Какая термоядерная реакция происходит на Солнце?
Известно, что тепло вырабатывается на Солнце вследствие ядерных реакций. В чем суть этих загадочных процессов?
Большая часть привычного нам вещества состоит из молекул и атомов, например, из атомов железа или кислорода. В ходе химических реакций атомы элементов перестраиваются в новые молекулы, но сами не меняются. Долгое время считалось, что получить из атомов одного элемента атомы другого элемента (скажем, из свинца золото) невозможно. Однако в конце XIX в. были открыты ядерные реакции, в ходе которых изменяются сами атомы.
На Солнце происходят термоядерные реакции. Основной из них является протон-протонный цикл. Его суть заключается в том, что из водорода получается гелий. Сначала два протона (а протон – это название ядра водорода) сливаются друг с другом и образуют дейтрон – ядро дейтерия, одного из изотопов водорода. Далее дейтрон сталкивается ещё с одним протоном, в результате возникает изотоп гелий-3. Наконец, два ядра гелия-3 также сливаются, что приводит к образованию гелия-4 и освобождению 2 протонов. Получается, что в ходе цикла этих реакций из 4 протонов получается 1 ядро гелия-4, при этом выделяется некоторое количество энергии.
На протон-протонный цикл приходится 98% энергии, выделяемой на Солнце. В ходе других реакций из гелия получается углерод, из углерода – неон и магний, из неона – аргон и кальций и т.д. Таким образом, в звезде «по цепочке» из водорода образуется огромное количество разнообразных элементов. Этот процесс называют звездным нуклеосинтезом. Изначально, после Большого взрыва, во Вселенной не было никаких других элементов, кроме водорода, гелия и небольшого количества лития. Именно благодаря звездному нуклеосинтезу мы живем в мире, где есть железо, золото, серебро, кислород и ещё порядка 100 элементов таблицы Менделеева.
Для термоядерных реакций нужны особые условия. Дело в том, что протоны обладают положительным зарядом, поэтому они отталкиваются друг от друга. Ядра водорода должны обладать огромной скоростью, чтобы они смогли столкнуться, несмотря на противодействие электростатических сил. Скорость же элементарных частиц тем выше, чем выше температура вещества и его плотность. В ядре температура достигает 15 млн °С, а давление составляет 340 млрд атмосфер. Этого как раз достаточно для термоядерных реакций. Во внешних же слоях Солнца термоядерные реакции не идут, хотя там тоже весьма жарко.
В ходе термоядерных реакций Солнце каждую секунду «сжигает» более 4 млн тонн водорода. Через 5 млрд лет он почти закончится, что приведет к резкому расширению Солнца и его последующему угасанию.
Список использованных источников
Источник
Управляемый термоядерный синтез-рукотворное Солнце
Оригинал моей статьи:
https://www.stihi.ru/2013/02/19/2493
Управляемый термоядерный синтез-рукотворное Солнце
Управляемый термоядерный синтез(УТС), или источник неиссякаемой энергии.
На иллюстрации-Солнце, природный термоядерный реактор.
Разум пока возобладал.Иран не стали закидывать ядерными бомбами.
Может быть, этому способствовала и известная эксцентричность иранского президента М.Ахмадинежада.
Он на весь мир заявил о том, что иранская наука владеет реакцией управляемого термоядерного синтеза. Мировые СМИ, в том числе наши, только посмеялись над этими словами да назвали Ахмадинежада бароном Мюнхгаузеном. Ибо проблема осуществления реакции управляемого термоядерного синтеза(УТС)–это давняя мечта, осуществление которой дало бы человечеству источник неиссякаемой энергии. УТС-это по сути, Perpetuum Mobile, Вечный Двигатель, хотя бы в практическом смысле, как Солнце, которое не выгорит еще миллионы лет. УТС так и называют “рукотворным Солнцем”.Это открытие поднимет нашу цивилизацию на новый виток эволюции.
В военном смысле, безусловно, это гарантированное превосходство. Заявление президента Ирана назвали блефом, невозможным враньём, но как раз с этого момента активная подготовка военно-политических кругов США к войне с Ираном, включавшим по замыслу даже ядерные атаки, потихоньку прекратилась, остались лишь словесные угрозы — скорее декларативного характера, раздающиеся из США.(“А еще я считаю, что Карфаген надо разрушить”-этой фразой по преданию, все свои речи неизменно оканчивал один древний правитель).
