"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Солнце излучает энергию благодаря термоядерному синтезу в своих недрах. При высокой температуре и давлении ядра водорода сближаются и в несколько этапов превращаются в ядро гелия. Масса гелия немного меньше суммарной массы исходных ядер, а разность превращается в энергию по формуле E = mc². Эта энергия переносится наружу и достигает Земли в виде солнечного излучения.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Термоядерный синтез — реакция, в которой лёгкие атомные ядра сливаются и образуют более тяжёлое ядро. При этом может выделяться энергия, если новое ядро связано прочнее исходных. Именно такой процесс поддерживает излучение Солнца.
Протон-протонный цикл — цепочка ядерных реакций, в которой из четырёх ядер водорода постепенно образуется ядро гелия-4. В промежуточных стадиях возникают дейтерий, гелий-3, позитроны и нейтрино. Название подчёркивает, что исходными частицами служат протоны.
Дефект масс — разность между суммой масс исходных частиц и массой образовавшихся продуктов. Масса связанного ядра меньше суммы масс свободных нуклонов. По дефекту масс находят энергию реакции: E = Δmc².
Энергия связи — энергия, необходимая для полного разделения ядра на составляющие его протоны и нейтроны. Чем больше энергия связи на один нуклон, тем устойчивее обычно ядро. При образовании связанного ядра такая энергия выделяется.
Солнце излучает колоссальную мощность — около 3,8 · 10²⁶ Вт, то есть каждую секунду отдаёт огромное количество энергии. Химическое горение связано с перестройкой электронных оболочек и даёт примерно в миллионы раз меньше энергии на частицу, чем ядерные процессы. Поэтому даже гигантского запаса химического топлива не хватило бы, чтобы поддерживать солнечное излучение миллиарды лет.
В центре Солнца температура достигает примерно 15 миллионов кельвинов, а давление сжимает вещество до очень высокой плотности. Быстрые протоны чаще сталкиваются, а их большая кинетическая энергия помогает преодолеть электрическое отталкивание одинаково положительных зарядов. Когда ядра сближаются на очень малое расстояние, начинают действовать сильные ядерные силы и возможен синтез.
Цикл начинается со столкновения двух протонов: один из них превращается в нейтрон, поэтому образуется дейтерий, а также испускаются позитрон и нейтрино. Затем дейтерий захватывает ещё один протон, превращаясь в ядро гелия-3 и испуская фотон. Такие стадии происходят дважды, чтобы получить два ядра гелия-3.
Два ядра гелия-3 сталкиваются и образуют ядро гелия-4, а два лишних протона возвращаются в плазму и могут снова участвовать в цикле. В суммарной записи четыре протона превращаются в гелий-4, два позитрона, два нейтрино и энергию. Нейтрино почти свободно покидают Солнце, а энергия остальных продуктов постепенно передаётся веществу.
Масса ядра гелия меньше суммарной массы четырёх исходных протонов с учётом продуктов реакции. Эта разность не исчезает: она переходит во внутреннюю энергию, движение частиц и электромагнитное излучение по закону E = Δmc². Через сложный перенос энергии из глубины к поверхности энергия в конце концов выходит из Солнца как свет и другое излучение, достигающее Земли.
| Этап | Что происходит | Образующиеся частицы или ядра | Роль этапа в цикле |
|---|---|---|---|
| Начало цикла: превращение двух протонов | Два протона взаимодействуют; один превращается в нейтрон | Дейтерий, позитрон, нейтрино | Запускается цепочка и появляется первое связанное ядро |
| Образование ядра гелия-3 | Дейтерий соединяется с протоном | Ядро гелия-3 и фотон | Формируется промежуточный продукт; этап повторяется дважды |
| Объединение двух ядер гелия-3 | Два ядра гелия-3 сливаются | Ядро гелия-4 и два протона | Завершается превращение промежуточных ядер |
| Итог цикла: образование ядра гелия-4 и выделение энергии | Суммарно четыре протона превращаются в гелий-4 | Гелий-4, позитроны, нейтрино, фотоны и энергия | Часть массы переходит в энергию, поддерживая излучение Солнца |
Таблицу удобно читать сверху вниз: каждая строка показывает отдельную стадию, а последняя связывает промежуточные процессы с общим результатом. В графе «Образующиеся частицы или ядра» перечислены продукты конкретного шага, поэтому её нельзя заменять только итоговой формулой. Суммарное число протонов в начале и конце учитывают с учётом превращения части из них в нейтроны.
