временем, а это означает, что ветер непостоянен. Стремясь лучше понять изменения скорости потока, теоретики исследуют возможные виды нестабильности, которые могут быть свойственны ярко светящимся горячим звездам.

Наблюдения, проведенные с помощью радио- и инфракрасных телескопов, а также с помощью оптических приборов, доказывают, что у светящихся холодных звезд также существуют ветры, суммарные скорости потока массы которых сравнимы с таковыми у светящихся горячих звезд, хотя их скорости значительно ниже — около 30 км ( 20 миль) в секунду. Поскольку светящиеся красные звезды по своей природе являются холодными объектами (с температурой поверхности около 3000 К, или вдвое меньше, чем у Солнца), они излучают очень мало обнаруживаемого ультрафиолетового или рентгеновского излучения; таким образом, механизм, приводящий ветры в действие, должен отличаться от механизма светящихся горячих звезд. Ветры светящихся холодных звезд, в отличие от ветров горячих звезд, богаты пылинками и молекулами. Поскольку почти все звезды более массивные, чем Солнце, в конечном итоге превращаются в такие холодные звезды, их ветры, изливающиеся в космос от огромного количества звезд, обеспечивают главный источник нового газа и пыли в межзвездном пространстве, тем самым обеспечивая жизненно важное звено в цикле эволюции. звездообразование и галактическая эволюция. Как и в случае с горячими звездами, конкретный механизм, приводящий в движение ветры холодных звезд, непонятен; в настоящее время исследователи могут только предполагать, что турбулентность газа, магнитные поля или и то, и другое в атмосферах этих звезд как-то ответственны.

Сильные ветры также связаны с объектами, называемыми протозвездами, которые представляют собой огромные газовые шары, еще не ставшие полноценными звездами, в которых энергия обеспечивается ядерными реакциями ( см. ниже Звездообразование и эволюция). Радио- и инфракрасные наблюдения за молекулами дейтерия (тяжелого водорода) и окиси углерода (CO) в туманности Ориона показали, что облака газа расширяются наружу со скоростью, приближающейся к 100 км (60 миль) в секунду. Кроме того, интерферометрические наблюдения с высоким разрешением и очень длинной базой выявили расширяющиеся узлы естественного мазерного (когерентного микроволнового) излучения водяного пара вблизи областей звездообразования в Орионе, таким образом связывая сильные ветры с самими протозвездами.Конкретные причины этих ветров остаются неизвестными, но если они обычно сопровождают звездообразование, астрономам придется рассмотреть последствия для ранней Солнечной системы. В конце концов, Солнце тоже когда-то было протозвездой.

Животворящее Солнце

Курсы Calspace  Изменение климата · Часть первая Изменение климата · Часть вторая Введение в астрономию       Введение в программу астрономии     1.0 — Введение 2.0 – Как делается наука 90 057 3.0 – Большой взрыв 90 057 4.0 – Открытие Галактики 5.0 — Возраст и происхождение Солнечной системы 6. 0 – Методы наблюдательной астрономии 90 057   7.0 Животворящее Солнце · 7.1 – Электромагнитный спектр · 7.2 — Структура Солнца. и Нук. Fusion     8.0 — Планеты Солнечной системы 9.0 — Земля в космосе 10.0 — В поисках внесолнечных планет 90 057 11.0 — Современные виды Марса 12.0 – Финал Вселенной 90 057  Жизнь во Вселенной  Глоссарий: изменение климата Глоссарий: Астрономия Глоссарий: Жизнь во Вселенной

