Ядерные реакции на солнце – все о космосе

Все о космосе

…Обсерватория мало походила на обычную. Не было ни традиционных башен с вращающимися куполами, ни телескопов, пи даже причудливых антенн радиотелескопов, улавливающих далекие радиоголоса Вселенной.

Вместо всего этого в стороне от главного здания высилось какое-то огромное сооружение, отдаленно напоминающее гигантскую бетономешалку. Массивные колонны поддерживали огромный металлический резервуаре раструбом, обращенным в землю.

Резервуар плавно вращался, и его тень в лучах полной Луны медленно ползла по бетонированной площадке.

Мы подошли к пульту управления инструментом. Здесь не было ни окуляров, как у обычных телескопов, ни телеэкрана. Вместо этого зеленый луч чертил на экране осциллографа замысловатую кривую, да ритмично вспыхивали неоновые лампочки.

— Это и есть наш новый телескоп, — сказал один из сотрудников обсерватории, — сейчас мы ведем наблюдение за Солнцем.

И он показал пальцем куда-то в Землю, туда, куда был направлен раструб телескопа.

Не правда ли, странно? Наблюдать за Солнцем в ночное время, да еще сквозь толщу земного шара…

Пока что подобных обсерваторий не существует, по вполне вероятно, что они появятся в самом недалеком будущем. Рождается еще один новый метод изучения Вселенной — нейтринная астрономия.

Расшифровка информации, содержащейся в космических электромагнитных волнах: световых, радио, ультрафиолетовых, рентгеновских, гамма-лучах — как мы уже знаем, позволяет решать ряд важных задач изучения Вселенной.

Но подобные методы страдают существенным недостатком. Они не дают возможности заглянуть внутрь звезд и выяснить характер происходящих там процессов.

Дело в том, что электромагнитные излучения, которые рождаются в недрах звезды, не могут «пробиться» сквозь толщу ее вещества к поверхности и до нас не доходят.

В связи с этим астрономы вынуждены довольствоваться лишь чисто теоретическими способами изучения источников могучей звездной энергии.

Что происходит в центральной части звезды? В каком состоянии находится ее вещество? Какие именно ядерные реакции протекают в ее глубинах? На все эти вопросы до сих пор нет однозначного ответа.

И только в самые последние годы благодаря успехам современной ядерной физики наметился новый, весьма перспективный путь проникновения в тайны внутреннего строения звезд.

Он связан с открытием и изучением особой ядерной частицы — нейтрино. История ядерной физики знает немало примеров блестящих теоретических предвидений.

Так, например, в конце 20-х годов нашего столетия знаменитый английский физик Поль Дирак разработал теорию движения электронов в атомах, быстро завоевавшую всеобщее признание.

Эта теория, между прочим, утверждала, что элементарные частицы материи могут отличаться друг от друга не только массой, но также своими электрическими и магнитными свойствами. В частности, она предсказывала, что в природе наряду с электронами должны существовать «антиэлектроны», т. е.

частицы с массой электрона, но обладающие положительным зарядом. Прошло всего четыре года, и при изучении космических лучей был обнаружен позитрон— частица, в точности совпадающая с антиэлектроном Дирака.. В настоящее время физикам известны также антинейтроны, антипротоны и многие другие античастицы,

В 1931 г. была теоретически открыта еще одна элементарная частица. Изучая процессы так называемого радиоактивного бета-распада, физики выяснили, что нейтрон может самопроизвольно распадаться на протон и электрон.

Однако при этом обнаружилось явное несоответствие с законом сохранения энергии.

Измерение энергии вылетающего электрона каждый раз давало новые результаты, а в ряде случаев общей энергии продуктов реакции явно недоставало по сравнению с теоретическими подсчетами.

Куда же может исчезать энергия?

Ответ на этот вопрос дал известный швейцарский физик Вольфганг Паули. Закон сохранения энергии, — рассуждал ученый, — не может не выполняться. Значит, недостающая энергия только кажется нам исчезнувшей. В действительности ее уносит с собой какой-то материальный носитель — неизвестная мам частица.

Но эта частица неуловима, ее никак не удается обнаружить. Следовательно, она чрезвычайно мала, обладает ничтожной массой и не должна иметь электрического заряда.

