Для школьников (по материалам учебной литературы).
Завораживающее зрелище, когда на тёмном небе видишь множество ярких звёзд. Что из себя представляет Вселенная, звёзды, как всё устроено в этом мире?
Просто В ПРОСТРАНСТВЕ Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Солнце тоже вращается вокруг своей оси и вокруг центра галактики "Млечный путь", галактика вращается вокруг своего центра и т. д.
Звёзды (в том числе наше Солнце) светятся собственным светом, наша планета светится отражённым от неё солнечным светом.
Всё это неизменно происходит уже в течение 13,8 млрд лет (предполагаемый возраст Вселенной).
Как в недрах Солнца вырабатывается такая огромная энергия, снабжающая Землю светом и теплом, без которых жизнь на нашей планете была бы невозможна?
На эти вопросы хочется получить ответы. Порассуждаем на эту тему.
О возникновении Вселенной и рождении звёзд говорилось и в предыдущей статье, вспомним основное.
Считается, что Вселенная возникла из очень малого по размеру, но очень плотного и чрезвычайно горячего Сгустка энергии-массы. На вопрос, откуда взялся такой Сгусток, ответа нет.
По какой-то причине произошло стремительное РАСШИРЕНИЕ этого Сгустка - возникло стремительно расширяющееся пространство (расширяющаяся Вселенная).
Исходя из наблюдений за Вселенной, с использованием понятий и законов физики, учёными была создана посекундная ТЕОРИЯ МГНОВЕННОГО РАСШИРЕНИЯ Сгустка, названная "Теорией Большого взрыва", хотя взрыва не было. (Но термин этого предполагаемого явления оставили без изменения).
Современные телескопы показали, что действительно удалённые от наблюдателя на Земле галактики удаляются от него, причём ускоренно, то есть Вселенная продолжает расширяться, что подтверждается эффектом Доплера.
На факт мгновенного расширения Вселенной указывает обнаруженное в 1965 году радиоизлучение (микроволновое электромагнитное излучение) одинаковой длины волны, приходящее на Землю со всех сторон космоса.
Это излучение назвали реликтовым (считается, что оно возникло в космосе в момент "Большого взрыва").
То, что реликтовое излучение приходит на Землю сразу со всех сторон, указывает на расширение Вселенной не в одном каком-то направлении, а сразу во всех направлениях и одинаково.
Считается, что при мгновенном расширении Сгустка энергии-массы космос наполнился частицами вещества (электронами, протонами) и фотонами высокой энергии. Фотоны испытывали постоянные столкновения с частицами, поэтому свет не мог распространяться свободно.
При очень высокой температуре (10 млн градусов), которая по мнению учёных была при "Большом взрыве", вещество существовало в виде плазмы (газа из частиц, хаотически движущихся с огромными скоростями, не дающими частицам возможности объединяться в атомы).
С охлаждением Вселенной, связанной с её быстрым расширением, электроны и протоны стали объединяться, создавая нейтральные атомы водорода. Освободившиеся фотоны стали свободно перемещаться в пространстве - стало светло.
Водород Н, атом которого состоит из одного протона и одного электрона, является самым простым и распространённым элементом во Вселенной.
Считается, что после "Большого взрыва " Вселенная наполнилась огромными газо-пылевыми облаками, состоящими в основном из водорода с присутствием гелия.
Из этих облаков формировались (рождались) первые звёзды, которые в основном из водорода и состояли. Так же рождались звёзды следующих поколений и сейчас этот процесс идёт. Как это происходит?
Прежде, чем говорить о рождении звёзд, вспомним некоторые понятия из атомной и ядерной физики, которые нам будут нужны.
Необходимые сведения из атомной и ядерной физики
Мы знаем, что все вещества построены из молекул, а молекулы из атомов.
Атомы представляют собой гораздо более ПРОЧНЫЕ системы, чем состоящие из атомов молекулы. Так, молекулы легко распадаются на атомы даже при нагревании вещества.
Под атомами понимаются мельчайшие частицы химических элементов.
Ниже показано начало периодической таблицы элементов Менделеева, в которой каждый элемент занимает своё место в соответствии с его химическими и физическими свойствами и в соответствии со строением атомов.
Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки, несущей отрицательный электрический заряд.
Положительный заряд ядра атома равен суммарному отрицательному заряду электронной оболочки, поэтому атом в целом не заряжен.
Ниже показана схема АТОМА ВОДОРОДА, занимающего в таблице Менделеева ячейку под номером 1.
В атоме водорода вокруг положительно заряженного ядра с зарядом +е вращается единственный электрон, имеющий заряд -е.
