"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под редакцией Орлова В.А.
Солнце светит благодаря термоядерному синтезу в своём ядре: при высокой температуре и давлении ядра водорода превращаются в ядра гелия. В ходе цепочки реакций часть массы переходит в энергию, которая постепенно достигает поверхности и уходит в космос как электромагнитное излучение. Понимание этого процесса объясняет, почему Солнце может излучать огромную мощность миллиарды лет и почему ядерные реакции намного эффективнее химического горения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Термоядерный синтез — объединение лёгких атомных ядер в более тяжёлое ядро при очень высокой температуре с выделением энергии. Слово «термоядерный» указывает на необходимые горячие условия, а «синтез» — на соединение ядер. Это понятие помогает отличить источник энергии звёзд от химического горения.
Протон-протонный цикл — последовательность ядерных реакций, в которой из четырёх протонов образуется ядро гелия. Реакции идут не одним прямым столкновением, а через промежуточные стадии. Название цикла обозначает основной механизм выделения энергии в Солнце.
Дефект массы — разность между суммой масс исходных частиц и массой образовавшегося ядра. Он показывает, насколько масса продуктов реакции меньше массы частиц до реакции. Это понятие позволяет определить, сколько энергии выделится при синтезе.
Энергия связи — энергия, необходимая для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны. Иначе говоря, она характеризует, насколько прочно частицы удерживаются вместе. Сравнение энергий связи помогает понять, почему образование некоторых ядер сопровождается выделением энергии.
В ядре Солнца температура достигает примерно 15 миллионов градусов, поэтому протоны движутся с большими скоростями. Давление вышележащих слоёв удерживает вещество в плотном состоянии и способствует частым столкновениям. Высокая температура и плотность вместе повышают вероятность того, что ядра сблизятся достаточно для реакции.
Протоны имеют одинаковый положительный заряд и отталкиваются, поэтому обычного сближения недостаточно: им нужно преодолеть электрический барьер. При солнечной температуре не каждый протон обладает энергией для такого сближения. Однако в квантовой физике существует туннелирование: иногда частица проходит через барьер даже без классически необходимой энергии. Это делает реакции возможными, хотя каждая отдельная реакция происходит редко.
В протон-протонном цикле сначала два протона образуют дейтерий — ядро тяжёлого водорода; при этом испускаются позитрон и нейтрино. Затем дейтерий соединяется с ещё одним протоном, образуя ядро гелия-3 и гамма-квант. После объединения двух ядер гелия-3 возникает ядро гелия-4 и возвращаются два протона. В сумме четыре протона превращаются в гелий-4, а также испускаются два позитрона, два нейтрино и энергия, в том числе в форме гамма-квантов.
Масса ядра гелия меньше суммарной массы частиц, из которых оно образовалось: разность и есть дефект массы Δm. Эта масса не пропадает, а переходит в энергию по формуле E = Δmc², где c — скорость света. Поскольку скорость света очень велика, даже небольшой дефект массы соответствует значительной энергии. Энергия связи ядра также связана с этим эффектом: чтобы разобрать ядро на нуклоны, нужно затратить энергию.
Из ядра энергия постепенно проходит наружу через слои Солнца. В зоне излучения она переносится главным образом излучением: поглощение и повторное испускание фотонов продвигают энергию дальше. Во внешней конвективной зоне её переносит движение вещества: нагретые слои поднимаются, остывшие опускаются. Достигнув поверхности, энергия уходит в космос как электромагнитное излучение, которое нагревает планеты и освещает их.
| Этап или характеристика | Что происходит | Роль в выделении энергии |
|---|---|---|
| Условия в ядре Солнца | Протоны движутся при очень высокой температуре и находятся под огромным давлением | Создаются условия для столкновений и ядерных реакций |
| Протон-протонный цикл | Четыре протона превращаются в ядро гелия | Часть массы превращается в энергию |
| Дефект массы | Масса продуктов реакции меньше массы исходных частиц | Выделяется энергия E = Δmc² |
| Перенос энергии внутри Солнца | Энергия проходит через зоны излучения и конвекции | Энергия достигает поверхности |
| Излучение Солнца | Энергия испускается в виде электромагнитного излучения | Солнце поддерживает излучение и нагрев планет |
Читайте таблицу сверху вниз: первые этапы показывают, откуда берётся энергия, а последние — как она выходит из Солнца. Колонка о роли помогает связать условия и реакции с наблюдаемым излучением. Не следует путать образование энергии в ядре с её переносом к поверхности.
Задача 1. При превращении водорода в гелий дефект массы составляет 0,0287 а.е.м. Определите энергию реакции в МэВ, если 1 а.е.м. = 931,5 МэВ. Переводить массу в килограммы здесь не нужно: заданное соотношение сразу связывает атомные единицы массы и мегаэлектронвольты.