В связи с этим знаменитый итальянский физик Энрико Ферми предложил называть новую частицу «нейтрино», что на итальянском языке одновременно означает и «маленький» и «нейтральный».

Если нейтрино действительно реальная частица, то в природе должна существовать и соответствующая ему античастица — антинейтрино. Однако «поймать» новые частицы долгое время не удавалось. Чтобы обнаружить нейтрино, надо было заставить его вступить в какое-либо взаимодействие с другими частицами и зафиксировать полученный эффект.

Но благодаря своим свой­ствам нейтрино может совершенно беспрепятственно проходить сквозь гигантские толщи вещества. Как говорят физики, длина свободного пробега этой частицы, т. е. среднее расстояние, которое она способна пройти в веществе, не испытывая соударений с другими частицами, исчисляется миллионами миллиардов километров.

Это означает, что нейтрино, вылетевшее по направлению к Земле, например с Полярной звезды, находя­щейся от нас на расстоянии около 600 световых лет, легко преодолело бы это расстояние даже в том случае, если бы все пространство между Полярной звездой и Землей было сплошь заполнено чугуном. Более того, совершив такой «подвиг», нейтрино могло бы, продолжая свое движение, преодолеть еще несколько подобных препятствий.

Представим себе па минуту фантастический живой организм, состоящий из одних только нейтрино. Взаимодействие такого «нейтринного существа» с обычным веществом было бы чрезвычайно слабым. Оно проникало бы с необычайной легкостью сквозь закрытые двери и толстые стены.

Недавно один американский физик подсчитал, что для заметного поглощения нейтрино веществом необходимо, чтобы его плотность достигала чудовищной величины: 1012—1015 граммов в одном кубическом сантиметре. Это значит, что даже такие сверхплотные звезды, как белые карлики (плотность которых составляет около 108 граммов в кубическом сантиметре), являются «прозрачными» для нейтрино.

Как же все-таки уловить нейтрино? Для этого, прежде всего, очевидно, необходим мощный источник таких частиц, который создавал бы интенсивный нейтринный поток. Подобные источники в распоряжении современных физиков имеются.

Это ядерные реакторы определенных типов, во время работы которых создается сильное антинейтринное излучение: до 10 млрд. частиц за каждую миллиардную долю секунды. Поток этот направляют на вещество, содержащее ядра атомов водорода — протоны.

Взаимодействуя с ними, антинейтрино вызывают ядерную реакцию — протоны превращаются в нейтроны. Случается это не часто. В целой тонне водородо-содержащего вещества в течение часа происходит всего около 100 превращений.

Но и этого уже достаточно, чтобы современная экспериментальная техника могла зарегистрировать соответствующий эффект. Именно таким путем и удалось, наконец, изловить неуловимое нейтрино.

Не может ли нейтринное излучение послужить новым «вестником далеких миров»? Эту многообещающую идею, дающую начало новой области знания — нейтринной астрономии, высказали несколько лет назад венгерские физики Георг Маркс и Нора Менихард.

И в самом деле, новые частицы обладают всеми необходимыми для этого качествами. Колоссальная проникающая способность нейтрино позволяет им пронизывать толщи звездных тел, словно пустое пространство, а длина их свободного пробста в космосе в миллиарды миллиардов раз превышает радиус доступной современным методам исследования области Вселенной.

В то же время нейтрино являются непосредственными «участниками» ядерных превращений, протекающих в недрах звезд. Они могут сообщить нам множество ценнейших сведений об этих процессах. Уже сейчас известно, например, что различным типам ядерных реакций соответствует испускание нейтрино и антинейтрино различных энергий.

И если бы удалось, например, изучить нейтринный поток, идущий к нам от Солнца, мы, возможно, узнали бы, наконец, какой именно тип термоядерной реакции преобладает в его недрах. Некоторые ученые полагают, что «нейтринное солнце», т. е.

внутреннее ядро нашего дневного светила, которое ис­пускает нейтрино, в сто раз меньше видимого Солнца,

С теоретической точки зрения колоссальные познавательные возможности нейтринной астрофизики не вызывают сомнений.

