4. Джерело сонячної енергії

Сонце і зорі світять тому, що в їхніх надрах відбуваються термоядерні реакції перетворення ядер атомів Гідрогену в ядра атомів Гелію. Ви вже знаєте, що маси зір у сотні тисяч разів, у мільйони разів перевищують масу Землі. Така величезна маса зумовлює надзвичайно сильний тиск верхніх шарів речовини зорі на речовину поблизу її центра. Температура і тиск вглиб зорі дуже швидко зростають: на поверхні Сонця температура видимої поверхні Сонця становить близько 6000 К, у центрі Сонця — температура зростає до 15 000 000 К за тиску 2-10¹⁸ Паї У надрах більш масивних зір температура і тиск ще вищі.

Зорі майже цілком складаються з водню і гелію: Сонце містить 71 % водню, 26,5 % гелію і лише 2,5 % інших, важчих хімічних елементів. Під дією високих температур і тисків у центрах зір ядра атомів Гідрогену — протони — зближуються так тісно, що сили ядерного тяжіння долають сили електричного відштовхування. У результаті цієї взаємодії протони об’єднуються, утворюючи ядра атома Гелію. Процес триває у 3 етапи з величезним виділенням енергії (рис. 1).

Два протони р поєднуються в одне ядро ²Н атома Гідрогену-2, при цьому один із протонів, випускаючи електрон е~, перетворюється на нейтрон.

Ядро ²Н атома Гідрогену-2 поєднується із протоном р в одне ядро ³Не атома Гелію-3, випускаючи квант світла γ й нейтрино γ.

Два ядра ³Не атомів Гелію-3 поєднуються в ядро ⁴ Не атома Гелію-4, випускаючи два протони р.

Рис. 1. Термоядерні реакції в надрах Сонця

Ці термоядерні реакції називаються реакціями протон-протонного циклу. У більш масивних зорях, крім реакцій протон- протонного циклу, протікають потужніші термоядерні реакції азотно-вуглецевого циклу, у яких ядра атомів Нітрогену й Карбону є каталізаторами термоядерних реакцій перетворення водню на гелій.

Водень — «зоряне паливо», що згоряє у надрах зір, для того щоби вони могли жити й світити. Із часом біля центра Сонця й інших зір водню дедалі меншає, натомість гелію — більшає.

Наше Сонце — жовта, середня за своїми характеристиками зоря класу G, яка живе вже протягом 5 мільярдів років і буде світи­ти ще майже 8 мільярдів років.

Енергетика Сонця й зір заснована на термоядерних реакціях — процесах перетворення одних елементарних частинок в інші, що супроводжуються синтезом більш важких атомних ядер з більш легких і відбуваються за високих T >10⁷К температур і тисків із виділенням величезної кількості енергії.

У надрах нормальних зір відбуваються термоядерні реакції пе­ретворення ядер атомів Гідрогену в ядра атомів Гелію. Загальне значення виділеної енергії, яку відносять елементарні частинки (γ -кванти, нейтрино й т. ін.), що виникли в ході взаємодії атомних ядер, еквівалентне різниці між сумою мас ядер атомів Гідрогену, що вступають у реакцію, й масою ядра атома Гелію, що утворюється.

Наше Сонце й інші зорі можна порівняти з надпотужними — потужністю в мільярди мільярдів земних водневих бомб — природними термоядерними бомбами, що безупинно вибухають протягом мільйонів і мільярдів років.

Чому ж цей надпотужний вибух не розриває, не розпорошує зорю в космічному просторі? Цьому заважає сила всесвітнього тяжіння.

Маса зір настільки велика, що сила тяжіння заважає речовині зорі розлітатися в навколишньому просторі, притягує його до центра зорі.

На кожну частинку речовини усередині зорі постійно діють дві сили: одна з них — сила тиску світлових променів і розпеченого газу, що виникає в ході термоядерних реакцій у надрах зорі, відштовхує цю частку речовини геть від зорі; інша — сила тяжіння, що намагається притягнути її назад. Ці сили рівні за величиною, але протилежні за напрямом. Вони врівноважують одна одну впродовж мільйонів і мільярдів років.

Сонце й зорі — природні термоядерні реактори із гравітаційним утриманням плазми. Термоядерні реакції в надрах Сонця й зір «са­морегулюються»: ріст температури в центрі зорі за рахунок посилення потужності термоядерних реакцій веде до зростання газового (променевого) тиску й розширення зорі в просторі. Збільшення розмірів зорі знижує тиск шарів речовини, що розміщені вище, на ті, що розташовані нижче, під дією сили ваги, що, у свою чергу, зменшує температуру й інтенсивність термоядерних реакцій у центрі зорі.

Далі можна ознайомити Студентів з методами обчислення внутрішніх параметрів Сонця й зір на основі газових законів. Під час викладу цього матеріалу корисно використовувати схеми, що демонструють зміну температури й тиски в надрах Сонця. їх застосування допомагає пояснити виникнення конвекції, її роль у переносі енерії від ядра зорі до зовнішніх шарів, а також природу й механізм виникнення сонячних плям і смолоскипових полів.

За допомогою законів фізики обчислимо температуру та густи­ну Сонця.

Знаючи радіус і масу Сонця, знайти температуру, тиск та густину Сонця в точці, віддаленій на половину радіуса від центра.

Дано-. R_¤, M_¤, R_¤/2

Знайти: Т — ? р — ? ρ — ?

Розв’язання

,

Тиск стовпу речовини дорівнює вазі цього стовпу на висоті , −середнє значення прискорення.

Отримані результати близькі до точних розрахунків.

ρ=1300 кг/м³, р= 6,1-10¹³ Па, Г = 3,410⁶К.