Структура Солнца и ядерный синтез Протон-протонная цепочка. Это основная реакция синтеза на Солнце.Масса в виде атомов водорода преобразуется в энергию согласно формуле Эйнштейна: E = mc 2 . Что за огонь горит на Солнце? И что поддерживает его стабильное горение? Генератор энергии на Солнце находится в его центре, глубоко внутри него. Его называют «ядром», его радиус близок к четверти радиуса звезды (см. рисунок выше). В ядре давление и температура достаточно высоки, чтобы вызвать синтез, то есть ядерные реакции, при которых одни ядра сливаются, чтобы образовать другие.Это тип реакции, которая приводит в действие водородную бомбу. Наиболее важной реакцией в ядре Солнца является процесс, называемый «протон-протонный цикл». фотона В протон-протонной цепной реакции ядра водорода превращаются в ядра гелия через ряд промежуточных соединений. Реакции производят высокоэнергетические фотоны (гамма-лучи), которые проходят через «излучающий слой», окружающий ядро. Этот слой занимает 60 процентов радиуса Солнца. Энергии требуется миллион лет, чтобы пройти через этот слой в «конвективный слой», потому что фотоны постоянно перехватываются, поглощаются и переизлучаются.В ядре ядра гелия составляют 62% массы (остальное по-прежнему составляет водород). Излучающий и конвективный слои содержат около 72% водорода, 26% гелия и 2% более тяжелых элементов (по массе). Энергия, полученная в результате синтеза, затем переносится на поверхность Солнца и излучается в виде света или выбрасывается в виде частиц высокой энергии. К тому времени, когда энергия достигает поверхности Солнца, все охлаждается до 6000 градусов по Кельвину, температура, соответствующая солнечному свету, который мы видим. К настоящему времени большая часть водорода находится в атомарном состоянии, а плотность газа низка, как у газа в неоновых лампах.Энергия, излучаемая горячей поверхностью, в среднем составляет около 230 миллионов ватт на квадратный метр. (На поверхности Земли мы обычно получаем около миллионной части этой суммы, чтобы согреться.) Поверхность Солнца с активными областями и магнитными петлями. (Любезно предоставлено консорциумом SOHO/EIT) Ядерный синтез, источник всей энергии, столь щедро излучаемой Солнцем, делает две вещи: он превращает водород в гелий (точнее, делает ядра гелия из протонов) и преобразует массы в энергию. Преобразование массы в энергию описывается знаменитым уравнением Эйнштейна: E = mc 2 , или, другими словами, энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Поскольку скорость света — очень большое число, это уравнение говорит о том, что можно получить много энергии, используя небольшое количество массы. Энергия, создаваемая процессами синтеза в ядре Солнца (или любой другой звезды), оказывает внешнее давление. Если его не сдержать, такое давление вызовет взрыв (как это происходит в водородной бомбе, только в гораздо меньших масштабах).Внутреннее давление, удерживающее звезду от взрыва, — это гравитационное притяжение газовой мантии, окружающей ядро ​​(составляющее большую часть объема Солнца, очень горячее, но не сгорающее). Давление энергии, генерируемой в солнечном ядре, выталкивает наружу и заставило бы Солнце расширяться, если бы оно не было точно уравновешено гравитационным давлением внешних слоев Солнца. Внешнее давление реакций синтеза удерживает звезды от коллапса.Внутреннее давление гравитации удерживает звезды от взрыва. Если реакции синтеза в ядре становятся слишком слабыми, звезда может коллапсировать и действительно коллапсирует. Такой коллапс может создать новые условия в ядре, которые приведут к новым типам реакций синтеза, так что последует расширение. Если реакции синтеза в ядре станут слишком сильными, звезда может взорваться и действительно взорвется. Такие события можно наблюдать. Когда звезда взрывается, она какое-то время сияет с невероятной яркостью; из незамеченной она превращается в «новую» звезду, в «новую».Звезды, подобные нашему Солнцу, где внутреннее давление и внешнее давление хорошо сбалансированы, лишь незначительно колеблются в яркости и испускают постоянный поток энергии. Баланс достигается за счет саморегуляции: небольшое уменьшение энергии синтеза приведет к сжатию, которое нагреет ядро ​​и увеличит скорость синтеза, и наоборот. Другие звезды, где баланс настроен не так хорошо, заметно пульсируют. Жизнь на планете, вращающейся вокруг пульсирующей звезды, по-видимому, будет трудной или невозможной. Крабовидная туманность.Это остаток сверхновой, вспыхнувшей в 1054 году. Когда ядерные реакции в ядре звезды перестают создавать достаточное давление, чтобы компенсировать ее вес, звезда может взорваться, как это произошло здесь. (Предоставлено VLT) Таким образом, причина того, что Солнце не расширяется (из-за продолжающегося внутреннего взрыва) и не сжимается (из-за собственного веса), заключается в том, что две силы сохраняют равновесие. В далеком будущем, когда это равновесие будет нарушено из-за того, что большая часть водорода израсходована, Солнце расширится.Это будет конец Солнечной системы, какой мы ее знаем. Фотография Солнца, демонстрирующая солнечные пятна, темные участки неправильной формы на поверхности. Зачастую они настолько велики, что их можно увидеть невооруженным глазом. (Предоставлено НАСА) Таким образом, в целом наша звезда светит ровным светом. Однако его выход изменился за геологическое время. Кроме того, он немного меняется в зависимости от количества циклов. Наиболее очевидным проявлением этого является так называемый «цикл солнечных пятен», который описывает периодические изменения количества пятен на поверхности Солнца.Обилие пятен связано с яркостью Солнца (больше пятен, больше яркость). Вариация составляет менее 1 процента, а механизмы плохо изучены. Это связано с изменениями магнитного поля Солнца и с конвекцией во внешнем слое нашей звезды (а не с процессами в ядре). Активность солнечных пятен тесно связана с выбросом солнечной плазмы (в основном протонов) и последующим атмосферным фейерверком в полярных регионах Земли, называемым «полярным сиянием». Северное сияние Заряженные частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами в атмосфере Земли, создавая «северное сияние». (Источник: НАСА)

Солнечная энергия: лучший источник энергии

Солнце — главный источник энергии

Каждое утро восходит солнце, принося свет и тепло на землю, а каждый вечер оно заходит.