Покажем ещё схему атома неона, занимающего в таблице Менделеева ячейку под номером 10.
Его электронная оболочка содержит 10 электронов с общим зарядом -10е. Заряд ядра атома НЕОНА равен +10е.
ЯДРА АТОМОВ состоят из двух видов частиц - протонов р и нейтронов п.
Протон р имеет положительный заряд +е, у нейтрона п заряда нет (нейтрон электрически нейтрален).
Ядро гелия Не состоит из 2 протонов и 2 нейтронов, а ядро лития - из трёх протонов и трёх нейтронов (3-порядковый номер лития в таблице Менделеева).
Ядро гелия можно обозначать так: Не(2р+2п), а ядро лития так: Li (3р+3п).
Заряд протона е (и равный ему по модулю отрицательный заряд электрона) называется элементарным зарядом.
Положительный заряд ядра атома равен суммарному заряду протонов в нём.
Таким образом, все окружающие нас предметы состоят всего из трёх видов внутриатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов.
Массу ядра измеряют в особых единицах, называемых атомными единицами массы (а. е. м.).
За 1 а. е. м. принята 1/12 часть массы изотопа углерода с массовым числом 12. Массы протона и нейтрона очень близки к 1 а. е. м.
У протонов и нейтронов есть общее имя, их называют нуклонами.
Число протонов в ядре характеризует заряд ядра и называется зарядовым числом Z.
Число нейтронов в ядре обозначается буквой N. Общее число протонов и нейтронов в ядре характеризует массу ядра и называется массовым числом А:
А = Z + N
Символически ядро атома записывается так:
Ядра, содержащие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов называются изотопами.
(Изотопы - зто разновидности атомов одного и того же элемента).
Так, ядро обычного атома водорода Н (протия), состоящее из одного протона, обозначается символом
или просто Н, или р, так как ядро протия состоит из одного протона.
Ядро тяжёлого атома водорода, дейтерия, состоящее из 1 протона и 1 нейтрона, обозначается символом
или Н(1р+1п), или буквой D (дейтерий).
Ядро трития (изотопа водорода) состоит из одного протона и двух нейтронов:
обозначается
или Н(1р+2п), или Т(тритий).
Нуклоны в ядре атома связаны между собой ядерными силами взаимодействия (самыми мощными фундаментальными силами природы), преодолевающими электростатические силы отталкивания между протонами. Ядерные силы носят обменный характер - нуклоны в ядре обмениваются частицами мезонами.
В ядрах атомов сосредоточена огромная энергия (ядерная энергия), которая проявляется в процессах ПРЕВРАЩЕНИЯ ЯДРА ОДНОГО ЭЛЕМЕНТА в ЯДРО ДРУГОГО ХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА (в ядерных реакциях).
Ядерные реакции идут в центральной части звёзд (в том числе Солнца) благодаря сверхвысоким установившимся там температурам.
Но как может появиться начальной высокая температура в центре звезды, достаточная для возникновения ядерной реакции?
Вначале используется факт нагревания вещества при его сжатии гравитационными силами. Подробнее об этом будет сказано далее.
Как рождаются, живут и умирают звёзды?
Как и всё в природе, звёзды рождаются, живут и умирают.
Зарождаются звёзды из гигантских газо-пылевых облаков в местах наибольшей плотности вещества (назовём их сгустками), состоящих в основном из водорода, под действием гравитационных сил.
Гравитационные силы, притягивая к себе частицы облака, увеличивают массу СГУСТКОВ, их плотность, давление и температуру в них, создавая условия для рождения в этих местах будущих звезд.
Сначала рождается протозвезда (ещё не настоящая звезда), температура в центре которой, благодаря гравитационным силам, неуклонно растёт. Все процессы, протекающие в космосе, очень длительны. Вероятно это растягивается на миллионы лет.
Когда масса вещества в ПРОТОЗВЕЗДЕ достигает 0,1 массы Солнца, а температура достигает 1 млн К, в протозвезде начинается реакция слияния двух ядер дейтерия D в ядро гелия Не(2р+1п) с выделением энергии в 3,26 МэВ.
(Считается, что ядра дейтерия D, как и гелия Не(2р+1п) образовались в каком-то количестве ещё в дозвёздный период, при "Большом взрыве". когда температура была ещё очень высокой).
Получаемая при этой реакции энергия 3,26 МэВ позволила через какое-то время получить в центре протозвезды достаточно высокую температуру.
Если до начала указанной ядерной реакции протозвезда нагревалась за счёт гравитационного сжатия, то теперь она стала нагреваться за счёт ядерной реакции синтеза- слияния двух ядер дейтерия D в ядро гелия Не(2р+1п).