Но каким образом регистрировать и исследовать нейтринные потоки, приходящие к нам из космоса? Ведь тот метод обнаружения нейтринного излучения, о котором мы говорили, позволяет фиксировать его только в тех случаях, когда на каждый квадратный сантиметр поверхности ежесекундно падает не менее миллиарда миллиардов частиц. Между тем расчеты показывают, что нейтринный поток, идущий от Солнца, примерно в тысячу раз меньше, а общий фон нейтринной радиации еще ниже. Все же и эта задача разрешима.

Когда вы приходите в поликлинику, чтобы сделать рентгеновский снимок, вас подводят к аппарату, устанавливают фотопленку, что-то включают и выключают. Вы ничего не чувствуете, потому что рентгеновские лучи невидимы и неощутимы. Но, действуя на чувствительную фотоэмульсию, они заставили ее почернеть в определенных местах. Получился снимок.

Нейтрино тоже нельзя наблюдать непосредственно. Но и эти частицы можно обнаружить косвенным путем. Надо только заставить их вступить в какое-либо взаимодействие с другими частицами и зарегистрировать результат.

https://www.youtube.com/watch?v=P-PovwNofps

На помощь астрофизикам должна прийти ядерная реакция с участием «неуловимых» частиц.

При взаимодействии нейтрино с ядром одного из изотопов хлора, последнее превращается в ядро изотопа аргона и, кроме того, образуется один электрон.

В отличие от нейтрино, эти частицы можно регистрировать обычными методами. В то же время можно через определенные промежутки времени определять радиоактивным методом количество образовавшегося аргона.

В качестве «объектива» нейтринного телескопа может быть использован резервуар, содержащий несколько десятков тонн четыреххлористого углерода. Фантастическое описание такого инструмента и было приведено в начале главы.

Подобное устройство позволило бы регистрировать нейтринные потоки интенсивностью до 10 млрд. частиц на квадратный сантиметр в секунду.

Такая чувствительность тоже еще не вполне достаточна, но имеются возможности чисто технических усовершенствований, способных значительно ее увеличить.

Вторая трудность, с которой придется встретиться нейтринной астрономии, — это помехи со стороны других космических излучений. Однако от этих помех можно избавиться весьма оригинальным способом.

В отличие от обычных оптических и радионаблюдений, изучение нейтринных потоков Солнца будет, очевидно, производиться не в дневное время, а ночью, когда наше дневное светило погружается под горизонт. При этом нейтринный телескоп должен смотреть не в небо, а… в землю.

Таким образом, наблюдения будут осуществляться сквозь всю толщу планеты. Поглощая все другие излучения, кроме нейтринного, Земля послужит отличным фильтром.

Есть все основания ожидать, что уже в сравнительно недалеком будущем «нейтринные наблюдения» Солнца станут реальностью. Дальнейшее увеличение чувствительности приемных устройств позволит приступить к исследованию нейтринного излучения космического пространства и отдельных галактик.

В последние годы в связи с открытием античастиц много говорится о возможности существования космических миров, целиком построенных из аитиматерии. Но есть ли такие миры в действительности?

Ответить на этот вопрос необычайно трудно. Дело в том, что внешне звезда или даже галактика, целиком состоящая из антивещества, ничем не отличалась бьют обычной.

Ее «антиприрода» обнаружилась бы только в случае столкновения с обычной звездой, но подобные столкновения практически невозможны, так как звезды отделены друг от друга колоссальными расстояниями, во много раз превышающими их собственные размеры. Примерно то же самое можно сказать и относительно галактик.

Читайте также:  Бурная атмосфера нептуна - все о космосе

Единственный реальный путь, позволяющий получить ответ на поставленный вопрос, указывает нейтринная астрономия. При ядерных реакциях, происходящих в недрах Солнца и других обычных звезд, излучаются потоки антинейтрино. Но если бы Солнце состояло из антиматерии, оно испускало бы нейтрино.

Поэтому если удастся установить, что какая-либо галактика излучает поток нейтрино, мы сможем с полной уверенностью утверждать, что эта галактика состоит из антивещества.