Это кажется настолько обыденным, что мы редко задумываемся об этом ярком объекте в небе.

Но без него нас бы не было!

Глубоко в ядре нашей местной звезды (да, Солнце — звезда, БОЛЬШАЯ звезда!), атомы водорода вступают в реакцию ядерного синтеза.

Они производят огромное количество энергии, которая течет во всех направлениях со скоростью света (это ошеломляющая скорость более 186 000 миль за секунды ).

Всего за восемь минут эта энергия проходит 93 миллиона миль до Земли.

Мы используем множество различных форм энергии здесь, на Земле, но вот в чем дело: почти все они исходят от солнца, а не только световая и тепловая (тепловая) энергия! Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, но может изменять свою форму. Вот что происходит с энергией солнца — она принимает множество различных форм:

.

• Растения преобразуют световую энергию солнца в химическую энергию (пищу) в процессе фотосинтеза. Животные едят растения и используют ту же самую химическую энергию для всей своей деятельности.
• Тепловая энергия солнца вызывает изменение погодных условий, вызывающих ветер. Затем ветряные турбины преобразуют энергию ветра в электрическую энергию.
• Гидроэлектроэнергия — это электрическая энергия, вырабатываемая движущейся водой, а вода течет, потому что тепловая энергия солнца вызывает испарение, которое поддерживает движение воды в круговороте воды.
• В настоящее время большая часть человеческой деятельности использует энергию из ископаемых видов топлива, таких как уголь, нефть и природный газ. Эти источники энергии создаются в течение очень длительного периода времени из разложившегося и окаменевшего живого вещества (животных и растений), и энергия в этом живом веществе первоначально поступала от солнца посредством фотосинтеза.

Солнце посылает на Землю за один час больше энергии, чем требуется всей планете за год.

Представьте, если бы мы могли улавливать эту энергию напрямую и преобразовывать ее в форму, которая могла бы питать наши города, дома и автомобили!

Многие ученые во всем мире изучают, как мы можем улучшить использование солнечной энергии.

Одним из способов является использование солнечных тепловых панелей для сбора тепловой энергии для нагрева воздуха и воды.

Другим способом является использование фотогальванических (PV) элементов , также называемых солнечными элементами, для прямого преобразования солнечного света в электричество («фотогальванический» по существу означает «световое электричество»).

Фотоэлементы

используют такой материал, как кремний, для поглощения энергии солнечного света. Энергия солнечного света заставляет некоторые электроны отрываться от атомов кремния в ячейке.

Из-за того, как сделан солнечный элемент, эти свободные электроны перемещаются к одной стороне элемента, создавая отрицательный заряд и оставляя положительный заряд на другой стороне.

Когда ячейка подключена к цепи с проводами, электроны будут течь по проводам от отрицательной стороны к положительной, как в батарее — этот поток электронов представляет собой электричество, и он питает нагрузку (лампочку, двигатель и т. д.) вы подключаетесь к его пути.

Сегодня фотоэлементы

по-прежнему способны улавливать лишь небольшую часть солнечной энергии. Им требуются огромные акры открытого пространства, чтобы собрать достаточно света для производства энергии в больших масштабах.

Необходимо провести гораздо больше научной работы, чтобы сделать их более эффективными и занимающими меньше места.

Несмотря на проблемы, солнечные панели используются для питания многих устройств, таких как аварийные знаки, школьные светофоры и многое другое. Многие люди также могут снабжать свои дома энергией, устанавливая солнечные батареи на крыше, и это будет только проще, поскольку технология продолжает развиваться.

Проекты солнечной энергетики:

Знакомьтесь с людьми солнечной силы!

Отказ от ответственности: этот материал хранится в сети в исторических целях. Хотя он точен на момент публикации, он больше не обновляется.Страница может содержать неработающие ссылки или устаревшую информацию, а некоторые ее части могут не работать в текущих веб-браузерах.

