Основной источник энергии солнца цикл

Основной источник энергии солнца цикл

§ 20. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ СОЛНЦА

1. Источники энергии Солнца. На протяжении миллиар­дов лет Солнце ежесекундно излучает огромную энергию. Как и вообще все физические процессы, излучение Солнца и других звезд подчиняется важнейшему закону природы — закону сохранения и превращения энергии. Следовательно, энергия Солнца не может возникнуть из ничего и суще­ствуют источники, поддерживающие непрерывное излучение Солнца.

Согласно современным представлениям, в недрах Солнца и других звезд происходят термоядерные реакции. В ходе этих реакций, сопровождающихся большим выделением энергии, одни химические элементы превращаются в другие. Вы знаете, что самый распространенный элемент на Солнце — водород. В недрах Солнца он ионизован и нахо­дится в виде ядер атомов водорода — протонов. Скорость этих протонов в условиях огромных температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях всту­пают в действие мощные ядерные силы и начинаются реак­ции, в ходе которых возникают ядра новых химических элементов. Внутри Солнца водород превращается в гелий.

Рассмотрим один из возможных путей такого перехода. Слияние двух протонов ( 1 H ) сопровождается образованием ядра тяжелого водорода дейтерия ( 2 D ) и испусканием двух элементарных частиц: позитрона (е + ) и нейтрино (ν). Кратко эту реакцию можно записать так:

. (30)

Если образовавшийся в результате взаимодействия протонов дейтерий сам вступит в ядерную реакцию с протоном, то возникнет ядро легкого изотопа гелия ( 3 Не) и выделится энергия в виде коротковолнового гамма-излучения (γ):

. (31)

В дальнейшем слияние двух ядер 3 Не приведет к образо­ванию ядра гелия ( 4 Не) и двух ядер водорода:

. (32)

Рассмотренная цепочка из трех реакций называется протон-протонным циклом . В результате цик­ла из четырех ядер водорода образуется одно ядро гелия. Какая же энергия выделяется при этом?

Масса одного протона в атомных единицах составляет 1,008, четырех — 4,032. Поскольку масса одного ядра гелия 4,004, то разность 4,032 — 4,004 = 0,028 (дефект массы). Так как 0,028 : 4,032 = 0,007, то при синтезе 1 г гелия дефект массы составит примерно 0,007 г . Зная это и используя от­крытый Эйнштейном закон взаимосвязи массы и энергии Е=тс 2 , подсчитаем, сколько энергии выделяется при «сго­рании» 1 г водорода:

кг м/с Дж

(с = 3•10 8 м/с — скорость света).

Один из продуктов протон-протонного цикла — ней­трино. Эти частицы способны почти без взаимодействия с веществом проникать сквозь толщу всей звезды, унося неко­торую энергию непосредственно из ее центральных областей. Огромная проникающая способность нейтрино делает их трудноуловимыми: их невозможно непосредственно зареги­стрировать обычными счетчиками элементарных частиц. Но сделать это крайне важно и интересно, так как нейтринное излучение, в отличие от всех других видов излучения, как бы позволяет «заглянуть» в недра Солнца. Нейтринные на­блюдения Солнца (они уже проводятся с помощью нейтрин­ных телескопов, установленных глубоко под Землей) позволят выяснить, насколько верна общепринятая гипотеза об источниках энергии Солнца и подобных ему звезд. Откры­тие источника энергии звезд имеет важное значение для по­нимания процессов, происходящих внутри звезд. Кроме того, оно послужило толчком к поискам путей технического использования термоядерного синтеза в земных условиях (проблема управляемых термоядерных реакций).

2*. Внутреннее строение Солнца . Основываясь на дан­ных о массе, светимости, радиусе Солнца, на физических законах (которые благодаря своей универсальности приме­нимы не только на Земле, но и в условиях других небесных тел), можно получить данные о давлении, плотности, темпе­ратуре и химическом составе на разных расстояниях от цен­тра Солнца. Первые три параметра (давление, плотность, температура) возрастают с глубиной, достигая максималь­ных значений в центре Солнца. Химический состав Солнца тоже не остается одинаковым на разных глубинах: водород всюду на Солнце оказывается самым распространенным эле­ментом, но процентное содержание водорода меньше все­го в центре и больше всего в фотосфере Солнца и его атмо­сфере.