К слову сказать, ведь и доказательств отсутствия у Ирана или у иной державы если не готового решения, то близких подступов к проблеме УТС-нет, все может быть.
США вполне официально, как следует из выступлений руководства, готовятся к новому освоению Луны. И это, как утверждают, как раз связано с УТС, одним из вариантов её осуществления с помощью изотопа Гелия-3. Гелий-3, на Земле почти не встречается, а вот лунный грунт буквально усеян тоннами этого редкоземельного элемента. Россия внешне никак не выказывает особой заитересованности в проблеме, хотя ещё в 70-80-е велись активные разработки(знаменитый, со всесветной рекламой, но так и не достигший поставленной цели проект ТОКАМАК под руководством акад.Велихова), в который было вложено много миллиардов рублей. Но скорое падение советской власти, пустая госказна, переориентация интересов и, что важнее всего, ошибочность направления, отсутствие результатов в практическом смысле-и о токамаке давно забыли, а что дальше-неизвестно Не ведутся новые разработки или не афишируются? .
Управляемый термоядерный синтез (УТС) — синтез более тяжёлых атомных ядер из более лёгких с целью получения энергии, который, в отличие от взрывного термоядерного синтеза (используемого в термоядерных взрывных устройствах), носит управляемый характер. Управляемый термоядерный синтез отличается от традиционной ядерной энергетики тем, что в последней используется реакция распада, в ходе которой из тяжёлых ядер получаются более лёгкие ядра. В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий(2H) и тритий (3H), а в более отдалённой перспективе гелий-3 (3He) и бор-11 (11B).
Е.П. Велихов; С.В. Мирнов Управляемый термоядерный синтез выходит на финишную прямую (PDF). Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Российский научный центр «Курчатовский институт».. ac.ru. — Популярное изложение проблемы.. Архивировано из первоисточника 5 февраля 2012. Проверено 8 августа 2007.
К. Ллуэллин-Смит. На пути к термоядерной энергетике. Материалы лекции, прочитанной 17 мая 2009 года в ФИАНе.
——————————
19 февраля 2013г.
Дополнение от 15122017
Вот данные спектрального анализа:
Солнце состоит из водорода (;73 % от массы и ;92 % от объёма), гелия (;25 % от массы и ;7 % от объёма и других элементов с меньшей концентрацией: железа, никеля, кислорода, азота, кремния, серы, магния, углерода, неона, кальция и хрома. На 1 млн атомов водорода приходится 98 000 атомов гелия, 851 атом кислорода, 398 атомов углерода, 123 атома неона, 100 атомов азота, 47 атомов железа, 38 атомов магния, 35 атомов кремния, 16 атомов серы, 4 атома аргона, 3 атома алюминия, по 2 атома никеля, натрия и кальция, а также малое количество прочих элементов. Масса Солнца составляет 99,866 % от суммарной массы всей Солнечной системы.
Солнечный спектр содержит линии ионизированных и нейтральных металлов, а также водорода и гелия. В нашей галактике Млечный Путь насчитывается от 100 до 400 миллиардов звёзд. При этом 85 % звёзд нашей галактики — это звёзды, менее яркие, чем Солнце (в большинстве своём красные карлики). Как и все звёзды главной последовательности, Солнце вырабатывает энергию путём термоядерного синтеза. В случае Солнца подавляющая часть энергии вырабатывается при синтезе гелия из водорода.
Состав фотосферы Солнца:
Водород
73,46 %
Гелий
24,85 %
Кислород
0,77 %
Углерод
0,29 %
Железо
0,16 %
Неон
0,12 %
Азот
0,09 %
Кремний
0,07 %
Магний
0,05 %
Сера
0,04 %
Солнце вырабатывает энергию путём термоядерного синтеза. В случае Солнца подавляющая часть энергии вырабатывается при синтезе гелия из водорода.
Пла;зма (от греч. ;;;;;; «вылепленное, оформленное») — ионизованный газ. Ионизованный газ содержит свободные электроны и положительные и отрицательные ионы. В более широком смысле, плазма может состоять из любых заряженных частиц (например, кварк-глюонная плазма).
Поскольку частицы в газе обладают подвижностью, плазма обладает способностью проводить электрический ток.
Четвёртое состояние вещества было открыто У. Круксом в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром в 1928 году.
Древние философы полагали, что мир состоит из четырёх стихий: земли, воды, воздуха и огня. Можно сказать, что это положение с учетом некоторых допущений укладывается в современное представление о четырех агрегатных состояниях вещества, причём плазме соответствует огонь.