Почти вся энергия для питания нашей планеты исходит от Солнца. Но вместо того, чтобы использовать солнечную энергию, хранящуюся в угле и нефти, почему бы не получить ее прямо из источника?

Эта угольная электростанция выбрасывает в атмосферу много загрязняющих веществ и парниковых газов.

Устранение «посредника»

В Соединенных Штатах большая часть электроэнергии, которую мы используем, производится путем сжигания угля или нефти.К сожалению, сжигание угля и нефти приводит к образованию двуокиси углерода, парникового газа , который способствует глобальному потеплению.

Однако некоторое количество электричества производится с использованием чистых источников энергии, таких как ветер и солнечный свет. Таким образом, нам нужно производить гораздо больше электроэнергии.

Сейчас многие люди устанавливают солнечные электрические системы в своих домах. На крыше установлены солнечные панели, покрытые солнечными батареями, вроде маленьких стеклянных пластин. Когда на них падает солнечный свет, они превращают часть его в электричество, которое по проводам подается в электрические цепи дома.

Когда солнечный свет попадает на солнечную панель, энергия выбивает часть электронов из атомов в материале. Электроны текут в цепи дома.

Солнечные панели только на части крыши могут обеспечить большую часть электричества для работы дома.

Добровольцы в Окленде, штат Калифорния, помогают устанавливать солнечные батареи в домах.

Солнечные панели, покрывающие даже небольшую площадь на крыше, могут обеспечить большую часть электричества для работы холодильника, освещения, отопления, телевизора и других энергоемких устройств в доме.Производство электричества из солнечного света не приводит к образованию углекислого газа и не способствует глобальному потеплению. А после изготовления, оплаты и установки солнечных панелей электроэнергия предоставляется бесплатно!

В Калифорнии люди добровольно помогают установить солнечные батареи в домах тех, кто в противном случае не мог позволить себе их купить. Программа называется «Доступные солнечные дома для одной семьи» или SASH. Организация, спонсирующая программу SASH, называется GRID Alternatives.

Во время специальных мероприятий под названием «Солартоны» волонтеры в течение дня устанавливали солнечные электрические системы в домах.Группа также работает над сбором средств для расширения деятельности GRID Alternatives по всей Калифорнии.

На данный момент они установили 540 солнечных электрических систем, которые сокращают счета за электричество для каждой семьи на 75%. В течение следующих 30 лет эти системы предотвратят выброс в атмосферу около 46 668 тонн парниковых газов.

Добровольцы Solarthon 2010 только что помогли большему количеству семей снизить счета за электроэнергию и помочь окружающей среде.

От света к теплу и к электричеству

Энергия, хранящаяся в угле и нефти, началась с Солнца, потому что уголь и нефть появились как растения и животные.

Растения используют энергию Солнца в процессе, называемом фотосинтезом, для создания сахаров, которые хранятся в качестве пищи. Животные едят растения и других животных. Растения умирают. Животные, которые едят растения, умирают. Их останки хоронят, прессуют и готовят в земной коре.

Через миллионы лет они становятся углем и нефтью. Но они по-прежнему хранят большую часть первоначальной энергии Солнца.

Еще один способ использования солнечной энергии — тепловые электростанции.Солнечный свет отражается от поверхности больших изогнутых зеркал и отражается к единственному фокусу в их центре.

Или можно расположить несколько зеркал, чтобы солнечный свет отражался в фокусе в центре. Эта энергия используется для нагрева воды и производства пара, который затем приводит в действие турбину.

Тогда электричество производится так же, как если бы вода нагревалась углем или нефтью, только без парниковых газов!

Солнце | Учебный

На следующие вопросы ответил астроном Др.Кэти Имхофф из Научного института космического телескопа.

Какого размера солнце?
Довольно большой! Его диаметр составляет около 860 000 миль. Вы можете выстроить 109 Земель по диаметру Солнца!

Насколько тяжело солнце?
Вот это тяжелый вопрос! Солнце весит 4,4 с последующими 30 нулями фунтов! Для сравнения, Земля весит 1,3 фунта с последующими 25 нулями. Значит, вес Солнца равен 340 000 земных!

Насколько велико ядро ​​Солнца?
Диаметр Солнца составляет около 860 000 миль.(Нашей машине потребовалось бы 1,5 года, чтобы проехать через него!) То, что мы называем ядром солнца, — это его внутренняя часть, где высвобождается ядерная энергия. Это источник энергии, которую мы видим в виде солнечного света. Ядро составляет около одной четверти размера Солнца, или около 200 000 миль в поперечнике. Это все еще довольно много! Земля имеет всего около 8000 миль в поперечнике.

