Энергия Солнца

Энергия Солнца.

Почему Солнце светит и не остывает уже миллиарды лет? Какое «топливо»

дает ему энергию? Ответы на этот вопрос ученые искали веками, и только в

начале XX века было найдено правильное решение. Теперь известно, что, как и

другие звезды, светит благодаря протекающим в его недрах термоядерным

реакциям. Что же это за реакции?

Если ядра атомов лёгких элементов сольются в ядро атома более тяжелого

элемента, то масса нового окажется меньше, чем суммарная масса тех, из

которых оно образовалось. Остаток массы превращается в энергию, которую

уносят частицы, освободившиеся в ходе реакции. Эта энергия почти полностью

переходит в тепло. Такая реакция синтеза атомных ядер может происходить

только при очень высоком давлении и температуре свыше 10 млн. градусов.

Поэтому она и называется термоядерной.

Основное вещество, составляющее Солнце, - водород, на его долю приходится

около 71% всей массы светила. Почти 27% принадлежит гелию, а остальные 2%-

более тяжелым элементам, таким как углерод, азот, кислород и металлы.

Главным «топливом» Солнца служит именно водород. Из четырех атомов

водорода в результате цепочки превращений образуется один атом гелия. А из

каждого грамма водорода, участвующего в реакции, выделяется 6x1011 Дж

энергии! На Земле такого количества энергии хватило бы для того, чтобы

нагреть от температуры 0о C до точки кипения 1000 м3 воды.

Рассмотрим механизм термоядерной реакции превращения водорода в гелий,

которая, по-видимому, наиболее важна для большинства звезд. Называется она

протон-протонной, так как начинается с тесного сближения двух ядер атома

водорода - протонов.

Протоны заряжены положительно, поэтому взаимно отталкиваются, причем, по

закону Кулона, сила этого отталкивания обратно пропорциональна квадрату

расстояния и при тесных сближениях должна стремительно возрастать. Однако

при очень высоких температуре и давлении скорости теплового движения частиц

столь велики, а частицам так тесно, что наиболее быстрые из них всё же

сближаются друг с другом и оказываются в сфере влияния ядерных сил. В

результате может произойти цепочка превращений, которая завершится

возникновением нового ядра, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, -

ядра гелия.

Далеко не каждое столкновение двух протонов приводит к ядерной реакции. В

течение миллиардов лет протон может постоянно сталкиваться с другими

протонами, так и не дождавшись ядерного превращения. Но если в момент

тесного сближения двух протонов произойдёт ещё и другое маловероятное для

ядра событие- распад протона на нейтрон, позитрон и нейтрино (такой процесс

называется бета-распадом), то протон с нейтроном объединятся в устойчивое

ядро тяжёлого водорода- дейтерия.

Ядро дейтерия (дейтон) по своим свойствам похоже на ядро водорода, только

тяжелее. Но, в отличие от последнего, в недрах звезды ядро дейтерия долго

существовать не может. Уже через несколько секунд, столкнувшись ещё с одним

протоном, но присоединяет его к себе, испускает мощный гамма-квант и

становится ядром изотопа гелия, у которого два протона связаны не с двумя

нейтронами, как у обычного гелия, а с одним. Раз в несколько миллионов лет

такие ядра лёгкого гелия сближаются настолько тесно, что могут объединится

в ядро обычного гелия, «отпустив на свободу» два протона.

Итак, в итоге последовательных превращений образуется ядро обычного

гелия. Порождённые в ходе реакции позитроны и гамма-кванты передают энергию

окружающему газу, а нейтрино совсем уходят из звезды, потому что обладают

удивительной способностью проникать через огромные толщи вещества, не задев

ни одного атома.

Реакция превращения водорода в гелий ответственна за то, что внутри

Солнца сейчас гораздо больше гелия, чем на его поверхности. Естественно,

возникает вопрос: что же будет с Солнцем, когда весь водород в его ядре

выгорит и как скоро это произойдёт?

Оказывается, примерно через 5 млрд. лет содержание водорода в ядре

настолько уменьшится, что его горение начнётся в слое вокруг ядра. Это

приведёт к «раздуванию» солнечной атмосферы, увеличению размеров Солнца,

падению температуры на поверхности и повышению её в ядре. Постепенно Солнце

превратится в красный гигант - сравнительно холодную звезду огромного

диаметра с атмосферой, превосходящей границы орбиты Земли. Жизнь Солнца на

этом не закончится, и оно будет претерпевать ещё много изменений, пока в

конце концов не станет холодным и плотным газовым шаром, внутри которого

уже не происходит никаких термоядерных реакций.