Лучистая зона солнца давление

Внутреннее строение солнца

Внутреннее строение Солнца можно условно разделить на три зоны по характеру процессов, которые связаны с выделением и передачей энергии.

Солнечное ядро

Ядро – это центральная часть звезды. Оно имеет радиус 150 – 175 тыс. км, что составляет 20 – 25% солнечного радиуса. Ядро, по сути, является термоядерным реактором, ибо реакции такого типа в нём и происходят. Плотность ядра в 150 раз превышает плотность воды, а температура центра его больше 14 000 000° К. Скорость вращения звезды вокруг своей оси в ядре заметно выше, нежели на поверхности. Каждую секунду посредством термоядерной реакции в излучение обращаются 4,26 млн. тонн вещества. Но топлива солнечной кочегарки достаточно для нескольких миллиардов лет работы.

Зона лучистого переноса

В этой зоне перенос энергии происходит главным образом с помощью излучения и поглощения фотонов. При этом направление каждого конкретного фотона, излучённого слоем плазмы, никак не зависит от того, какие фотоны плазмой поглощались, поэтому он может как проникнуть в следующий слой плазмы в лучистой зоне, так и переместиться назад, в нижние слои. Из-за этого промежуток времени, за который многократно переизлучённый фотон (изначально возникший в ядре) достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем этот срок составляет для Солнца 170 тыс. лет

Конвективная зона

Следующую, внешнюю, область Солнца занимает конвективная зона. Ближе к поверхности Солнца температуры и плотности вещества уже недостаточно для полного переноса энергии путём переизлучения. Возникает вихревое перемешивание плазмы, и перенос энергии к поверхности (фотосфере) совершается преимущественно движениями самого вещества.

С одной стороны, вещество фотосферы, охлаждаясь на поверхности, погружается вглубь конвективной зоны. С другой стороны, вещество в нижней части получает излучение из зоны лучевого переноса и поднимается наверх, причём оба процесса идут со значительной скоростью. Такой способ передачи энергии называется конвекцией, а подповерхностный слой Солнца толщиной примерно 200 000 км, где она происходит, — конвективной зоной. По мере приближения к поверхности температура падает в среднем до 5800 К, а плотность газа до менее 1/1000 плотности земного воздуха.

Источник

§21.2. Строение Солнца

Как и все звезды, Солнце — раскаленный газовый шар. В основном оно состоит из водорода с примесью 10% (по числу атомов) гелия. Количество атомов всех остальных элементов вместе взятых, примерно в 1000 раз меньше Однако по массе на эти более тяжелые элементы приходится 1—2% массы Солнца.

На Солнце вещество сильно ионизовано, т. е. атомы лишены внешних своих электронов, которые становятся свободными частицами ионизованного газа — плазмы.

Для определения средней плотности солнечного вещества надо массу Солнца поделить на его объем:

это значение соизмеримо с плотностью воды и в тысячу раз больше плотности воздуха у поверхности Земли. Однако в наружных слоях Солнца плотность в миллионы раз меньше, а в центре — в 100 раз больше, чем .

Под действием сил гравитационного притяжения, направленных к центру Солнца, в его недрах создается огромное давление. Если бы вещество внутри Солнца было распределено равномерно и плотность всюду равнялась средней, то рассчитать внутреннее давление было бы легко. Сделаем приближенно такой расчет для глубины, равной половине радиуса.

Сила тяжести на этой глубине будет определяться только притяжением масс, находящихся внутри сферы радиусом l/2R. Объем этой сферы составляет 1/8 от объема всего Солнца, и при постоянстве плотности в нем заключена 1/8М_c. Следовательно, по закону всемирного тяготения гравитационное ускорение на расстоянии 1/2R_c от центра «однородного» Солнца составит:

Сила давления на данной глубине складывается из силы тяжести всех вышележащих слоев. Само же давление будет (численно) равно силе тяжести радиального столбика вещества высотой l/2R, расположенного над площадью S=1 м 2 в рассматриваемой точке. В этом столбике заключена масса

Отсюда получаем, что р = 6,6•10 13 Па.

Согласно газовым законам давление пропорционально температуре и плотности. Это дает возможность определить температуру в недрах Солнца. Для средней плотности солнечного вещества давление в 10 15 Па получится при температуре порядка 5 000 000 К.

Точные расчеты показывают, что в центре Солнца плотность газа составляет около 1,5•10 5 кг/м 3 (в 13 раз больше, чем у свинца!), давление — около 2•10 18 Па, а температура — около 15 000 000 К.

При такой температуре ядра атомов водорода (протоны) имеют очень высокие скорости (сотни километров в секунду) и могут сталкиваться друг с другом, несмотря на действие электростатической силы отталкивания между ними. Некоторые из таких столкновений завершаются ядерными реакциями, при которых из водорода образуется гелий и выделяется большое количество теплоты. Эти реакции являются источником энергии Солнца на современном этапе его эволюции. В результате количество гелия в центральной области Солнца постепенно увеличивается, а водорода — уменьшается. В самом центре Солнца за 4—5 млрд. лет, которые прошли с момента его образования, примерно половина водорода уже превратилась в гелий.