Разумеется, практическое решение этой задачи необычайно сложно, так как антимиры, если они действительно существуют, должны находиться от нас на колоссальных расстояниях и их нейтринные потоки чрезвычайно слабы.

Нейтринная астрономия рождается на наших глазах. И очень может быть, что уже в ближайшем буду­щем этот новый метод станет едва ли не самым могучим орудием познания Вселенной.

Источник: http://www.allkosmos.ru/nejtrino-nachalo-nejtrinnoj-astronomii/

Источник энергии солнца – термоядерные реакции

     Повнимательнее вглядимся в источник энергии Солнцатермоядерные реакции. Сначала решим простой вопрос. Ведь если идут термоядерные реакции в звездах (неважно, по какому конкретному механизму), она резко повышает температуру вещества.

Это, в свою очередь, должно обязательно повысить скорость процессов, что чревато для звезды весьма опасной возможностью: уподобиться огромной водородной бомбе, в которой термоядерная реакция носит характер взрыва.      Но Солнце светит стабильно, внутри нашей звезды есть механизмы, регулирующие скорость термоядерного синтеза.

Что же это за механизмы?

       Да, в общем-то опять школьная физика, все так же формула Клайперона, действующая, правда, в условиях гравитации. По этой формуле, если повысить температуру объема газа, немедленно произойдет его расширение, отчего газ тут же охладится.

Вот поэтому-то в Солнце и существует жесткий механизм обратной связи, и термоядерные реакции в звездах не могут идти в недрах нашего светила с произвольной скоростью. Их скорость полностью определяется самой структурой Солнца.

       Вспомним, что такое ядерные реакции. Ядро атома любого элемента (за исключением водорода) состоит из протонов и нейтронов, связанных между собою сильными взаимодействиями. Ясно, что, если протон или нейтрон сталкивается с ядром атома какого-либо элемента и «застревает» в нем, образуется ядро атома нового элемента и вдобавок высвобождается образовавшийся избыток энергии. Этот избыток уносится обычно какой-либо частицей  гамма-квантом, нейтрино и другими.      Процесс может быть и более сложным. Вновь образовавшееся ядро распадается на осколки (деление). Но все это и есть, собственно говоря, ядерные реакции.        Если мы начнем облучать какое-либо вещество нейтронами, то особых трудностей мы испытывать не будем, поскольку нейтрон не имеет заряда и ничто не мешает ему сколь угодно близко подойти к ядру. С протонами дело обстоит гораздо сложнее. Протон несет положительный заряд, и ему необходимо преодолеть электростатическое отталкивание других протонов в ядре. Сделать это довольно не просто, и поэтому в земных условиях для изучения реакций с этими частицами строят огромные ускорители, которые и сообщают протону необходимую начальную энергию для прохождения потенциального барьера. Если мы хотим заставить про взаимодействовать с каким-либо ядром а-частицу  ядро атома гелия-4, ей необходимо будет сообщить еще большую энергию, чем отдельному протону, поскольку в ее составе их уже два.

     Ядерные реакции с протонами для космоса – вещь обычная, так как водород – самый распространенный элемент во всей Вселенной.

Таким образом, протоны не представляют дефицита, а роль ускорителей в космосе играют, в частности, недра звезд. Температура там столь велика, что часть протонов приобретает вполне достаточные для начала ядерных реакций скорости.

Такие реакции, где для «активирования» протонов используется температура, называются термоядерными.