Ответ: примерно 26,7 МэВ.
Задача 2. Солнце излучает мощность 3,8 · 10²⁶ Вт. Найдите массу, превращающуюся в энергию за секунду. Мощность — это энергия, излучаемая за единицу времени, поэтому за одну секунду энергия равна численно мощности, а затем можно применить E = mc².
Ответ: около 4,2 · 10⁹ кг ежесекундно превращается в энергию излучения.
Задача 3. Сравните энергию синтеза из 1 кг водорода при коэффициенте преобразования массы 0,007 с энергией сгорания 1 кг угля, равной 3 · 10⁷ Дж. Коэффициент показывает, какая доля массы переходит в энергию, поэтому сначала найдём массу, соответствующую дефекту, а затем вычислим отношение энергий.
Ответ: синтез выделяет примерно в 21 миллион раз больше энергии, чем сгорание 1 кг угля.
Считать, что Солнце светит из-за химического горения, — значит смешивать химические реакции электронных оболочек с ядерными реакциями. Такая версия может казаться привычной, потому что при горении выделяется тепло, но его недостаточно для объяснения солнечной мощности и времени свечения. Проверка проста: в условиях ядра происходят превращения ядер, а не только химические изменения вещества. Поэтому источник энергии Солнца — синтез водорода в гелий.
Описывать превращение четырёх протонов как их простое механическое соединение — неверно: цикл состоит из промежуточных реакций. Эту ошибку допускают, когда запоминают только итог, но не учитывают испускание позитронов и нейтрино. Проверьте себя, записав суммарный результат и перечислив частицы, которые появляются в ходе реакций. Тогда описание не будет сводить ядерный процесс к обычному столкновению.
Дефект массы не означает, что часть вещества бесследно исчезла. Такое впечатление возникает, если рассматривать только массу покоя продуктов и не учитывать энергию реакции. Проверка: примените E = Δmc² и убедитесь, что разности масс соответствует энергия, уносимая излучением и частицами. В расчётах важно следить за единицами массы и энергии.
Нельзя подставлять в E = mc² массу без согласования единиц или считать, что в энергию превращается вся масса Солнца. Обычно речь идёт о небольшой доле массы участвующих в реакции частиц, и для расчёта нужны килограммы, если энергию ищут в джоулях. Ошибка возникает из-за того, что формула выглядит простой, а единицы легко упустить. Проверьте размерность и смысл величины: Δm — именно дефект массы, а не масса всего Солнца.
Для понимания темы понадобятся знания о строении атома и ядра, составе протона и нейтрона, изотопах и ядерных реакциях. Также нужно уметь применять закон сохранения энергии, пользоваться формулой E = mc² и переводить единицы массы и энергии. Эти знания помогают объяснить и рассчитать выделение энергии в звёздах. Позже они пригодятся при изучении эволюции звёзд, ядерной энергетики, спектра Солнца и происхождения энергии других звёзд.
Почему протоны вообще могут соединяться, если они электрически отталкиваются?
Сближению мешает электрическое отталкивание одноимённо заряженных протонов. В ядре Солнца высокая температура сообщает им большие скорости, а квантовое туннелирование даёт небольшую вероятность пройти через энергетический барьер. Когда протоны оказываются достаточно близко, начинает действовать сильное ядерное взаимодействие, которое связывает нуклоны.
Почему Солнце не взрывается мгновенно, а светит миллиарды лет?
Термоядерные реакции в ядре идут постепенно: вероятность сближения протонов и превращения их в гелий невелика. Кроме того, давление горячего вещества уравновешивает гравитационное сжатие, поэтому Солнце сохраняет устойчивость. Энергия переносится из ядра наружу не мгновенно, а постепенно.
Куда девается масса при превращении водорода в гелий?
Масса не исчезает бесследно: масса продуктов реакции меньше массы исходных частиц. Разность называется дефектом массы и переходит в энергию, согласно формуле E = Δmc². Эта энергия уносится излучением и частицами, а затем участвует в поддержании излучения Солнца.
Как энергия из ядра Солнца доходит до его поверхности?
Внутри Солнца энергия переносится через разные области: в зоне излучения — главным образом излучением, а во внешней конвективной зоне — движением горячего вещества. У поверхности энергия выходит в виде электромагнитного излучения. Оно распространяется через космическое пространство и достигает планет.
Можно ли осуществить такой же термоядерный синтез на Земле?
Термоядерный синтез на Земле возможен, но для него нужно нагреть лёгкие ядра до очень высоких температур и удерживать горячую плазму достаточно долго. Это сложно из-за электрического отталкивания ядер и требований к устойчивости установки. Исследования продолжаются, а управляемый синтез рассматривают как потенциальный источник энергии.
1. Источник энергии Солнца