Рис. 74. Схема строения Солнца.

Поток энергии, возникающей в недрах Солнца, передается во внешние слои и распределяется на все большую и большую площадь. Вследствие этого температура солнечных газов убывает по мере удаления от центра Сначала температура уменьшается медленно, а в наружных слоях очень быстро.

В зависимости от значения температуры и характера определяемых ею процессов все Солнце условно можно разделить на 4 области (рис. 74):

внутренняя, центральная область (ядро), где давление и температура обеспечивают протекание ядерных реакций, она простирается от центра до расстояния примерно 1/3 R_c;
«лучистая» зона (расстояние от 1/3 до 2/3R_c), в которой энергия передается наружу от слоя к слою в результате последовательного поглощения и излучения квантов электромагнитной энергии;
конвективная зона — от верхней части «лучистой» зоны почти до самой видимой границы Солнца. Здесь температура быстро уменьшается по мере приближения к видимой границе Солнца, в результате чего происходит перемешивание вещества (конвекция), подобное кипению жидкости в сосуде, подогреваемом снизу;
атмосфера, начинающаяся сразу за конвективной зоной и простирающаяся далеко за пределы видимого диска Солнца. Нижний слой атмосферы включает тонкий слой газов, который воспринимается нами как поверхность Солнца. Верхние слои атмосферы непосредственно не видны и могут наблюдаться либо во время полных солнечных затмений, либо при помощи специальных приборов.

Какова средняя молекулярная масса смеси полностью ионизованного газа состоящего на 90% из водорода и 10% гелия (по числу атомов)?

Источник

Лучистая зона солнца давление

Методика проведения 1 урока
«Солнце»

Цель: формирование фундаментального астрономического понятия «звезда» на примере рассмотрения физической природы и основных характеристик Солнца как ближайшей и наиболее изученной звезды.

Общеобразовательные — формирование понятий:

— об основных характеристиках Солнца как космического тела: массе, размерах, плотности, светимости и солнечной постоянной, движении, вращении, химическом составе и состоянии вещества, магнитном поле, возрасте и т.д.
— о внутреннем строении Солнца (ядре, зонах лучистого переноса и конвекции) и солнечной атмосфере (фотосфере, хромосфере, короне);
— об основных параметрах внутреннего строения (температуре, давлении, плотности газа и т.д.) и возможности расчета этих параметров на основе законов молекулярно-кинетической теории и термодинамики;
— об энергетике Солнца и механизмах переноса энергии из зоны термоядерных реакций в космическое пространство;
— о космических явлениях, наблюдаемых в атмосфере Солнца (грануляция, пятна, факельные поля, протуберанцы, вспышки, солнечный ветер).

1) Формирование научного мировоззрения учащихся:

— в ходе знакомства с определенным типом космических объектов – звездами и при рассмотрении основных физических характеристик Солнца как ближайшей из звезд;
— при изучении материала об энергетике Солнца.

2) Атеистическое воспитание учащихся в результате опровержения мифа о «сотворении мира» в свете данных о природе и возрасте Солнца как звезды, рядовой по своим параметрам.

Развивающие — формирование умений:

— анализировать информацию, объяснять свойства космических объектов на основе важнейших физических теорий;
— решать задачи на расчет основных параметров Солнца с использованием законов механики, молекулярной физики и термодинамики.

Ученики должны знать:

— об основных физических характеристиках Солнца (приближенные значения соответствующих числовых величин;);
— о внутреннем строении (ядре, зонах лучистого переноса и конвекции) и структуре атмосферы (фотосфере, хромосфере, короне) Солнца;
— о возможности расчета параметров внутреннего строения Солнца (температуре, давлении, плотности газа и т.д.) на основе законов физики;
— основные сведения о термоядерных реакциях в недрах Солнца как основе звездной энергетики;
— астрономические величины (солнечная постоянная, температура фотосферы, температура и давление в центре Солнца, массу и размеры Солнца в сравнении с земными).

Ученики должны уметь:

— анализировать учебный материал, использовать обобщенный план для изучения космических объектов, делать выводы;
— решать задачи на расчет основных параметров Солнца с использованием законов механики, молекулярной физики и термодинамики.

Наглядные пособия и демонстрации:

— фотографии, схемы и рисунки телескопического вида Солнца, его внутреннего строения, объектов и явлений в атмосфере Солнца (грануляция, пятна, факельные поля, протуберанцы, вспышки);
— диапозитивы из серия слайд-фильмов «Иллюстрированная астрономия»: «Солнце»; «Солнце и его семья»;
— диафильмы (фрагменты диафильмов): «Солнце и жизнь на Земле»;
— кинофильмы (кинофрагменты): «Солнце»; «Солнце – главный источник энергии на Земле»;
— таблицы: «Солнце»; «Строение Солнца»; «Солнечная система».

