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
Ядерный синтез и превращение водорода в гелий Солнцем
Поскольку есть две конкурирующие силы, одна из которых пытается разорвать ядра на части, а другая — склеить их вместе, можно предположить, что должна быть какая-то точка баланса, идеальная смесь протонов и нейтронов, компенсирующая притяжение и отталкивание. Есть фактически два элемента, которые очень близки к оптимальной стабильности, — это железо и никель. Те элементы, которые легче этих, можно сделать более стабильными, высвобождая энергию в процессе слияния их ядер между собой. Те элементы, которые тяжелее этих, можно сделать более стабильными, разбивая их ядра на части и высвобождая энергию.
Здесь, на Земле ядерный синтез может показаться конечным технологическим достижением человечества, но на самом деле это самое естественное явление в мире. Оно происходило не только во время Большого Взрыва, оно может происходить во Вселенной. Именно он освещает всю Вселенную, и происходит это постоянно на расстоянии миллионов миль в Космосе над нашими головами.
Глубоко в ядре Солнца, на 800 000 километров ниже его поверхности, температура достигает пятнадцати миллионов градусов по Цельсию. На Солнце происходит слияние ядер водорода в гелий, и происходит это с бешеной скоростью. Всего лишь за одну секунду Солнце преобразует в гелий 600 миллионов тонн водорода, высвобождая больше энергии, чем человеческая раса сможет использовать в ближайший миллион лет.
Это процесс превращения водорода в гелий создает энергию, позволяющую существовать всей жизни на Земле. Но, при всей своей власти, Солнце только преобразует водород — самый простой элемент — в гелий, следующий за ним простой элемент. Этот процесс мы можем наблюдать в ночном небе: каждая звезда во Вселенной начала свою жизнь, поглощая водород и питаясь от этой реакции.
Таким образом, хорошо изучена «сборка» второго простейшего элемента — гелия. Мы знаем, что это могут делать звезды, мы знаем, что это случилось в очень ранней Вселенной, и мы можем даже сделать это сами на Земле. Но это не поможет объяснить нам происхождение других девяноста двух естественных элементов. Очевидно, что где-то во Вселенной должен быть обильный источник других элементов, потому что они есть везде — вся наша планета состоит из них. Мы скроены из миллиардов и миллиардов атомов, из магния, цинка, железа и, конечно же, одного атома, от которого жизнь зависит больше, чем от любого другого, — углерода. Каждый человек на планете сделан примерно из миллиардов миллиардов миллиардов атомов углерода. Такого невообразимого количества атомов углерода просто не существовало в ранние моменты развития Вселенной. Откуда же они взялись? Ответ можно получить, исследуя ядерный синтез, и естественное место поиска находится в самих звездах.
Если у вас есть какие-либо юридические вопросы или вам необходима юридическая консультация, то советуем обратиться на сайт 9111.ru, который собирает отзывы об адвокатах и составляет рейтинг юристов. На сайте можно воспользоваться поисковым сервисом и найти ответы на свои вопросы.
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
Как и почему светит Солнце?
Все мы с детства знаем о Солнце, о том, что оно согревает и освещает нашу Землю. Это настолько естественно, что долго вообще мало кто задумывался о том, почему солнце светит? Откуда оно берёт энергию? Давайте разбираться вместе.
Солнце это огромный газовый шар который на 73% состоит из водорода, на 25% из гелия, а остальные 2% составляют более тяжелые элементы: азот, углерод, кислород, кремний и так далее. На поверхности Солнца температура составляет 5800 градусов, а в ядре достигает целых 15 млн. градусов. Долгое время никто не мог понять, почему оно такое горячее, и откуда столько тепла. Гипотез было много, но все они не подтверждались наблюдениями.
Наконец в начале прошлого века британский астрофизик Артур Эддингтон первым догадался, что Солнце — это гигантский термоядерный реактор внутри которого идут реакции ядерного синтеза. Аналогичные реакции происходят например при взрыве водородной бомбы..
На Солнце за одну секунду При этом за одну секунду выделяется столько энергии, сколько при взрыве миллиарда водородных бомб.
Что же из себя представляет термоядерный синтез?
На земле, если два атома приблизятся, то они оттолкнутся и разлетятся в стороны.
Однако из-за огромной температуры и давления в ядре солнца, дела обстоят иначе и когда сталкиваются два атома водорода, они соединяются в один атом называемый дейтерием, который легче, чем атомы из которых он образовался, а лишняя энергия (тепло) при этом выделяется в виде частицы света – фотона. Дейтерий в свою очередь присоединяет к себе ещё один атом водорода и образуется гелий-3, а также вылетает ещё один фотон. Когда же сталкиваются два атома гелия-3, образуется гелий-4, два атома водорода и ещё один фотон. Таким образом, солнце из четырёх атомов водорода, производит один атом гелия и три фотона. И это только от одной цепочки реакций, а в Солнце их происходит порядка 10 в 38 степени в секунду.
Каждый из этих фотонов несёт большое количество энергии, и в течении десятков тысяч и миллионов лет странствует внутри Солнца, сталкиваясь с атомами, разогревая Солнце и превращаясь в десятки фотонов с меньшей энергией и видимой глазом частотой. Рано или поздно эти фотоны вылетают из Солнца и отправляются в вечное странствие по космосу, а часть из них прилетает к Земле даря нам свет и тепло.
Вот так благодаря многочисленным реакциям термоядерного синтеза в ходе которых водород превращается в гелий Солнце и вырабатывает энергию.
Ставьте палец вверх чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мой канал в телеграме . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос.
Источник