Как образовалось солнце?
Мы считаем, что Солнце образовалось из большого облака газа и пыли. Облако было темным и холодным, и его гравитация заставляла его падать вместе.Газ, собравшийся в центре, нагревался от всего падающего на него газа. Когда почти весь газ и пыль собрались вместе, центр стал очень горячим и очень плотным — наше Солнце. Часть оставшегося газа и пыли, двигавшихся по орбите вокруг этого маленького солнца, стала планетами.

Как солнце получает свои газы?
Большая часть того, из чего состоит Вселенная, — это газ, в основном газообразный водород. Когда сформировалось Солнце, оно сформировалось из облака газа. Однако его гравитация очень сильно удерживает его вместе, делая его горячим и плотным.

Как далеко мы от солнца?
Земля (и мы) находятся примерно в 93 000 000 миль от Солнца. Чтобы дать вам представление о том, насколько это далеко, предположим, что мы могли бы построить шоссе и доехать на машине до солнца. Поедем со скоростью 65 миль в час. Чтобы добраться туда, потребуется более 160 ЛЕТ!

Насколько жарко на солнце?
Поверхность Солнца имеет температуру около 10 000 градусов по Фаренгейту (5770 градусов по Кельвину). Это может показаться очень жарким, но еще горячее внутри солнца.

Какова температура ядра Солнца?
Ядро Солнца очень горячее — около 27 миллионов градусов по Фаренгейту (15 миллионов градусов по Кельвину). Это из-за огромного давления веса Солнца, давит на ядро, равного 333 000 Земли. В фунтах это 9 с 29 нулями!

Как измерить, насколько горячо солнце, если вы не можете приблизиться к измерению?
Один из способов — изучить спектр Солнца, то есть разложить его свет с помощью призмы.Радуга — это спектр, возникающий, когда солнечный свет проходит через капли дождя, которые действуют как маленькие призмы. Если мы проделаем это с помощью специального прибора, называемого спектрографом, то увидим, что по всему спектру Солнца проходят тонкие темные линии. Ученые исследовали различные элементы на Земле, поэтому мы можем выяснить, какой газ, скажем, водород, дает начало темным линиям. Оказывается, каждый элемент имеет уникальный набор темных линий, как отпечатки пальцев. Мы можем использовать их, чтобы выяснить, из чего состоят солнце и звезды.Они также показывают нам, насколько горячие газы.

Другой способ — посмотреть на солнечный свет и измерить, сколько света находится в синей части спектра, в желтой, в красной. Чем горячее что-то, тем больше света оно испускает в синем цвете по сравнению с красным. Все эти методы показывают нам, что поверхность Солнца имеет температуру около 10 000 градусов по Фаренгейту!

Как близко можно подобраться к солнцу, не обгорев?
Не очень близко! Вы когда-нибудь получали солнечные ожоги? Это прямо здесь, на земле, где атмосфера защищает вас. В космосе у вас не было бы защиты от солнечного ультрафиолета (на Земле нас защищает озоновый слой). Если бы вы могли отправиться в космос без скафандра, вы бы сильно обгорели на солнце.

Насколько близко люди подошли к солнцу?
До сих пор люди облетали Землю на космических кораблях и шаттлах, но это всего лишь несколько сотен миль вверх. Несколько лет назад астронавты НАСА отправились на Луну, которая находится на расстоянии около 250 000 миль. Но это все. Мы еще не посетили другие планеты и не приблизились к Солнцу.Для сравнения, Солнце находится на расстоянии 93 000 000 миль — намного, намного дальше, чем Луна.

Как ученые определяют слои Солнца?
Внешние слои, которые мы можем видеть, — это корона, хромосфера и фотосфера. Мы можем использовать методы, которые я описал выше, для измерения их температуры. Внутри солнца тоже есть слои, но мы их не видим. Мы знаем о них только из подробных математических моделей недр Солнца. Мы тестируем эти модели, чтобы убедиться, что они точно отражают то, как выглядит и ведет себя солнце.Они дают нам лучшее «предположение» о том, что происходит внутри Солнца.

Какая ближайшая к Земле звезда, кроме нашего Солнца?
Это будет двойная звезда Альфа Центавра. Это самая яркая звезда в созвездии Центавра, которую, к сожалению, мы не можем увидеть из США, так как она находится в южной части неба.

Альфа Центавра состоит из двух звезд, вращающихся вокруг друг друга. Они почти близнецы, а также очень похожи на наше солнце. Две звезды совершают оборот друг вокруг друга за 80 лет.

Существует третья звезда, Проксима Центавра, которая может вращаться вокруг двух других звезд. Это тусклая холодная звезда, но она находится немного ближе к нам, чем две другие. Отсюда и имя Проксима.