По сегодняшним представлениям, фазовым состоянием большей части барионного вещества (по массе ок. 99,9 %) во Вселенной является плазма. Все звёзды состоят из плазмы, и даже пространство между ними заполнено плазмой, хотя и очень разреженной (см. межзвёздное пространство).
Свойства плазмы изучает физика плазмы.
Итак, Солнце это раскаленная плазма, состоящая из ионизированных газов. Иона это часть атома. Из ионов Гелия и водорода, а также в меньших концентрациях других элементов Таблицы Менделеева.
И что на Солнце идет термоядерный синтез. При котором энергия вырабатывается при синтезе гелия из водорода.
Все звезды состоят из плазмы. Большая часть вещества Вселенной также плазменное(4-е агрегатное) состояние вещества.
Источник
Энергия Солнца за счет термоядерных реакций
Термоядерная реакция происходит когда из более лёгких элементов образуются тяжелые. Это явление может произойти только при высоком давлении и температуре как на Солнце.
Много было гипотез появления энергии от солнца начиная от бомбардировки метеоритами, сжатия элементов до распада тяжелых элементов как при ядерном делении.
Самая верная оказалась гипотеза высказанная в 1935 году американским астрофизиком Ханс Альбрехт Бете: источником солнечной энергии может быть термоядерные реакции на Солнце превращения водорода в гелий. За это Бете получил Нобелевскую премию в 1967 году.
Солнце – совершенный термоядерный реактор
В последнее время ученые всего мира пытаются получить термоядерную энергию, которая будет в производстве более эффективна, чем ядерная реакция. Такой термоядерный реактор мог бы соединять легкие ядра в более тяжелые, приблизительно также, как это происходит на Солнце. На разработку этого проекта затрачиваются огромные средства.
В то же время в природе существует уже пять миллиардов лет совершенный термоядерный реактор – Солнце.
В ядре звезды в том числе и как наше Солнце происходит огромное количество реакций. Во время каждой реакции количество частиц понижается. Это вызывает понижение давления в ядре звезды, так как давление пропорционально количеству частиц. Внешняя оболочка звезды сдавливает гелиевое ядро, которое нагревается, подобно тому, как нагревается сдавливаемый воздух в воздушном насосе. Но в то время, как тепло возникает за счет энергии наших мускулов, тепло в ядре звезды возникает за счет гравитационной энергии.
Горячее ядро нагревает слой водорода, покрывающий его. При температуре свыше 7 миллионов градусов по Кельвину водород начинает превращаться в гелий.
На этом этапе звезда, обладает двумя источниками энергии: энергией гравитационного сжатия выгоревшего гелиевого ядра и термоядерных реакций в слое, окружающем ядро.
У звезды с двумя источниками энергии повышается ее светимость. В то время как ядро звезды вследствие сил гравитации сжимается, горение водорода на поверхности звезды в процессе расширения охлаждается (приобретает красный цвет).
Нагревание гелия в ядре красного гиганта продолжается до тех пор, пока температура не достигнет ста миллионов градусов. При этой температуре альфа-частицы сталкиваются с такой скоростью, что преодолевают силу взаимного электрического отталкивания и вследствие этого могут приблизиться на расстояние 1 ферми (1 ферми 1×10 −15 м) . Между альфа-частицами начинает действовать мощная ядерная сила, которая соединяет их в более сложное атомное ядро.
Характеристики превращения
Считается, что термоядерные реакции на солнце совершенные по следующим причинам:
- Превращение водорода в гелий является наиболее эффективным способом освобождения энергии в Солнечной системе. Никакая другая ядерная или химическая реакция не способна освободить из вещества столько ресурсов, сколько освобождается их в недрах Солнца в результате превращения водорода в гелий.
- Самый безопасный реактор, поскольку не может взорваться, обладая столь совершенной системой управления своих внутренних процессов. Всякий рискованный перегрев вызывает расширение и моментальное охлаждение. Температура поверхности Солнца относительно стабильна.
- Почти вечный источник. Ведь процесс освобождения энергии в нем будет продолжаться еще по крайней мере десять миллиардов лет.
- Звезда поставляет на нашу планету беспрерывно громадное количество теплоты (180 000 ТВт), намного больше того количества, которое человечество способно употребить. Парадоксально звучат слова об энергетическом кризисе, в то время как Солнце предлагает нам в 20 000 раз больше, чем нужно всем обитателям Земли вместе взятым.