При достижении температуры 10 млн градусов РОЖДАЕТСЯ настоящая звезда.
Размеры звезды не меняются, пока в её центре идёт сгорание водорода. По мере прохождения ядерной реакции синтеза масса водорода уменьшается, а масса гелия увеличивается.
Когда водород выгорит, снова начинают действовать силы гравитации, нагревая гелиевое ядро - энергия ядер гелия увеличивается.
Избыточная энергия выплёскиваться по направлению к менее горячей поверхности звезды и выходит наружу.
Одновременно с ростом температуры в центре звезды растёт давление, согласно газовым законам.
Таким способом звезда, сжигая водород, не даёт сжать себя до сверхплотного состояния. В результате устанавливается устойчивое энергетическое равновесие, в котором звезда находится (ЖИВЁТ) миллиарды лет, пока не станет заканчиваться водород.
Вырабатываемой в термоядерных реакциях энергии хватает для пополнения энергии, теряемой звездой на излучение во внешнюю среду и на поддержание температуры звезды.
(Такие звёзды, как наше Солнце, живут примерно 10 млрд лет. Возраст Солнца 4,5 млрд лет - оно будет жить ещё не менее 5 млрд лет).
Когда водород (топливо звезды) заканчивается, звезда начинает умирать.
ВРЕМЯ ЖИЗНИ звезды сильно зависит ОТ ЕЁ МАССЫ
Как УМИРАЕТ звезда с массой БЛИЗКОЙ к массе Солнца?
В таких звёздах, по мере уменьшения запасов водорода, силы гравитации всё более сжимают и уплотняют звезду, что приводит к увеличению температуры.
В СЛОЯХ, окружающих ядро звезды, температура поднимается до такой величины, что содержащийся там водород вступает в реакцию термоядерного синтеза с образованием гелия.
В это время температура в ядре, состоящем практически из одного гелия, вступает в новую реакцию термоядерного синтеза - из трёх ядер гелия образуется одно ядро углерода.
При этой реакции выделяется настолько БОЛЬШАЯ ЭНЕРГИЯ, что звезда сильно увеличивается в объёме, превращаясь в красного гиганта.
После этого температура внутри ядра звезды больше не способна подняться настолько, чтобы началась термоядерная реакция следующего уровня.
Звезда сжимается и, УМИРАЯ, превращается в белого карлика, а содержимое оболочки в виде тумана спокойно уходит в межзвёздное пространство, из него будет формироваться новая звезда.
А что происходит в умирающих МАССИВНЫХ (по сравнению с Солнцем) звёздах?
После сжигания гелия, масса таких звёзд оказывается достаточной для запуска в них следующих реакций синтеза - углерода, затем кремния, затем магния и т. д. до железа, включительно.
При этом в начале каждой новой реакции в ядре звезды, предыдущая реакция продолжается в её оболочке.
Дальше железа реакция не идёт, поэтому железо накапливается внутри ядра звезды. При определённой температуре и давлении внутри ядра, электроны начинают взаимодействовать с протонами ядер железа, в результате чего образуются нейтроны.
Свободные электроны быстро растворяются в протонах ядер железа. Всё вещество ядра звезды превращается в сгусток нейтронов и, не встречая противодействия, начинает стремительно сжиматься.
Внешняя оболочка звезды обрушивается к её центру. При очень сильном столкновении оболочки с нейтронным ядром, оболочка с огромной скоростью отскакивает от ядра во все стороны - звезда взрывается в ослепительной вспышке СВЕРХНОВОЙ звезды.
При этой вспышке происходят реакции, в результате которых образуются химические элементы ТЯЖЕЛЕЕ ЖЕЛЕЗА. Считается, что именно в массивных умирающих звёздах образуются ВСЕ химические элементы Вселенной.
Итак, звёзды образуются из газо-пылевых облаков. Первые облака после Большого взрыва состояли в основном из водорода. И первые звёзды тоже состояли в основном из водорода.
Наша звезда (Солнце) относится к поздним звёздам, когда газо-пылевые облака содержали не только водород и гелий, но и все элементы таблицы Менделеева, поэтому и Солнце имеет такой же состав: водород -73,7%; гелий- 24,5%; все остальные химические элементы -1,8%. (Отметим, что тяжёлых химических элементов в составе Солнца очень мало и основную энергию Солнце получает при сжигании водорода).
Надо отметить, что реальность Большого взрыва находит научные подтверждения, поэтому относиться к ней скептически не стоит.