1) Изучить материала учебников:
— Б.А. Воронцов-Вельяминова: § 22 (1, 2); упр. 19.
— Е.П. Левитана: §§ 18,19 (1-3), 20; вопросы-задания.
— А.В. Засова, Э.В. Кононовича: § 26 (1-2); упр. 26.5 (1-3).

2) Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. [ 28 ]: 332; 333.

Актуализация астрономических знаний; повторение материала по природоведению (естествознанию), физике и астрономии

Фронтальный опрос, беседа

Изложение нового материала:
1) Основные физические характеристики Солнца.
2) Внутреннее строение и структура атмосферы; объекты и явления, наблюдаемые в солнечной атмосфере.
3) Энергетика Солнца.
4)Расчет параметров вещества в недрах Солнца

Лекция, беседа, рассказ учителя

Закрепление изученного материала. Решение задач

Работа у доски, самостоятельное решение задач в тетради

Подведение итогов урока. Домашнее задание

Методика проведения урока:

Урок начинается с объявления о начале изучения новой, одной из важнейших в курсе астрономии, темы «Солнце и звезды». Учитель объясняет школьникам цель и задачи изучения новой темы: изучение физической природы звезд и звездных систем. Внимание учащихся обращается на следующие положения:

1. Звезды — отдельный самостоятельный тип космических тел, качественно отличающийся от других космических объектов.
2. Звезды – один из наиболее распространенных (возможно, наиболее распространенный) тип космических тел.
3. Звезды сосредотачивают в себе до 90% видимого вещества в той части Вселенной, в которой мы живем и которая доступна нашим исследованиям.
4. Атомы вещества, из которого состоит наша планета и мы сами образовались свыше 6 миллиардов лет назад в недрах звезд.
5. От ближайшей из звезд – Солнца — зависит существование и развитие жизни на Земле.

Затем в ходе фронтального опроса и беседы с учениками мы повторяем и актуализируем знания о природе Солнца и звезд, обретенные школьниками ранее на уроках природоведения, естествознания, физики среднего и старшего звена, и астрономии первого полугодия XI класса. Следует проверить понимание понятий «космические объекты», «космические тела» и «космические системы». Важную роль играет выяснение уровня и особенностей «донаучных» представлений учеников. Учитель внимательно слушает ответы учеников, записывает (фиксирует) наиболее типичные из них (это позволяет установить общий уровень знаний и характерные ошибки (заблуждения) учащихся) и дополняет, исправляет и обобщает сказанное учениками.

Ученикам задают вопросы:

Что такое звезды? Какова их физическая природа (массы, размеры, температура поверхности)? Чем они отличаются от планет и других классов (групп) космических тел?
Почему звезды являются самосветящимися телами? Какие процессы служат источниками энергии звезд? Какие звезды самые горячие: красные или голубые?
Почему мы видим звезды как маленькие светящиеся точки на ночном небе? Каковы истинные масштабы межзвездных расстояний?
В каких единицах измеряют межзвездные расстояния? Определите понятия «световой год» и «парсек».
Что такое Солнце? Каково расстояние от Земли до Солнца? Каковы основные характеристики Солнца — масса, размеры (в сравнении с земными), цвет, температура поверхности, химический состав, состояние вещества и т.д. Чем Солнце отличается от Земли и других планет Солнечной системы?
Дайте определение понятиям «звезда» и «Солнце».

Далее следует лекционное изложение нового материала. Оно начинается с рассмотрения основных физических характеристик и внутреннего строения Солнца как ближайшей и наиболее подробно изученной звезды. Строение Солнца можно продемонстрировать при помощи соответствующей таблицы (при этом экономится учебное время), но для более качественного усвоения материала учениками лучше поэтапно, с соответствующими пояснениями, воспроизвести его на доске (а ученики перерисовывают ее в свои тетради).

Масса Солнца 1,989 × 10 30 кг, в 333434 раз превышает массу Земли и в 750 раз — всех планетных тел Солнечной системы. Радиус Солнца 695990 км, в 109 раз больше земного. Средняя плотность солнечного вещества 1409 кг/м 3 , в 3,9 раза ниже плотности Земли. Ускорение силы тяжести на экваторе 279,98 м/с 2 (28 g). Экватор Солнца наклонен под углом 7,2 њ к плоскости эклиптики. Сидерический период вращения на экваторе равен 25,38 суток и увеличивается по направлению к полюсам (до 32 суток на широте 60 њ ). Внешним слоям Солнца присуще дифференцированное вращение, свойственное жидким и газообразным телам. Солнце обладает магнитным полем со сложной структурой средней напряженностью 1-2 Гс.

Возраст Солнца около 5 млрд. лет.

Видимая звездная величина (блеск) Солнца -26,6 m . Мощность общего излучения Солнца 374 × 10 21 кВт, среднее значение солнечной постоянной 0,13 Дж/с × см 2 . Светимость Солнца 4 × 10 20 Вт. Земля получает 1/2000000000 часть солнечной энергии: на площадку в 1 м 2 , перпендикулярную солнечным лучам за пределами земной атмосферы приходится 1,36 кВт лучистой энергии.

