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
Температура Солнца и протекающая термоядерная реакция
Температура поверхности Солнца определяется путем анализа солнечного спектра. Известно, что солнечное излучение является источником энергии всех природных процессов на Земле поэтому ученые определили количественную величину нагретости различных частей нашей звезды.
Интенсивность излучения в отдельных цветовых частях спектра соответствует температуре 6000 градусов. Такова температура поверхности Солнца или фотосферы.
Во внешних слоях солнечной атмосферы – в хромосфере и в короне — наблюдается более высокая температура. В короне она составляет примерно от одного до двух миллионов градусов. Над местами сильных вспышек температура на короткое время может достигать даже пятидесяти миллионов. 
Из-за высокой нагретости в короне над вспышкой сильно возрастает интенсивность рентгеновского и радиоизлучений.
Расчеты нагретости нашей звезды
Несмотря на то, что из недр Солнца не проникает ни один фотон, мы можем рассчитать температуру в любой точке в недрах звезды. Состав и строение Солнца более-менее известны ученым по расчетам. Расчеты показывают, что чем глубже проникать в недра, тем выше нагревается плазма.
Температура повышается с 6000 в фотосфере до 13 миллионов градусов в центре.
Нам известно, что чем выше нагревается вещество, тем быстрее движутся его частицы. Так, например, в фотосфере протоны и атомы водорода движутся со скоростью около 7 км/сек, а легкие электроны – со скоростью 300 км/сек. В короне и в раскаленном солнечном центре скорость протонов составляет около 350 км/сек, а электронов – 15 000 км/сек.
Самая низкая температура на Солнце наблюдается в области солнечных пятен. Большие пятна нагреты ниже 4000 С. Излучение 1 м 2 окружающей пятно белой фотосферы с 6000 градусов примерно в 5 раз интенсивнее излучения 1 м 2 самого пятна. По этой причине пятна нам кажутся темными или даже черными.
Превращение водорода в гелий как термоядерная реакция
Солнце нагревается и излучает тепло в связи с протекающей внутри термоядерной реакцией.
Термоядерная реакция происходит когда из более лёгких элементов образуются тяжелые. Это происходит только при высоком давлении и нагретости . Поэтому реакция и называется термоядерной.
Важнейшим процессом, протекающим на Солнце, является превращение водорода в гелий. Именно этот процесс является источником всей энергии Солнца.
Солнечное ядро отличается большой плотностью и очень высокой температурой. Часто имеют место резкие столкновения электронов, протонов и других ядер. Иногда столкновения протонов настолько стремительны, что они, преодолев силу электрического отталкивания, приближаются друг к другу на расстояние своего диаметра. На таком расстоянии начинает действовать ядерная сила, вследствие которой протоны соединяются с выделением энергии.
Разница в массах превращается в гамма-фотоны и нейтрино. Общая энергия всех возникших гамма-фотонов и двух нейтрино составляет 28 МэВ. Ученые смогли получить термоядерную энергию синтезом на Земле создав экспериментальный реактор.
В центре звезды происходит огромное количество подобных превращений. При этом примерно полмиллиарда тонн (точнее 567 миллионов тонн) водорода превращается в гелий. В то же время гелия, возникшего при этом, насчитывается всего лишь 562,8 миллионов тонн, то есть на 4,2 миллиона тонн меньше. Именно этот убыток массы за 1 секунду превращается в солнечное излучение фотонов.
Именно такое количество энергии Солнце излучает за одну секунду. Величина эта представляет собой мощность солнечного излучения.
Источник
Ядерные реакции на Солнце
Солнце весьма горячо, все тепло и свет появляются глубоко внутри. Ядро простирается от самого центра, до примерно 0,2 солнечного радиуса.
Внутри этой зоны, давление в миллион раз больше, чем на поверхности Земли, а температура достигает 15 миллионов градусов Кельвина.
Каждую секунду 600 миллионов тонн водорода превращается в гелий. Эта реакция высвобождает огромное количество тепла и энергии.