- Энергия, которую дает нам Солнце, абсолютно чистая. Она не загрязняет окружающую среду ни в химическом, ни в радиоактивном отношении.
- Солнце за счет термоядерной реакции тепло дает даром.
- Оно настолько далеко, что никто не может злонамеренно использовать его в целях уничтожения жизни на нашей планете.
- Совершенный солнечный термоядерный реактор служит исключительно в мирных целях, для пользы всего живого на Земле. В руках человека ядерная энергия превратилась в орудие страдания и смерти (Хиросима и Нагасаки).
- Солнечная энергия, поступающая к нам в виде фотонов, высококачественна. Ее можно легко преобразовывать в любой другой вид необходимый в быту, промышленности, транспорте, сельском хозяйстве. Солнечное излучение можно превращать прямым или косвенным путём в другие виды энергии: электрическую, химическую , тепловую, механическую. Отрасль энергетики, занимающаяся использованием солнечной энергии, называется гелиоэнергетикой. Во многих странах мира функционируют самые разные гелиоустановки.
Источник
Ученые подтвердили, что в Солнце идет термоядерный синтез второго уровня
Как и все звезды наше Солнце “питается” термоядерным синтезом, в ходе которого водород превращается в более тяжелые элементы. Именно благодаря этому процессу наша Вселенная полна элементами тяжелее водорода и гелия.
Большая часть наших знаний о синтезе в звездах опирается на теоретические модели. Но Солнце обеспечивает ученых еще одним материалом для пополнения знаний — частицами нейтрино .
В процессе синтеза атомных ядер в окружающее пространство вылетают гамма-лучи и те самые нейтрино. Гамма-лучи греют Солнце, а вот нейтрино вылетают из звезды на скорости близкой к скорости света.
Впервые нейтрино Солнца были зарегистрированы учеными в 1960-х годах. Но на тот момент мы мало что могли о них узнать, кроме того факта, что они прилетели от нашей звезды. Это открытие доказало, что в Солнце идут процессы ядерного синтеза, но не смогло уточнить, процессы какого типа.
Теоретически, главной формой синтеза в Солнце должен быть протон-протонный цикл , в ходе которого из водорода создается гелий. Это самый простой синтез, на который способны звезды.
Более крупные звезды с более плотными ядрами способны на более сложную реакцию. У них главным источником энергии служит CNO-цикл , в ходе которого водород тоже превращается в гелий, но уже взаимодействуя с углеродом, азотом и кислородом.
За последние десять лет детекторы нейтрино стали гораздо более мощными. Современные детекторы способны измерить не только энергию, но аромат нейтрино.
Теперь мы знаем, что солнечные нейтрино, “пойманные” в 1960-х годах были не от протон-протонного цикла, а от вторичных реакций вроде распада бора. Такие реакции создают высокоэнергетические нейтрино, которые гораздо проще заметить.
В 2014 году ученые засекли нейтрино, созданные протон-протонным циклом. Те наблюдения подтвердили, что pp-цикл обеспечивает 99% энергии Солнца .
И все же наша звезда достаточно массивна, чтобы в ней в маленьком масштабе шел CNO-цикл. Именно им и должен обеспечиваться недостающий 1%.
Но CNO-нейтрино редки, и поэтому их очень сложно заметить. Но вот команде эксперимента Борексино ( wiki ) удалось их засечь .
Одна из главных проблем ловли CNO-нейтрино в том, что их сигнал перекрывается шумом земных нейтрино . Конечно, на Земле ядерный синтез случается лишь в ходе экспериментов ученых, но низкий уровень радиоактивного распада в земных камнях порой отражается в детекторе сигналами, которые очень похожи на сигналы CNO-нейтрино.
Чтобы очистить данные от шума и уменьшить вероятность ошибки, команда Борескино разработала сложный процесс анализа данных.
Их исследование подтвердило, что в Солнце идет ядерный синтез CNO-цикла.
В Солнце он не играет особой роли, а вот в более массивных звездах он лежит в основе их эволюции. Поэтому изучение этого цикла может помочь нам понять происхождение более тяжелых элементов. Тех самых, благодаря которым есть Земли и мы с вами.
“Мы состоим из звездной пыли.” — Карл Саган
Научная статья была опубликована в Nature . DOI:10.1038/s41586-020-2934-0 Источник: Universe Today .
Источник