Если в космосе нет кислорода, как горит солнце? Разве вещам не нужен кислород, чтобы гореть?
В космосе нет кислорода. Тогда как солнце может гореть? Ответ на этот вопрос заключается в том, что солнце не палит так, как мы обычно думаем о вещах. Энергия и свет Солнца исходят от ядерных реакций глубоко внутри Солнца, которые происходят при невероятно высоких температурах в миллионы градусов! Эта энергия держит все солнце горячим, хотя на поверхности ТОЛЬКО около 10 000 градусов по Фаренгейту. Все, что горячее, будет светиться и излучать свет, поэтому солнце яркое и выглядит так, будто оно горит.

Почему утром солнце оранжевое, а днем ​​ярко-белое?
Если вы посмотрите на солнце, когда оно впервые восходит утром или садится вечером, вы увидите, что оно проходит через большую часть земной атмосферы.Воздух рассеивает свет, но больше всего он рассеивает синий и зеленый свет. Почему небо голубое? Потому что это весь синий солнечный свет, рассеянный в воздухе! В середине дня солнце кажется белым, потому что рассеивается не так много синего света. А вот утром и вечером большая часть синего и зеленого света рассеивается. Если из белого убрать синий и зеленый, то получится оранжевый и красный. Вы, наверное, замечали, что утром и вечером солнце кажется более тусклым, чем в середине дня. Это правильно, потому что часть света рассеивается.

Почему Солнце не похоже на другие звезды?
На самом деле Солнце очень похоже на другие звезды. Но это гораздо ближе. Ближайшая к Солнцу звезда, Альфа Центавра, находится более чем в 200 000 раз дальше! Если мы поместим солнце на такое расстояние, оно будет выглядеть как Альфа Центавра!

Земля удаляется от Солнца?
Нет, я не думаю, что Земля удаляется от Солнца.Он находился на орбите примерно на том же расстоянии в течение очень долгого времени, иначе жизнь здесь не выжила бы.

Что будет с солнцем?
Мы думаем, что примерно через 4,5 миллиарда лет в центре Солнца закончится водород. Источником энергии Солнца (и большинства других звезд) являются ядерные реакции, превращающие водород в гелий. Тогда центр звезды схлопнется, но только наполовину. Внешняя часть раздуется, как воздушный шар, и наше Солнце станет «красным гигантом».«Поверхность будет выглядеть красной и будет немного холоднее, чем сейчас, но она станет большой — вероятно, она расширится до орбиты Меркурия. В этот момент Солнце может использовать ядерные реакции гелия. что оно сделало ранее, и преобразовать его в углерод. Когда иссякнут ядерные реакции, которые могут происходить в центре, солнце не сможет производить много энергии. Поэтому оно разрушится, но мы думаем, что оно станет » белый карлик» — маленькая, но горячая звезда размером с Землю! Затем белый карлик будет медленно отдавать свое тепло, становясь все тусклее и холоднее, пока в конце концов не останется только звездный пепел.Все это заняло бы многие миллионы лет.

Когда Солнце станет красным гигантом, в Солнечной системе будет намного жарче! Вероятно, Меркурий испарится, а Венера и Земля обуглятся. Облака внешних планет, вероятно, сгорели бы.

Мы думаем, что только действительно массивные, большие звезды могут стать черными дырами. Когда они состарятся, они претерпят аналогичные (хотя и более сложные) изменения. Но когда очень массивная звезда коллапсирует, ее гравитация может быть настолько велика, что она сжимает свою массу в точку — черную дыру.

Черная дыра по-прежнему имеет ту же гравитацию, что и звезда, которая ее создала. Таким образом, это повлияет только на то, что находится поблизости, как и на звезду, за исключением того, что если вы подойдете слишком близко, уменьшите масштаб дыры! Но если бы у звезды были планеты, они, вероятно, могли бы продолжать двигаться по своим орбитам, если ничего не изменилось. И нет, вся галактика не будет поглощена. Мы думаем, что в центре многих галактик могут быть большие черные дыры, но они все еще недостаточно велики для этого.

Если солнце такое жаркое, почему оно просто не сгорает?
Звезда может существовать, потому что тепло, которое она генерирует внутри в результате ядерных реакций, выталкивается наружу, но это уравновешивается ее гравитацией, которая тянет внутрь.Для такой звезды, как наше Солнце, эти силы находятся в равновесии. Мы думаем, что действительно большая звезда, израсходовав все свое ядерное топливо, рухнет, и ничто не сможет ее остановить. Гравитация возьмет верх, и вся материя звезды рухнет в точку. Рядом с этой точкой гравитация настолько сильна, что даже свет не может вырваться. Вот почему это ЧЕРНАЯ дыра — нет света. Хотя это может показаться довольно безумным, мы думаем, что нашли черные дыры в центрах некоторых галактик!