Температура видимой поверхности (фотосферы) Солнца 5770 К. Спектральный класс Солнца G2, абсолютная звездная величина + 4,96 m .

Химический состав Солнца: водород — 71 %, гелий — 26,5 %, остальные элементы 2,5 %. Солнце не содержит в своем составе неизвестных на Земле химических элементов.

Агрегатное состояние солнечного вещества – ионизированный атомарный газ (плазма). Вглубь Солнца, с увеличением температуры и давления, степень ионизации растет вплоть до полного разрушения атомов в ядре Солнца.

Внутреннее строение Солнца:

Рис. 22. Внутреннее строение Солнца

1. Ядро (зона термоядерных реакций) — центральная область, простирающаяся на 1/3 радиуса Солнца от его центра, вблизи которого при давлении до 2 × 10 18 Па, температуре 1,5- 1,6 × 10 7 К и плотности плазмы до 16 г/см 3 протекают термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия, сопровождающиеся выделением колоссальной энергии. Ядро вращается как единое твердое тело с периодом 22-23 суток.

2. Зона лучистого переноса (расстояния от 1/3 до 2/3 R ¤ ) – область, в которой выделяющаяся в солнечном ядре энергия передается наружу, от слоя к слою, в результате последовательного поглощения и переизлучения электромагнитных волн. Плавно распределяясь по возрастающему объему вещества, энергия (и, в соответствии с законом Вина, длина) электромагнитных волн постепенно уменьшаются от 10 -11 -10 -12 Дж ( g — и жесткое рентгеновское излучение) на границе с ядром до 10 -16 Дж (жесткий ультрафиолет) на границе с конвективной зоной, где плотность плазмы составляет около 0,16 г/см 3 при давлении до 10 13 Па и температуре до 10 6 К.

3. Зона конвекции (0,29 R ¤ ) простирается почти до самой видимой поверхности Солнца. В ней происходит непрерывное перемешивание (конвекция) солнечного вещества со скоростью от 1 м/с в глубине зоны до 2-3 м/с на границе с фотосферой. Помимо вертикальных, восходящих и нисходящих потоков плазмы, в конвективной зоне наблюдаются локальные, зональные и меридиональные течения от экватора к полюсам со скоростью до 30 м/с. Взаимодействие этих движений солнечного вещества порождает эффект динамо-механизма, порождающего магнитное поле Солнца. В энергию магнитного поля преобразуется до 0,1 % от всей поступающей в конвективную зону тепловой энергии Солнца. На дне конвективной зоны с 22-летней периодичностью накапливается намагниченная плазма, образующая мощный магнитный слой. Ряд ученых предполагает существование выше него еще нескольких зон генерации магнитных полей; самая верхняя обладает квазидвухлетней периодичностью. У границы с фотосферой формируются ячейки супергрануляции; в области интенсивного перемешивания вещества генерируются мощные акустические (звуковые) колебания. На глубины 0,8-0,9 R ¤ появляются первые нейтральные атомы – сначала гелия, затем водорода, выше их концентрация увеличивается.

Выше простирается атмосфера Солнца, в которой выделяется ряд следующих областей:

Фотосфера (4) — слой газов толщиной 350-700 км. В нижнем слое фотосферы, обладающем температуре 8000 К при давлении солнечного вещества до 10 6 Па наблюдается гранулы — ячейки верхнего яруса конвективной зоны размерами около 700 км и временем существования до 8 минут — восходящие потоки раскаленных газов. Гранулы разделяются темными промежутками шириной до 300 км. В «обращающем слое» — «видимой поверхности» Солнца при температуре 5770 К формируется все приходящее к Земле солнечное электромагнитное излучение в интервале длин волн от 10 -13 до 5 × 10 -2 м с максимумом энергетической светимости в области l = 5,55 × 10 -7 м (желтая часть спектра). На фоне непрерывного спектра излучения глубин Солнца наблюдаются черные линии поглощения атомарных газов солнечной фотосферы, называемых фраунгоферовыми линиями. Уменьшение температуры в верхних слоях фотосферы до 4000 К порождает потемнение солнечного диска к краям светила. Светлые участки фотосферы (6), на которых поверхность Солнца разогрета до 7000-10000 К, называются факельными полями (флоккулами). Отдельные участки фотосферы с пониженной до 4000-4500 К температурой по контрасту с раскаленной окружающей поверхностью воспринимаются как черные солнечные пятна (7).

Фотосфера условно считается «видимой поверхностью» Солнца (хотя на самом деле это тонкий слой раскаленного ионизированного газа) потому, что в вышележащих слоях солнечной атмосферы плотность вещества уменьшается настолько, что мы видим фотосферу Солнца сквозь эти слои, которые можем наблюдать лишь в особых обстоятельствах или при помощи специальных приборов.