В реакции масса образовавшегося ядра на 0,03 а. е. м. меньше суммарной массы исходных частиц. Найдём энергию, соответствующую этому дефекту масс.
Ответ: выделившаяся энергия примерно равна 4,5 · 10⁻¹² Дж.
Оценим энергию, выделяемую при образовании одного ядра гелия-4 из четырёх ядер водорода, если дефект масс реакции равен Δm. Нужно сравнить суммарную массу исходных ядер с массой всех продуктов и взять их разность.
Ответ: энергия одного превращения равна E = Δmc²; численное значение зависит от указанного дефекта масс.
Пусть мощность излучения Солнца P ≈ 3,8 · 10²⁶ Вт, а энергия одного образования ядра гелия E₁ ≈ 4,3 · 10⁻¹² Дж. Найдём, сколько таких реакций должно происходить за секунду.
Ответ: оценочно происходит около 9 · 10³⁷ превращений в секунду.
Обычное горение. Иногда энергию Солнца связывают с горением, потому что Солнце кажется раскалённым огненным шаром. Ошибка возникает из-за смешения химических и ядерных процессов; проверка проста: химическое топливо не обеспечило бы мощность в течение миллиардов лет.
Сохранение массы как суммы масс. При ядерном синтезе считают, что масса продукта обязана равняться исходной. На самом деле масса продуктов меньше, а разность превращается в энергию; проверьте, вычислен ли дефект масс до применения E = Δmc².
Путаница с дефектом масс. Дефект иногда принимают за массу самого образовавшегося ядра. Это не масса продукта, а разность mисх − mпрод, поэтому его единицы те же, но физический смысл другой.
Пропуск промежуточных стадий. Запись «четыре протона превращаются в гелий» верна только как итог. Чтобы не потерять смысл цикла, проверьте наличие дейтерия, гелия-3, позитронов, нейтрино и двух этапов образования гелия-3.
Для понимания темы нужны знания о строении атомного ядра, протонах и нейтронах, законе сохранения энергии и единицах массы. Они позволяют правильно читать ядерные реакции и переводить дефект масс в энергию.
Тема связана с изучением радиоактивности и других ядерных реакций. Позже те же идеи помогают объяснять энергетический баланс звёзд: их свет определяется реакциями, происходящими в недрах.
Почему Солнце не может получать энергию за счёт обычного горения?
При горении происходят химические реакции, в которых участвуют электроны, а энергия связи атомов сравнительно мала. Запасов химического топлива хватило бы лишь на короткое время по сравнению с возрастом Солнца.
Где именно в Солнце происходят термоядерные реакции?
Основные реакции идут в ядре Солнца, где температура достигает примерно 15 миллионов кельвинов, а вещество находится под огромным давлением. В этих условиях ядра водорода сталкиваются достаточно часто и могут сближаться.
Что происходит с недостающей массой при образовании гелия?
Она не исчезает бесследно, а превращается в энергию. Это описывает формула E = Δmc², где Δm — дефект масс.
Почему для слияния ядер нужна очень высокая температура?
Положительно заряженные ядра отталкиваются электрическими силами. Высокая температура увеличивает их скорость и энергию, поэтому при столкновениях они могут достаточно сблизиться, чтобы начали действовать ядерные силы.
Как по дефекту масс определить энергию реакции?
Сначала дефект масс переводят в килограммы, затем подставляют его в формулу E = Δmc². Для оценки можно использовать c ≈ 3 · 10⁸ м/с.
1. Источник энергии Солнца