Солнце не сгорает, потому что его источником энергии является ядерная энергия.В центре звезды существуют огромные температуры (12 миллионов градусов!) и давления, которые помогают производить ядерный синтез. Водород превращается в гелий и выделяется энергия. На Солнце много водорода. Мы знаем, что Солнцу около 4,5 миллиардов лет, и мы подсчитали, что у него есть еще около пяти миллиардов лет, прежде чем в нем закончится водород. Так что когда-нибудь у него кончится топливо — к счастью для нас, это не произойдет в течение ДОЛГОГО времени.

Почему Солнце не уходит в другую галактику?
Наша галактика состоит из миллиардов звезд.Они «висят вместе» из-за своей гравитации. Таким образом, наше солнце удерживается на своем пути в нашей галактике гравитацией всех этих других звезд. Вы видели изображение спиральной галактики? Мы считаем, что именно так выглядит Млечный Путь. Солнце находится на орбите в нашей галактике. Она движется (и другие звезды тоже) по огромному кругу вокруг центра галактики. Чтобы он сделал один оборот, требуется около 200 миллионов лет!

Если Солнце взорвется, как это повлияет на другие планеты?
Во-первых, позвольте мне заверить вас, что солнце не взорвется в ближайшее время! Примерно через пять миллиардов лет у Солнца закончится энергия.Но нам не о чем беспокоиться. Если бы Солнце стало сверхновой, взрыв, вероятно, уничтожил бы планеты. К счастью, Солнце слишком маленькое, чтобы стать сверхновой.

Если бы у солнца закончилась энергия, оно перестало бы излучать свет. Тогда здесь будет очень холодно и темно! Солнце, так или иначе, является источником энергии для всех нас.

Солнечные пятна похожи на магниты?
Солнечные пятна образуются из-за петель магнитных полей на Солнце. Петля, которая имеет северный полюс и южный полюс, как магнит, каким-то образом удерживает эту часть поверхности Солнца от такой же горячей, как остальная часть, делая ее темной по сравнению с остальной частью Солнца. Мы до сих пор не уверены, откуда берутся петли магнитного поля, за исключением того, что они возникают изнутри Солнца.

Скажите, насколько глубоки солнечные пятна?
Я думаю, что они довольно мелкие (не такие глубокие, как широкие). Каким-то образом сильные магнитные поля в солнечных пятнах уменьшают количество света, проходящего изнутри солнца через пятно, поэтому оно холоднее, чем окружающая поверхность солнца, и выглядит темнее.Но все равно довольно жарко. Температура около 8000 градусов по Фаренгейту в этом месте и около 10000 градусов на окружающей поверхности солнца!

Влияет ли количество синтеза в ядре Солнца на температуру?
Количество ядерного синтеза, которое происходит внутри Солнца, является источником всей энергии, которую мы получаем от Солнца. Это также источник, так или иначе, почти всей энергии, которую мы используем на Земле. Так что, если бы количество синтеза уменьшилось, то энергия солнца ушла бы вниз.Вероятно, поверхность Солнца была бы более прохладной. И на земле ОБЯЗАТЕЛЬНО стало бы прохладнее. К счастью, на Солнце уже миллиарды лет происходит ядерный синтез с довольно постоянной скоростью, и мы полагаем, что он будет продолжаться еще несколько миллиардов лет.

DOE объясняет… Реакции ядерного синтеза | Министерство энергетики

Реакции ядерного синтеза питают Солнце и другие звезды. В реакции синтеза два легких ядра сливаются, образуя одно более тяжелое ядро.В процессе высвобождается энергия, потому что общая масса образовавшегося одиночного ядра меньше массы двух исходных ядер. Оставшаяся масса становится энергией. Уравнение Эйнштейна (E=mc ² ), в котором частично говорится, что масса и энергия могут превращаться друг в друга, объясняет, почему происходит этот процесс. Если ученые разработают способ использования энергии синтеза в машинах на Земле, это может стать важным методом производства энергии.

Слияние может включать множество различных элементов таблицы Менделеева.Однако исследователи, работающие над приложениями энергии синтеза, особенно заинтересованы в реакции синтеза дейтерия-трития (DT). В результате синтеза DT образуются нейтрон и ядро ​​гелия. При этом выделяется гораздо больше энергии, чем в большинстве термоядерных реакций. В потенциальной будущей термоядерной электростанции, такой как токамак или стелларатор, нейтроны от DT-реакций будут генерировать энергию для нашего использования. Исследователи сосредотачиваются на реакциях DT потому, что они производят большое количество энергии и происходят при более низких температурах, чем другие элементы.