Хромосфера (5) толщиной около 10 4 км наблюдается во время полных солнечных затмений как красноватое кольцо вокруг Солнца. Температура вещества повышается от нижней хромосфере падает до 5000 К (при давлении газа около 0,1 Па), а затем в средней и верхней хромосфере возрастает до 10000 К (при давлении 6 × 10 -2 Па). Выше 1500 км хромосфера представляет собой совокупность сравнительно плотных и горячих (6000-15000 К) газовых струй и волокон. На высоту 4000-5000 км со скоростью 20 км/с поднимаются редкие изолированные столбы солнечного вещества – хромосферные спикулы диаметром 500-3000 км, занимающие до 0,5 % солнечной поверхности. На высоту от 10 4 –10 5 км вздымаются протуберанцы (8) — сравнительно холодные плотные облака солнечного вещества разнообразной, часто причудливой формы. Время от времени наблюдаются хромосферные вспышки – термоядерные взрывы с выделением энергии до10 25 Дж (9).

В узком переходном слое между хромосферой и короной ионизированные частицы солнечного вещества ускоряются в магнитном поле, и характеризующая их скорость кинетическая температура быстро возрастает до 10 6 К.

Корона (10) – внешняя, наиболее разреженная часть солнечной атмосферы, обладает очень сложной и постоянно изменяющейся структурой. Корона разделяется на внутреннюю (Т × 10 6 К) и внешнюю (Т × 10 6 К), образующую на расстоянии в несколько радиусов Солнца поток солнечного вещества — заряженных частиц (е — , р) и электромагнитного излучения — солнечный ветер, «дующий» со скоростью от 350-400 км/с на экваторе до 700 км/с на полюсах Солнца.

Далее можно в общих чертах ознакомить учеников с энергетикой Солнца (или рассмотреть этот материал позже на уроке «Эволюция звезд»). К сожалению, изложение материала темы «Солнце и звезды» опережает по времени изучение основ атомной и ядерной физики. Это облегчает изучение материала о термоядерных реакциях в курсе физики, но сильно затрудняет формирование понятий об энергетике звезд.

Ниже мы предлагаем 2 варианта изложения материала с опорой на сведения об основных физических характеристиках и химическом составе Солнца. Рассказывая о термоядерных реакциях превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия в недрах Солнца, нужно постоянно оговариваться, что родственные им термоядерные реакции происходят в недрах всех остальных звезд. Ученики должны осознать, что энергетике Солнца и звезд имеет одну природу.

1. Упрощенный вариант изложения материала, рассчитанный на учащихся «обычных» и гуманитарных классов:

Солнце и звезды светят потому, что в их недрах происходят термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия.

Вы уже знаете, что массы звезд в сотни тысяч раз, в миллионы раз превышают массу Земли. Такая огромная масса порождает очень сильное давление верхних слоев вещества звезды на вещество вблизи её центра. Температура и давление вглубь звезды очень быстро растут: так, если температура видимой поверхности Солнца составляет около 6 000 К, то к центру Солнца она возрастает до 15 000 000 К при давлении до 2 × 10 18 Па! В недрах более массивных звезд температура и давление еще выше.

Звезды почти целиком состоят из водорода и гелия: Солнце содержит 71% водорода, 26,5% гелия и лишь 2,5% других, более тяжелых химических элементов.

Под действием высоких температур и давлений в центрах звезд ядра атомов водорода — протоны — сближаются так тесно, что силы ядерного притяжения преодолевают силы электрического отталкивания. В результате этого взаимодействия протоны объединяются, образуя ядра атома гелия. Процесс идет в 3 этапа с огромным выделением энергии (рис. 23).

Рис. 23. Термоядерные реакции в недрах Солнца

Эти термоядерные реакции носят название протон-протонного цикла. В более массивных звездах помимо реакций протон-протонного цикла протекают более мощные термоядерные реакции азотно-углеродного цикла, в которых ядра атомов азота и углерода являются катализаторами термоядерных реакций превращения водорода в гелий.

Водород – «звездное топливо», «сгорающее» в недрах звезд для того, чтобы они могли жить и светить. С течением времени близ центра Солнца и других звезд становится все меньше водорода и все больше гелия.

Чем меньше масса звезды, тем ниже давление и температура в её недрах, тем слабее, с меньшим выделением энергии идут термоядерные реакции, тем дольше «сгорает», превращаясь в гелий, водород в ядре звезды и тем дольше она живет. У красных тусклых звезд-карликов долгий век — они живут десятки миллиардов лет.

Чем больше масса звезды, тем выше давление и температура в её недрах, тем сильнее, с мощным выделением энергии идут термоядерные реакции, тем скорее «сгорает», превращаясь в гелий, водород в ядре звезды и тем меньше она живет. У голубых звезд-сверхгигантов недолгий век — они живут всего лишь десятки миллионов лет.

Наше Солнце — желтая, средняя по своим характеристикам звезда класса G живет уже 5 миллиардов лет, и будет светить еще почти 8 миллиардов лет.