Почему Солнце звезда, а не планета или коричневый карлик? Благодаря термоядерным реакциям, которые протекают в его ядре. Из-за большой массы, оно смогло зажечь внутри себя реакцию слияния водорода в гелий.
Процесс термоядерного синтеза известен как протон-протонный цикл. В нашей звезде, в ядре сталкиваются протоны, превращаясь в гелий. Поскольку полная энергия гелия меньше, чем энергия протонов, то это слияние высвобождает энергию.
Вот как это протекает:
1. Две пары протонов сливаются, образуя два дейтрона
2. Каждый дейтрон сливается с еще одним протоном образуя гелий-3
3. Два ядра гелия-3 сливаются в бериллий-6, но он является неустойчивым и распадается на два протона и гелия-4
4. Реакция происходит с образованием двух нейтрино, двух позитронов и гамма-лучей.
Как мы уже говорили, атом гелия-4 имеет меньшую энергию, чем 4 протона вместе взятых. Все тепло и свет образуется в этой реакции термоядерного синтеза.
Несмотря на то, что Солнце очень яркое и большое, существует звезда гораздо ярче, да не одна, а тысячи. Из звезд которые ярче и которые знает каждый, это Арктур, Сириус Бетельгейзе, Фомальгаут и другие. По большому счету, наше светило самая заурядная звезда, которая в общей массе, меньше чем остальные звезды и принадлежит к классу желтых карликов.
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Источник
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
Как работает Солнце? Термоядерные реакции
С давних времен люди смотрели на небо и мечтали завести такой костер или светильник у себя дома. Так как же работает этот светильник, который носит имя Солнце?
Ядерная или по-другому атомная энергия – внутренний вид энергии. Она очень сильная, но это только на небольших расстояниях, я бы сказал этакий «богатырь с короткими руками». В современных АЭС используют ядерное расщепление тяжелых атомов. Да, при этой реакции высвобождается много энергии, но не так как при реакции термоядерного синтеза.
До 20 века ученые всей Земли не могли объяснить тот факт, что уже многие тысячелетия Солнце продолжает гореть, не используя постороннего топлива. Но вот относительно недавно ученые дали ответ: Солнце получает свою энергию в результате ядерного синтеза или по-другому термоядерного синтеза. Солнце – громадное небесное тело, оно само по себе имеет сложное строение (см картинку), но основу составляет плазма изотопов водорода (Дейтерий и Тритий).
Плазма – ионизированный газ. Сами по себе эти атомы соединиться не могут, они отталкиваются друг от друга за счет Кулоновских сил, но т.к. солнце огромное небесное тело, то и в тоже мгновение эти атомы стремятся прижаться за счет силы притяжения. К счастью, наше светило находится в стабильном состоянии. На атомы водорода действует значительная сила, которая позволяет при их налете друг на друга соединиться в новое ядро гелия.
Как раньше я говорил, что ядерные силы – «богатырь с короткими руками», они во много раз больше сил тяготения, поэтому и энергия термоядерного синтеза колоссальна. Она с огромным запасом окупает работу, затраченную протонами на преодоление электрического отталкивания.
Мы можем посчитать сколько энергии высвобождается при такой реакции. Масса протона мы можем посмотреть в учебнике химии, физики или даже в некоторых таблицах Менделеева, там она будет равна 1,007825, значит, два протона в сумме должны иметь массу 2,01565, но она в реальности она равна 2,01410, т. е. меньше массы двух протонов на 0,00155 (разница происходит из-за дефекта масс). Путем недолгих вычислений мы узнаем, что это число равно 0,46 млн. электрон-вольт. Вот это количество энергии и выделяется при образовании дейтрона. Затем происходит реакция соединения двух дейтронов (см картинку). При образовании нового ядра гелия выделяется энергия в 5,5 Мэв. Затем, ядра гелия также могут попарно соединиться, и тогда уже выделиться большее количество энергии равное — 12,89 Мэв. За миллион лет наше Солнце потеряло лишь миллионную долю своей массы!
На этом все, подписывайтесь на канал, что бы не упустить новые и интересные статьи!
Источник