Департамент науки и термоядерных реакций Министерства энергетики США

Программа Департамента энергетики по науке о термоядерной энергии (FES) направлена ​​на разработку практического источника термоядерной энергии. Для этого FES сотрудничает с другими программами Office of Science. Они работают с программой Advanced Scientific Computing Research, чтобы использовать научные вычисления для развития науки о термоядерном синтезе, а также с программой ядерной физики по базам данных ядерных реакций, генерации ядерных изотопов и исследований в области нуклеосинтеза.FES также сотрудничает с Национальным управлением ядерной безопасности Министерства энергетики США для проведения фундаментальных исследований термоядерных реакций в поддержку миссии Министерства энергетики по управлению ядерными запасами.

Факты о термоядерной реакции

• Международный эксперимент по термоядерной энергии ITER станет первой попыткой ученых создать самоподдерживающуюся термоядерную реакцию в течение длительного времени. «Горящая плазма» в ИТЭР будет нагреваться за счет термоядерных реакций, происходящих в самой плазме.
• Эксперименты по термоядерным реакциям в Национальном центре воспламенения Министерства энергетики в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса требуют, чтобы 192 лазерных луча были направлены на мишень DT размером меньше горошины.Это все равно, что нанести идеальный удар в бейсболе с насыпи питчера в 350 милях от тарелки.

Ресурсы и связанные термины

Благодарности

Мэтью Ланктот (Управление науки Министерства энергетики США)

Научные термины могут сбивать с толку. Объяснения DOE предлагают простые объяснения ключевых слов и понятий в фундаментальной науке. В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики, помогая Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях во всем научном спектре.

Объяснение ядерной энергетики — Управление энергетической информации США (EIA)

Ядерная энергия – это энергия ядра атома

Атомы — это мельчайшие частицы в молекулах, из которых состоят газы, жидкости и твердые тела. Сами атомы состоят из трех частиц, называемых протонами, нейтронами и электронами. Атом имеет ядро ​​(или ядро), содержащее протоны и нейтроны, которое окружено электронами. Протоны несут положительный электрический заряд, а электроны несут отрицательный электрический заряд.Нейтроны не имеют электрического заряда. Огромная энергия присутствует в связях, которые удерживают ядро ​​вместе. Эта ядерная энергия может быть высвобождена, когда эти связи разорваны. Связи могут быть разорваны посредством ядерного деления, и эта энергия может быть использована для производства (генерации) электричества.

Солнце представляет собой гигантский шар газообразного водорода, который подвергается синтезу и выделяет при этом огромное количество энергии.

Источник: НАСА (общественное достояние)

При делении ядер атомы расщепляются, что приводит к высвобождению энергии.Все атомные электростанции используют ядерное деление, и большинство атомных электростанций используют атомы урана. При делении ядра нейтрон сталкивается с атомом урана и расщепляет его, высвобождая большое количество энергии в виде тепла и излучения. При расщеплении атома урана высвобождается больше нейтронов. Эти нейтроны продолжают сталкиваться с другими атомами урана, и этот процесс повторяется снова и снова. Этот процесс называется цепной ядерной реакцией. Эта реакция контролируется в реакторах атомных электростанций для производства желаемого количества тепла.

Ядерная энергия также может быть высвобождена при ядерном синтезе, когда атомы объединяются или сплавляются вместе, образуя более крупный атом. Термоядерный синтез является источником энергии Солнца и звезд. Разработка технологии использования ядерного синтеза в качестве источника энергии для производства тепла и электроэнергии является предметом текущих исследований, но пока неясно, будет ли эта технология коммерчески жизнеспособной из-за сложности контроля реакции синтеза.

Ядерное топливо — уран

Уран является топливом, наиболее широко используемым атомными электростанциями для ядерного деления.Уран считается невозобновляемым источником энергии, несмотря на то, что он широко распространен в горных породах по всему миру. Атомные электростанции используют в качестве топлива определенный вид урана, называемый U-235, поскольку его атомы легко расщепляются. Хотя уран встречается примерно в 100 раз чаще, чем серебро, U-235 встречается относительно редко.

Большая часть урановой руды США добывается на западе США. После добычи урана U-235 должен быть извлечен и переработан, прежде чем его можно будет использовать в качестве топлива.

Последнее обновление: 14 июля 2021 г.

.