2. Сложный вариант изложения материала, рассчитанный на учащихся физико-математических классов, предусматривающий использование понятийного аппарата ядерной физики:

Энергетика Солнца и звезд основана на термоядерных реакциях — процессах превращения одних элементарных частиц в другие, сопровождающихся синтезом более тяжелых атомных ядер из более легких, протекающих при высоких (Т>10 7 К) температурах и давлениях, с выделением огромного количества энергии.

В недрах нормальных звезд происходят термоядерные реакции превращения ядер атомов водорода в ядра атомов гелия. Общее значение выделившейся энергии, уносимой возникшими в ходе взаимодействия атомных ядер элементарными частицами ( g -квантами, нейтрино и т.д.), эквивалентно разности между суммой масс вступающих в реакцию ядер атомов водорода и массой образующегося ядра атома гелия.

Основными типами реакций, происходящих в недрах звезд, являются:

1. Протон-протонный цикл, протекающий при температурах T 7 К (при описании хода термоядерных реакций сообщаются значения энергии, выделяющейся в ходе каждой отдельной реакции (1 МэВ = 1,6 × 10 -13 Дж) и, в скобках, продолжительность реакции — время, за которое число частиц уменьшается вдвое):

2. Азотно-углеродный цикл (CNO), в котором ядра атомов азота и углерода играют роль катализаторов реакции и протекающей при температурах свыше 1,8 × 10 7 К с установлением равновесных концентраций изотопов 14 N (95 %), 12 С (4 %), и 13 С (1 %) по массе:

Для звезд с массой М

М ¤ основным являются протон-протонный цикл, для массивных звезд (M > M ¤ ) основным являются азотно-углеродный цикл, протекающий с большей скоростью и большим выделением энергии, чем протон-протонный цикл.

Изложение сведений об энергетике Солнца и звезд позволяет сформировать понятие о космическом процессе существования звезд. Материал может изучаться как на данном занятии, так и на 6 уроке, при изучении сведений об основных параметрах внутреннего строения и эволюции звезд.

Вначале ученикам напоминается определение понятия «существование космических объектов»:

Существование космических объектов — квазистационарное состояние равновесия, в котором они пребывают на отдельных, наиболее продолжительных во времени этапах своего развития и которое обеспечивается тем, что все внутренние и внешние силы, действующие на каждую отдельную частицу объекта и весь объект в целом, взаимно уравновешивают друг друга. Существование космических объектов обусловлено внутренними динамическими процессами; все космические объекты, от пылинок межпланетной среды и туманностей до звезд и галактик являются открытыми неравновесными системами, обменивающимися с окружающей средой веществом и энергией.

Существование звезд обусловлено равновесием сил тяготения и упругости (газового давления) (рис. 24).

Рис. 24. Равновесие сил в недрах звезд

Упрощенные пояснения для учащихся «обычных» и гуманитарных классов:

Наше Солнце и другие звезды можно сравнить со сверхмощными — мощностью в миллиарды миллиардов земных водородных бомб! – естественными, природными термоядерными бомбами, непрерывно взрывающимися в течение миллионов и миллиардов лет.

Почему же этот сверхмощный взрыв не разрывает, не распыляет звезду в космическом пространстве? Этому мешает сила всемирного тяготения.

Масса звезд настолько велика, что сила тяготения мешает веществу звезды разлетаться в окружающем пространстве, притягивает его к центру звезды.

На каждую частицу вещества внутри звезды постоянно действуют две силы: одна из них — сила давления световых лучей и раскаленного газа, возникающая в ходе термоядерных реакций в недрах звезды, отталкивает эту частицу вещества прочь от звезды; другая — сила тяготения — стремится притянуть её обратно. Эти силы равны по величине, но противоположны по направлению. Они уравновешивают друг друга миллионы и миллиарды лет.

Солнце и звезды — естественные термоядерные реакторы с гравитационным удержанием плазмы. Термоядерные реакции в недрах Солнца и звезд «саморегулируются»: рост температуры в центре звезды за счет усиления мощности термоядерных реакций ведет к возрастанию газового (лучевого) давления и расширению звезды в пространстве. Увеличение размеров звезды снижает давление вышележащих слоев вещества на нижележащие под действием силы тяжести, что в свою очередь уменьшает температуру и интенсивность термоядерных реакций в центре звезды.

Для учащихся сильных и физико-математических классов подробное рассмотрение основных особенностей космического процесса существования звезд приводится в материале урока «Эволюция звезд».

Далее можно познакомить учащихся с методами расчета внутренних параметров Солнца и звезд на основе газовых законов. Материал может сообщаться как в форме рассказа учителя, так и в виде проблемного задания, решаемого сообща всем классом под общим руководством педагога. Данный вопрос изложения подробно излагается не только во всех учебниках астрономии и соответствующих методических пособиях [ 166 , 167 и т.д.], но и в некоторых учебниках физики для X-XI классов [А.А. Пинского и т.д.]. В нашем пособии эти сведения содержатся в материале урока «Эволюция звезд».