В качестве доказательств реальности "Большого взрыва", кроме расширения Вселенной и существования реликтового излучения, можно отметить следующие факты:
Эволюция звёзд показывает, что в звёздах, сформировавшихся сразу после "Большого взрыва" преобладают лёгкие химические элементы, что в них содержится 75% водорода и около 25% гелия, с небольшими долями процентов дейтерия и лития;
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил галактику, образовавшуюся вскоре после Большого взрыва с крайне низким содержанием металлов (тогда во Вселенной ещё не было тяжёлых металлов). Этот телескоп обнаружил также шесть "объектов-изгоев", не входящих в состав ни одной звёздной системы. Эти объекты зародились как звёзды, но в них не разожглись термоядерные реакции, и они остались холодными и тёмными;
Если бы Вселенная была статична, то распределение объектов в ней было бы равномерным - на самом деле этой равномерности нет. Основная масса вещества во Вселенной находится не в звёздах, как нам думается, а в облаках межзвёздного газа, занимающего гигантские размеры;
И ещё гелия во Вселенной содержится примерно 20 %, а в результате термоядерных реакций его образуется мало, поэтому считают, что основная масса гелия во Вселенной образовалась в дозвёздный период, вскоре после Большого взрыва. В литературе пишут, что проведенные расчёты содержания гелия подтверждают это.
Термоядерные реакции в недрах звёзд
Термоядерными реакциями называются реакции слияния (синтеза) лёгких атомных ядер в более тяжёлые, происходящие при сверхвысоких температурах в 10 миллионов градусов и выше.
Термоядерные реакции в звёздах играют двойную роль, выступая как ОСНОВНОЙ источник энергии звёзд, в том числе Солнца, и как МЕХАНИЗМ образования ядер химических элементов (об этом говорилось выше).
Ввиду очень большого содержания водорода в звёздах, особое место занимают термоядерные реакции СЛИЯНИЯ ЯДЕР ВОДОРОДА В ЯДРА АТОМОВ ГЕЛИЯ. Именно они ответственны за энергетические превращения 4 протонов в ядро гелия и возникновение двух позитронов:
В процессе реакции выделяется энергия около 27 МэВ. Реакция превращения водорода в гелий является основным источником энергии звёзд, в том числе и Солнца.
Этот КОНЕЧНЫЙ результат реакции можно получить двумя различными путями:
1) в так называемой протон-протонной (рр) цепочке, или водородном цикле;
2) в так называемом углеродно-азотном (CN), или углеродном цикле (см. табл.)
Полагают, что в условиях Солнца и менее ярких звёзд в полном выделении энергии преобладает рр-цикл, а в более ярких звёздах - CN- цикл.
В обоих циклах процесс синтеза гелия их водорода осуществляется не в одной конечной реакции и не одновременно, а осуществляется в три этапа (в трёх реакциях).
(Эти промежуточные реакции и одинаковая итоговая реакция указаны в таблицах в левых столбцах).
Средние столбцы таблиц показывают, какая мощность выделяется в этих реакциях.
Правые столбцы таблиц указывают на время протекания реакций. Время протекания реакций, за исключением некоторых, очень велико.
Так, реакция слияния двух протонов в ядро гелия идёт в звезде (Солнце) около миллиона лет.
НА СЛЕДУЮЩЕМ РИСУНКЕ показаны возможные ядерные реакции превращения водорода в гелий по водородному (протон-протонному) циклу и по углеродному (CN) циклу. Конечная формула обоих циклов одинакова:
4Н --- Не
При реакциях по обоим циклам появляется много элементарных частиц.
(Надо иметь ввиду, что эти реакции происходят не во всём объёме Солнца , а в его ЦЕНТРАЛЬНОЙ части).
Для осуществления термоядерной реакции необходимо выполнение двух условий:
1) нагрев вещества до температуры 10-20 млн градусов;
2) длительное поддержание такой сверхвысокой температуры.
Выполнение второго условия необходимо для того, чтобы успело произойти большое число реакций; чтобы энергия, выделенная в этих реакциях, превышала энергию, затраченную на нагревание вещества.
Второе условие для протекания термоядерной реакции на Солнце выполняется, так как термоядерная реакция происходит не во всём объёме Солнца, а в его центральной части, надёжно изолированной от внешней среды.
Первое условие для протекания термоядерной реакции на Солнце тоже выполняется - температура в его центре равна примерно 15 млн градусов.
Полагают, что на Солнце скорее осуществляется протон-протонный цикл, который идёт очень медленно и состоит из трёх ядерных реакций:
- в первой реакции из ядер водорода образуются ядра дейтерия (тяжёлого изотопа водорода с атомной массой 2);
- во второй реакции из ядер дейтерия образуются ядра изотопа гелия с атомной массой 3;
- в третьей реакции из них образуются ядра устойчивого изотопа гелия с атомной массой 4.