     Каковы эти реакции? Главным образом те же, что вызывают взрыв водородной бомбы,- слияние четырех ядер водорода (протонов) через ряд промежуточных реакций в ядро атома гелия. Это так называемый протон-протонный цикл.      Ядро атома гелия весит чуть меньше, чем четыре протона, и в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна Е=тс2 эта разница в массе переходит в энергию, которая и идет на разогрев вещества.      Попробуем провести простые количественные оценки выхода энергии в этой реакции. Четыре протона в атомных единицах весят – 4,03252. Но хорошо известно, что ядро атома гелия в тех же единицах весит 4,00389. Если весь водород Солнца превратится в гелий, то выделится чудовищное количество энергии ~1052 эрг. Так как Солнце излучает каждую секунду 4 • 1033 эрг, то топлива в Солнце хватит примерно на 100 миллиардов лет.      Теперь о механизмах термоядерных реакций в звездах. Вообще говоря, «выход» этой реакции очень мал. Даже в недрах звезд, где условия в общем-то благоприятствуют ее прохождению, лишь один из десятков миллиардов протонов имеет возможность превратиться в дейтерий.      Дополнительная трудность для начальной реакции состоит в том, что один из протонов во время акта столкновения должен успеть превратиться в нейтрон. Ведь ядро дейтерия состоит не из двух протонов, а из протона и нейтрона! Выручает то обстоятельство, что число протонов огромно, и поэтому все-таки необходимые условия для некоторых из них выполняются, и начальная реакция «запускает» протонный цикл.      Все возвращается здесь на круги своя: мы снова имеем два протона, цикл замкнулся, но нам надо запомнить, что в результате цикла появилось ядро атома гелия. Это и есть «столбовая» дорога протон-протонного цикла.      Кроме нее, существуют два побочных пути. Первый состоит во взаимодействии гелия-3 и гелия-4, в результате чего образуется ядро бериллия-7. Ядро бериллия может захватить протон и превратиться в бор-8, бор-8 претерпевает бета-распад. Эту реакцию нам надо обязательно запомнить, так как именно с ней связаны наиболее драматические страницы в современной физике Солнца. Радиоактивный бериллий-8 быстро распадается на два ядра «обыкновенного» гелия-4.     Наконец, еще одна «дорожка» протон-протонного цикла состоит в следующем: бериллий-7 может захватить электрон, превратившись после этого в литий-7. А тот, захватив протон, «переходит» в неустойчивый изотоп бериллия-8, судьба которого нам уже известна.   Существует еще один тип ядерных реакций, играющий определенную роль в энергетике Солнца,- углерод-но-азотно-кислородный цикл (С – N-О-цикл). Причем его конечный результат, так же как и в протон-протонном цикле, образование атома гелия из четырех ядер атома водорода.      Здесь происходят очень интересные вещи. Все начинается с того, что ядро углерода захватывает протон (ядро атома водорода) и превращается в радиоактивный азот, который, распадаясь, дает более тяжелый изотоп углерода. Этот изотоп тоже захватывает протон и превращается в обычный азот. Но и азот стремится захватить ядро водорода, тем более что недостатка в водороде внутри Солнца нет.      Поглотив протон, ядро азота превращается в радиоактивный кислород, а тот, распадаясь, в стабильный изотоп азот-15. Азот-15 опять захватывает протон. Но даже в недрах Солнца жадность наказуема: распухшее ядро азота-15 с лишним протоном не в состоянии удержать захваченное и распадается на исходное ядро атома углерода-12 и ядро атома гелия.      В результате начавшее всю цепочку захвата ядро углерода-12 осталось «при своем интересе» и вышло из игры, а из четырех захваченных ядер водорода образовалось ядро гелия. Снова работает соотношение Е = тс2, и разность масс между четырьмя протонами и ядром гелия превращается в энергию.      В отличие от первого механизма в различных этапах реакций С – N – О-цикла участвуют атомы углерода, кислорода и азота. Именно поэтому его и назвали С – N -О-цикл. Но если за счет протон-протонного процесса Солнце получает 98 процентов своей энергии, то за счет углеродно-азотно-кислородного только 2 процента.      