При изложении этого материала полезно использовать схемы, демонстрирующие изменение температуры и давления в недрах Солнца (рис. 25). Их применение помогает объяснить возникновение конвекции, ее роль в переносе энергии от ядра звезды к внешним слоям, а также, на следующем уроке, природу и механизм возникновения солнечных пятен и факельных полей.

Рис. 25. Температура и давление в недрах и атмосфере Солнца

На заключительном этапе урока можно предложить ученикам выполнить 1-3 задания упражнения 3:

Задачи, предложенные В.Б. Дроздовым [ 55 ] (необходимые для решения данные ученики должны найти в учебной и справочной литературе):

За какое время масса Солнца вследствие излучения уменьшится на величину массы Земли? (Ответ: при известной светимости L ¤ = E ¤ (мощности излучения) Солнца в соответствие с СТО масса звезды ежесекундно уменьшается на величину: = 4,26 × 10 9 кг — через 45 млн. лет).
К каким последствиям приведет уменьшение массы Солнца? (Ответ: из II закона Ньютона и закона Всемирного тяготения: и Þ . По закону сохранения момента импульса Þ и . Расстояние до планеты увеличивается, а скорость уменьшается. Период обращения планеты Þ ).

3. Задача, предложенная Э.В. Кононовичем [ 107 ]:

Определить среднюю плотность Солнца (Решение:).

4. Как по Солнцу узнают о «геофизических опасных» днях?

5. Определите температуру и давление в недрах Солнца: а) на границе зон термоядерных реакций и лучистого переноса; б) на границе зон лучистого переноса и конвекции.

Замечания, рекомендации и дополнения к методике проведения урока:

В силу мировоззренческой и научной значимости материала методика формирования знаний о Солнце подробно рассматривалась в работах многих ученых, астрономов, педагогов вузов и учителей.

1. В пособии «Методика преподавания астрономии» [ 173 ] рекомендуется начать изложение материала о Солнце исторической справкой о результатах первых исследований Солнца Г. Галилеем. Далее предполагается упомянуть о том, что солнечное вещество пребывает в состояниях, мало- или вовсе недоступных для воспроизведения в земных лабораториях и указать соответствующие параметры. Методика изложения материала несколько иная, нежели в нашем проекте урока: по мнению авторов, «методически полезно начать формирование общих представлений о Солнце с рассмотрения задачи: зная радиус и массу Солнца, найти температуру, давление и плотность в точке, удаленной на половину радиуса от центра» (с. 171). Далее следует изложение материала об энергетике Солнца, итогом чего должен стать вывод «Солнце и звезды – это своеобразные самоуправляемые термоядерные реакторы». Затем по схеме рис. рассматривается изменение температуры в Солнце и формируются «общие представления» о солнечной атмосфере; обращается внимание на необходимость правильного понимания термина «видимая поверхность» Солнца и объяснение роста температуры в короне.

2. По мнению Г.И. Малаховой [ 24 , с. 57-64], изучение темы «Физическая природа Солнца» следует начинать с определения общих характеристик Солнца. Расстояние от Земли до Солнца и его размеры рассчитывается на основе данных о солнечном параллаксе и видимых угловых размерах диска; масса и средняя плотность Солнца – из III обобщенного закона Кеплера [по нашему мнению, это могут сделать сами ученики в форме домашнего задания, заданного на предшествующем уроке; в классе учитель лишь проверяет и обобщает результаты работы учащихся]. Определение температуры и светимости Солнца по величине солнечной постоянной на основе закона Стефана-Больцмана проводится учителем на доске, а учениками в тетради. Учитель рассказывает о других способах определения температуры космических объектов. Ученики приходят к выводу о том, что вещество на Солнце находится в плазменном состоянии.

Используя фотографии спектров Солнца, водорода, гелия и других химических элементов, учитель объясняет принципы определения химического состава космических тел на основе данных качественного и количественного спектрального анализа. Ученики приходят к выводу о том, что Солнце состоит в основном из водорода и гелия; на доске и в тетрадях записывается их процентное соотношение.

Далее рассматривается внутреннее строение Солнца, источники его энергии и строение атмосферы. Параметры состояния вещества в недрах Солнца рассчитываются на основе законов молекулярно-кинетической теории и термодинамики.

Учитель дает определение солнечной активности, перечисляет ее проявления с демонстрацией соответствующих рисунков и фотографий, объясняет механизм их возникновения и протекания.

Можно предложить учащимся выполнить задания, связанные с работой по определению скорости вращения Солнца и линейных размеров проявлений солнечной активности (пятен, факельных полей, протуберанцев) на основе фотографий Солнца, часть которых может быть сделана самими школьниками (см. материал практических работ на с. 144-145). После выполнения работы учитель предлагает сделать общие выводы о скорости и дифференцированном характере вращения Солнца, масштабах проявлений солнечной активности. Более подробные сведения учащиеся получают дома при самостоятельном изучении материала учебников.