Согласно современным данным, термоядерные реакции происходят только в центральных областях Солнца, прости­рающихся не далее 0,3 радиуса от его центра. Ближе к по­верхности, где температура значительно меньше, чем около центра Солнца, источников энергии нет. Значит, энергия, выделяющаяся в результате термоядерного синтеза, должна быть передана наружу через огромную толщу раскаленной плазмы. От 0,3 до 0,7 радиуса Солнца (считая от центра) энергия передается излучением от слоя к слою. При этом слои не меняются своими местами, а энергия, излучен­ная нижним слоем, поглощается верхним и затем переизлу­чается им и т. д. Происходит очень медленное, длящееся не менее миллиона лет «просачивание» излучения от центра Солнца к поверхности. Каждый последующий слой излучает кванты меньшей энергии, чем предыдущий. Поэтому хотя в центральных областях Солнца вырабатываются гамма-кванты, но далее они последовательно превращаются в кванты рентгеновского излучения, затем ультрафиолетового и, наконец, вблизи поверхности, в кванты видимого излуче­ния. Примерно на расстоянии 0,3 радиуса Солнца от его по­верхности основным процессом переноса энергии из глубины наружу становится, как вы уже знаете, конвекция . Конвективная зона простирается до фотосферы, и о проис­ходящей в подфотосферных слоях конвекции свидетель­ствует грануляция на поверхности Солнца.

Равновесие Солнца обеспечивается тем, что силы тяго­тения, стремящиеся сжать газовый шар, уравновешиваются силами внутреннего газового давления. Исходя из этого, оценим давление и температуру в центре Солнца.

Выделим внутри Солнца столбик с площадью основания S и высотой h = . Сила газового давления ( F ) вблизи цен­тра уравновешивается весом столбика вещества, т.е. F = Р. Вес рассматриваемого вещества можно рассчитать по его массе: Р= mg , а поскольку т=ρ V = ρ S , то

Р =ρ S g .

Принимая с целью упрощения расчетов и вычисляя g из закона всемирного тяготения при r = /2, полу­чим

. (33)

Так как давление есть то давление в центре Солнца можно оценить по формуле:

. (34)

Откуда р_ц = 1,1• 10 15 Па. Более строгие вычисления дают р_ц = 2 • 10 16 Па.

Плотность в центре Солнца на самом деле не равна сред­ней плотности, а на порядок выше ее, т. е. ρ_ц (так как = 1,4 • 10 3 кг/м 3 , то ρ_ц = 1,4 • 10 4 кг/м 3 !).

Несмотря на огромную плотность вещества, даже в цен­тре Солнца расстояния между частицами велики по сравне­нию с размерами частиц. Но в таком случае к веществу в центре Солнца применимо уравнение Менделеева — Клапей­рона:

,

где ρ — давление газа; R = 8,31 Дж/(моль•К) — универсаль­ная газовая постоянная; М, Т и ρ — соответственно моляр­ная масса, абсолютная температура и плотность газа. От­сюда

и получаем формулу для приближенного вычисления темпе­ратуры в центре Солнца:

(35)

Аналогичные рассуждения позволяют сделать оценки р и Т не только для центра Солнца, но и, например, для глу­бины, равной половине радиуса ( /2). В принципе можновычислить р, Т и ρ на любой глубине и получить распреде­ления этих параметров с глубиной: р = p ( r ), T = Т( r ) и ρ = ρ( r ) . Совокупность этих функций (их можно представить в виде формул, таблиц или графиков) образует модель внутреннего строения Солнца. Астрономы пытаются строить мо­дели, максимально приближенные к реальности. Они сводят к минимуму упрощающие допущения; учитывают изменение химического состава с глубиной и то, как на Солнце выра­батывается энергия и каким образом осуществляется ее пе­ренос; используют самые современные методы вычисления. И все-таки в результате получается не копия внутреннего строения Солнца (или других звезд), а скорее «контуры», позволяющие постичь главное, отвлекаясь от второстепен­ного, несущественного.

Источник

Основной источник энергии солнца цикл

Ежесекундно Солнце теряет около 4,3 млн. тонн массы на излучение. В год это составляет 1,4·10 14 тонн. Но Солнце очень велико: 1 % своей массы оно потеряло бы на излучение за 150 млрд. лет. И на протяжении миллиардов лет Солнце излучает огромную энергию.

Согласно современным представлениям, на Солнце происходят термоядерные реакции, сопровождающиеся огромным выделением энергии. В ходе этих реакций при очень высоких температурах одни химические элементы превращаются в другие.