Нужно сказать, что для звезд более массивных, чем Солнце, роль С – N – О-цикл а значительно существеннее. Понятно, что кулоновский барьер для этой реакции выше, чем в первой реакции протон-протонного цикла. Там реагировали отдельные протоны, а здесь во взаимодействие приходят ядра. Поэтому в более массивных звездах, где температура выше, чем у Солнца, эти реакции будут идти более эффективно.      Итак, и в протон-протонном, и в С – N – О-цикле конечным продуктом термоядерных реакций является гелий. Другими словами: водород звезд выгорает, выгорает в одних случаях медленно, в других побыстрее. Что же происходит со звездами по мере выгорания в них водорода, из какого источника они вновь черпают энергию?      Прежде чем ответить на этот вопрос, следует обратить внимание на термоядерные реакции с легкими элементами – литием, бериллием и бором. Их особенность состоит в том, что и литий, и бериллий, и бор «выгорают» в процессе реакций. Мы видели, что в С – N – О-цикле ядра углерода «возобновляются». Они служат здесь как бы катализаторами реакции. Легкие же элементы вместе с водородом, сгорая в термоядерном котле звезды, быстро исчезают, превращаясь в гелий. Кстати, именно поэтому легких элементов (исключая водород и гелий) в звездах и на Солнце крайне мало. Источником энергии становится так называемый тройной альфа-процесс. Эта термоядерная реакция идет при температуре около ста миллионов градусов. Сначала две а-частицы при столкновении на короткое время образуют неустойчивый изотоп бериллия-8. Он, конечно, может распасться вновь на два ядра гелия-4. Но в том случае, если за какой-то очень короткий промежуток времени он успеет столкнуться еще с одной а-частицей. Получится стабильный изотоп углерода-12, и выделится большое количество энергии. Таким образом, в этой реакции сгорает уже не водород, а гелий.        В обычных звездах «главной последовательности» температура недостаточна для «запуска» тройного а-процесса, но в некоторых специальных случаях именно этот механизм может быть основным источником энергии. Об этих случаях мы поговорим позже, а сейчас зададимся естественным вопросом: откуда в нашем мире появились химические элементы?      О том, как во Вселенной образовались водород и гелий, мы уже говорили. Этот вопрос решается легко и непринужденно в рамках модели Большого Взрыва. Но как объяснить огромное обилие элементов в менделеевской таблице? Почему, к примеру, в космосе очень мало лития, бериллия и бора? Почему существует так называемый железный пик? (Обилие элементов группы железа.) Вопросов немало, и решение их сильно зависит от того, какие температуры достигаются в недрах звезды.      Прежде всего возникает идея о последовательном построении тяжелых элементов из более легких путем присоединения нейтрона к ядру легкого элемента. Такой механизм называется S-процессом. Но откуда берутся нейтроны?      Если в звезде достигнута температура порядка 100 миллионов градусов, в ней начинает идти важная реакция. Эта реакция важна именно потому, что она генерирует нейтроны, которые впоследствии «утяжеляют» ядра легких элементов. Если достигнута температура около 1 миллиарда градусов, нейтроны появляются в результате взаимодействия ядер углерода.      Существуют и другие реакции с образованием нейтронов. Но нам сейчас важно не столько перечисление этих реакций, сколько понимание самой возможности образования тяжелых элементов как путем последовательного присоединения нейтронов, так и путем термоядерных реакций между элементами.      Во всех этих реакциях выделяется энергия. Но образование более тяжелых элементов, чем железо, в процессе термоядерного синтеза затруднено. Это объясняется тем, что ядро железа-56 обладает очень большой энергией связи. Чтобы из этих ядер получить более тяжелые, нужно затратить больше энергии, чем ее освободится в термоядерной реакции синтеза. Поэтому синтез элементов, более тяжелых, чем железо, невозможен в равновесных звездах.      Проблему синтеза элементов нельзя считать решенной до конца прежде всего потому, что нам неизвестно точно, насколько высокими могут быть температуры в недрах звезд. Некоторые особенности в распространенности элементов в космосе сейчас можно объяснить. «Недостача» лития, бериллия и бора вызвана их быстрым выгоранием в термоядерных реакциях. Обилие элементов группы железа («железный пик») связано с повышенной устойчивостью ядер этих элементов и т. д.