Далее формируются понятия о периодичности проявлений солнечной активности и характеризующем уровень солнечной активности числе Вольфа. Среднюю продолжительность циклов солнечной активности ученики определяют на основе анализа данных об уровне солнечной активности: учитель раздает каждому из учеников (или нескольким небольшим группам учащихся) карточки с результатами подсчета чисел Вольфа за несколько десятков лет, ученики строят графики и выделяют 11-летний и 22-летний циклы; объединив свои данные, они приходят к выводу о существовании «векового» цикла. Полученные знания дополняются при работе с солнечными фотографиями: требуется определить, в какую эпоху солнечной активности был сделан каждый снимок и проверить вывод о зависимости числа и размеров пятен, факельных полей, формы короны и т.д. от уровня солнечной активности.

В завершение изучения темы следует рассказать ученикам о солнечно-земных связях и важности прогнозов уровня солнечной активности, работе Службы Солнца.

3. В статье Т.Ж. Стефановой «Урок на тему «Солнце» [ 275 ] рассматривалась методика проведения соответствующего урока в школах Болгарии, объединявшего материал, сообщаемый на уроках «Общее строение и атмосфера Солнца» и «Солнечная активность и ее влияние на Землю» в российской школе. Структура урока в целом соответствует предложенной нами в данном пособии:

Общие сведения о Солнце.

Строение Солнца (ядро, зона лучистого равновесия, конвективная зона, поверхностный слой – фотосфера, хромосфера, корона).

Химический состав Солнца.

Источник солнечной энергии.

Проявления солнечной активности (пятна, факелы, хромосферные вспышки, протуберанцы).

Циклы солнечной активности.

Солнечно-земные связи и проблемы солнечной активности.

В начале урока ученики сравнивают размеры Солнца и планет Солнечной системы. Для создания соответствующего эмоционального настроя и зрительного образа светила используется материал книги Я.И. Перельмана «Занимательная астрономия» и стихи М.В. Ломоносова; под звуки музыки ученикам демонстрируют цветные слайды о Солнце. Ставится проблема: «знания о центральном теле нашей системы необходимы… поскольку они объясняют полярные сияния, магнитные бури, изменения в сейсмической активности Земли » [последнее не доказано].

Обсуждаются вопросы, связанные с движением Солнца: вращением вокруг своей оси, перемещением относительно ближайших звезд и обращением вокруг центра Галактики.

Схема внутреннего строения Солнца демонстрируется при помощи проектора (эпидиаскопа или кодоскопа). Для рассказа о температуре в недрах и атмосфере Солнца используется схема, подобная приведенной на рис. 26.

Ученики заполняют таблицу 4:

Формы солнечной активности

Действие Солнца на Землю


Ядро	13*10 6
Зона лучистого равновесия
Конвективная зона		Конвективные элементы
Фотосфера	6* 10 3	Гранулы	Пятна, факелы	Видимое излучение	Изменения в климате
Хромосфера	10 5	Спикулы	Флоккулы, хромосферные вспышки	Рентгеновское излучение, космические лучи	Ионизацию верхних слоев, магнитные бури
Корона	2* 10 6	Корональные лучи, корональные конденсации	Протуберанцы	Корпускулярные потоки, солнечный ветер	Полярные сияния

При изучении характеристик атмосферы Солнца перед учениками ставится проблема объяснения повышения температуры в короне. Учащимся сообщается о том, что орбиты Земли и нижних планет лежат внутри солнечной короны. «Из сказанного об атмосфере Солнца делается вывод, что они тесно связаны с процессами в конвективной зоне. При выяснении химическом составе Солнца демонстрируется диапозитив, иллюстрирующий относительное число элементов в нем и обращается внимание на то, что Солнце содержит те же химические элементы, какие есть на Земле. Этот результат интерпретируется как факт, подтверждающий материальное единство Вселенной».

Кратко рассматриваются исторические гипотезы о солнечной энергетике. Термоядерные реакции рассматриваются очень неглубоко, в чисто ознакомительном плане. Так же на чисто качественном уровне излагается материал о проявлениях солнечной активности, механизме их возникновения и, с демонстрацией соответствующего диафильма, о солнечно-земных связях. Поверхностность изложения этих важных вопросов – основной недостаток данного урока, объясняемый нехваткой учебного времени. В заключение урока ученикам предлагается список литературы для самостоятельного изучения вопросов, связанных с эволюцией Солнца.

4. Статью Э.В. Кононовича «Солнце как звезда» об истории расчета внутренних параметров Солнца можно использовать как вспомогательный материал.

5. В статье Е.Ю. Диркова «К изучению темы «Звезды и Солнце» [ 50 ] описывается формирование понятий о законах Вина и Стефана-Больцмана (с выводом законов). Для учащихся XI класса материал сложен, он более подходит для студентов V курса физических факультетов. Астрономических сведений как таковых статья не содержит.

Источник