В недрах Солнца в виде отдельных протонов находится сильно ионизованный водород. Скорость протонов в условиях высоких температур настолько велика, что они сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания. На очень близких расстояниях вступают в действие мощные ядерные реакции, в ходе которых происходит синтез новых химических элементов. Фактически внутри Солнца водород превращается в гелий. Это превращение описывается протон-протонным циклом – очень медленной реакцией (характерное время 7,9∙10 9 лет). Ее суть состоит в том, что из четырех протонов получается ядро гелия. При этом выделяются пара позитронов и пара нейтрино, а также 26,7 МэВ энергии. Рассмотрим цепочку протон-протонного цикла. На первом этапе слияние двух протонов сопровождается образованием дейтерия (ядра тяжелого водорода) и испусканием позитрона и нейтрино:

далее дейтерий сам вступает во взаимодействие с протоном, получается ядро легкого изотопа гелия и выделяется гамма-квант:

после чего слияние двух ядер легкого гелия приводит к образованию ядра гелия и двух протонов:

В ходе такой реакции выделяется огромное количество энергии. Воспользовавшись законом взаимосвязи массы и энергии E = mc 2 , можно посчитать, что при сгорании 1 г водорода выделяется приблизительно 6,3·10 11 Дж энергии.

Каждую секунду Солнце перерабатывает около 600 миллионов тонн водорода. Запасов ядерного топлива хватит еще на пять миллиардов лет, после чего оно постепенно превратится в белый карлик.

Одним из продуктов протон-протонного цикла является нейтрино. Эти частицы почти без взаимодействия способны проникать сквозь толщу всей звезды, унося часть энергии непосредственно из ее центральных областей. Нейтрино имеют огромную проникающую способность и поэтому трудноуловимы. Тем не менее, существуют специальные нейтринные обсерватории, которые фиксируют потоки солнечных нейтрино. Регистрация нейтрино – крайне важная задача, поскольку именно нейтрино несет информацию о процессах, происходящих в недрах Солнца и подобных ему звезд.

Источник

Источник энергии Солнца

Для поддержания наблюдаемой светимости Солнца в течение длительного времени необходимы достаточные запасы его внутренней энергии и процессы, перерабатывающие эту энергию в излучение. На первый взгляд, энергия, выделяемая одним килограммом солнечного вещества в секунду, равная:

— величина небольшая, она примерно равна количеству теплоты, выделяемому одним килограммом гниющих листьев. Но химической энергии, запасенной в листьях, при таком энерговыделении едва хватает на год. Солнце, по современным данным, существует около 5 млрд, лет, причем его светимость за это время существенно не изменилась, следовательно, запасов внутренней энергии солнечного вещества должно хватить еще на миллиарды лет.

Зная светимость Солнца T= 4* 10 26 Вт и продолжительность его жизни t=5*10 9 лет = 1,5-10 17 секунд, легко найти энергию, выделенную Солнцем за этот промежуток времени: 4*10 26 Вт * 1,5-10 17 с = 6*10 43 Дж. Поделив эту энергию на массу Солнца, получим, что за это время жизни Солнца каждый килограмм его вещества выделил 3*10 13 Дж энергии.

Удельная теплота сгорания самого калорийного химического горючего — бензина — равна 4,6*10 7 Дж/кг, что значительно меньше внутренней энергии, выделяемой 1 кг солнечного вещества. Поэтому идея о свечении Солнца за счет химических реакций, высказанная в середине XIX в., была несостоятельной. Если бы это было так, то запасов энергии хватило бы только на 800 лет.

Примерно в то же время известный немецкий физик Г. Гельмгольц (1821 —1894 гг.) выдвинул гипотезу, которой пытался объяснить энерговыделение Солнца за счет его гравитационного сжатия; сжатие приводит к выделению тепла и к уменьшению запасов потенциальной энергии солнечного вещества. Однако простые подсчеты показывают, что при современной светимости Солнца запасов его потенциальной энергии хватило бы всего на несколько миллионов лет.

Единственным приемлемым источником энергии, поддерживающим излучение Солнца, может служить термоядерная энергия, выделяемая при образовании (синтезе) ядер атомов гелия, из ядер водорода.

Для протекания ядерных реакций необходима температура в несколько миллионов кельвинов, при которой участвующие в реакции частицы с одинаковым электрическим зарядом смогли бы получить достаточную энергию для взаимного сближения, преодоления электрических сил отталкивания и слияния в одно новое ядро. Ядерные реакции, протекающие при высоких температурах, получили название термоядерных реакций. Именно такие реакции протекают в недрах Солнца.

Расчеты показывают, что в результате термоядерных реакций синтеза из водорода массой 1 кг образуется гелий массой 0,99 кг и выделяется около 9*10 14 Дж энергии. Если сравнить эту величину с энергией (3*10 13 Дж), которую Солнце уже выделило каждым килограммом водорода за 5 млрд, лет своей жизни, то оставшегося в нем водорода должно было бы хватить почти на 150 млрд. лет. Но так как реакции синтеза протекают только в ядре Солнца, содержащем примерно десятую долю всей его массы, то запасов ядерного горючего хватит еще на 10 млрд. лет.

Источник