На рисунке ниже показано протекание термоядерной реакции слияния двух ядер тяжёлого водорода (дейтерия) в одно ядро гелия при температуре 10 млн градусов. При этой реакции выделяется энергия в 300 млрд калорий.
ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ сопровождаются ВЫДЕЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ, потому что в них, как правило, идут процессы образования более плотных ядер из более рыхлых.
Почему ядро атома, состоящее из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов не разваливается под действием кулоновских сил отталкивания между протонами?
Потому что между нуклонами в ядре атома действуют самые мощные силы в природе - ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ, которые преодолевают электростатические силы отталкивания протонов.
Стабильность атомного ядра характеризуется энергией связи.
ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДРА - это энергия, которую надо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны или энергия связи есть энергия, выделяющаяся при образовании ядра атома.
Понятие энергии связи ядра связано с понятием дефекта массы.
Эксперименты показывают, что МАССА ЯДРА ВСЕГДА МЕНЬШЕ СУММЫ МАСС НУКЛОНОВ, ИЗ КОТОРЫХ ВЕЩЕСТВО СОСТОИТ.
ДЕФЕКТ МАССЫ (Δm) — это разница между суммарной массой свободных нуклонов (протонов и нейтронов), из которых состоит ядро, и массой самого ядра:
Δm=Z⋅mp+N⋅mn−m ядра,
где: mp — масса протона; mn — масса нейтрона.
Энергия связи ядра находится по формуле:
где с -скорость света.
В ядерной физике используются следующие понятия:
Переводной коэффициент: 1 а. е. м. соответствует энергия ΔE=931,5 МэВ;
Удельная энергия связи - это энергия необходимая для удаления одного нуклона из ядра атома.
УДЕЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ максимальна для ядер с массовым числом от 50 до 60. Сюда относится и железо - это наиболее устойчивые ядра.
Для ядер с массовым числом, меньшим 50, энергия связи растёт с ростом массового числа, а для ядер химических элементов с массовым числом, большим 60, уменьшается.
Ядра, с массовым числом, большим 83, являются радиоактивными, из-за относительно низкой удельной энергии связи.
ЗАДАЧА. Найти энергию, которая выделяется 1 кг гелия в реакции термоядерного синтеза слияния дейтерия и трития, когда в результате реакции получается ядро гелия и частица нейтрон.
РЕШЕНИЕ. Найдём дефект массы - разность между суммарной массой изотопов водорода (дейтерия и трития) и суммарной массой продуктов реакции (ядра гелия и нейтрона):
Энергию, выделившуюся в процессе реакции, найдём с использованием переводного коэффициента 931,5 МэВ
Найдём количество ядер, содержащихся в 1 кг гелия:
Энергия, выделившаяся в процессе реакции:
Ответ: В процессе реакции выделилась энергия, равная 4,2 *10 14 Дж.
ИТАК, главным процессом, ответственным за выделение энергии Солнцем, является превращение 4 протонов в ядро гелия Не(2р+2п)
При этом ещё получаются два ПОЗИТРОНА (античастицы электрона) и излучаются 2 нейтрино.
В процессе реакции выделяется энергия около 27 МэВ.
Энергия, получаемая при превращении водорода в гелий и есть источник энергии Солнца.
Частица НЕЙТРИНО испускается во всех процессах, где рождается позитрон. Нейтрино - это частица, имеющая крайне малую массу, в миллион раз меньшую массы электрона, не имеющая заряда.
Благодаря этим свойствам нейтрино обладает исключительно высокой проникающей способностью, она почти не взаимодействует с веществом. Например, излучаясь Солнцем, она спокойно проходит через всю толщу Земли.
Частица нейтрино винтообразна - она как бы ввинчивается в пространство.
Наконец ответим на вопрос: почему планеты, звёзды, галактики вращаются? Потому что это соответствует их состоянию равновесия, соответствует закону сохранения момента импульса для замкнутой вращающейся системы.
Вращающееся вокруг своей оси (или параллельной ей оси) тело, при отсутствие тормозящих сил, будет продолжать вращаться с постоянной угловой скоростью, как вращается Земля вокруг собственной оси и вокруг Солнца.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Оптические приборы (телескопы). Зарождение и развитие астрономии. Кратко о законах гравитации Ньютона и Эйнштейна. Взгляд на Вселенную.
Следующая запись:
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70
Ссылки на статьи, начиная с оптики, будут даны в конце статьи "Оптика. Скорость света ...