Читайте также:  Перегретая жидкость - все о космосе

     Но в мире звезд есть и исключения, причем отнюдь не единичные, и они не укладываются в рамки простых схем, о которых мы сейчас говорили. Проблема образования элементов сложна.

Сейчас не видно непреодолимых трудностей на пути ее решения. Тем не менее сам путь решения не будет коротким.

Дело здесь, собственно говоря, не в самих ядерных реакциях, а в построении моделей звезд с температурами внутри до 10 миллиардов градусов. Это очень и очень нелегкая задача.

Источник: http://astro-azbuka.ru/index.php?id=29

В центре солнца

Ядро нашей звезды представляет собой огромное ядерное пекло, температура и давление которого создают условия для ядерных реакций синтеза, т.е. ядра водорода, протоны, вступают в реакцию, в результате образуются ядра гелия.

В ходе ядерных  реакций, в этом их отличие от химических, одни элементы трансформируются в другие (своего рода современный «философский камень»), при этом происходит выброс огромного количества энергии.

Благодаря этому Солнце так же, как и другие звезды, существует миллионы или миллиарды лет.

Строение атомов В центре атома находится ядро. В него входит определенное коли­чество протонов, положительно заряженных частиц, и нейтронов – нейтральных элементарных час­тиц. Вокруг ядра движутся электро­ны (отрицательно заряженные), их количество равно числу протонов в ядре.

Именно количество прото­нов определяет тип атома. Напри­мер, водород (наиболее простой элемент) имеет один протон, кис­лород – 8, железо – 26, золото – 79 и т.д. Существуют 92 различных элемента, химики классифициру­ют их по «Периодической таблице элементов».

Все, что нас окружает (планеты, звезды, мебель в нашем доме, мы сами), состоит из различных про­порций и комбинаций элементов.

Химические элементы могут суще­ствовать и в чистом виде (водород, кислород, углерод, железо), и, со­четаясь, в более или менее слож­ных субстанциях (вода, растения, пластик, тело человека).

Столкновение двух ядер

Самая простая ядерная реакция, происходящая на Солнце, заклю­чается в следующем: комбиниру­ются два ядра водорода, т.е. два протона: это так называемая реак­ция протон-протон, она происхо­дит при температуре в 10-20 мил­лионов градусов (при подобной температуре атомы ионизируются, т.е.

лишаются своих электронов, поэтому корректнее говорить не об атомах, а о ядрах). В ходе этой реакции два протона смешиваются и образуют новое ядро – ядро дей­терия – кроме позитрона (т.е. по­ложительно заряженного электрона) и нейтрино, стабильной неза­ряженной элементарной частицы.

Дейтерий – это тяжелый водород, его ядро включает не только про­тон, но и нейтрон. Ядро дейтерия вступает в реак­цию с другим протоном, в резуль­тате образуется ядро гелия-3, не­стабильный изотоп гелия. Затем два ядра гелия-3 вступают в реак­цию, образуя ядро гелия-4 (ста­бильное) и два протона. Все готово для новой реакции.

Важно подчеркнуть, что в ре­зультате этой реакции высвобождается огромное количество энергии. При формировании каждого ядра гелия образуется 600 миллиардов калорий.

Этого достаточно для  того, чтобы растопить 8000 тонн льда, то есть «кубик» льда, одна сторона которого составляет 20  метров! В результате подобного типа реакций, происходящих на Солнце, каждую секунду высвобождаются миллиарды калорий энергии.

Углеродный  цикл

Можно подучив» гелий, из  ядер водорода и другим способом. Речь идет о целой, серии более сложных реакций, о так называемом угле­родном цикле. Эти реакции проис­ходят при более высоких температуре по сравнению с реакциями протон-протон. Кроме того, они типичны для  более  крупных по сравнению с Солнцем звезд.

Для того, чтобы углеродный цикл состоялся, необходимо и наличие других химических элементов – кроме углерода .Они  выполняют роль катализато­ра. И все же небольшая часть энер­гии на Солнце генерируется и уг­леродным циклом.

Суть реакции та же – ядро гелия-4 образуется из обычных протонов, при этом об­разуется огромное количество энергии.

Реакции этого типа происходят на огромных по величине звездах, в них участвуют и другие, более тя­желые по сравнению с углеродом элементы – кислород, сера, хлор и так далее до железа, оно является двадцать шестым элементом пери­одической системы.

Следующие элементы не годятся для подобного типа реакций, так как для получе­ния ядер, более тяжелых по сравне­нию с железом, необходима энер­гия. То есть речь должна идти об эндотермических реакциях, при которых энергия поглощается из окружающей среды, в отличие от вышеперечисленных реакций, ко­торые являются изотермическими (при них энергия высвобождается).

Дети звезд

В ходе термоядерных реакций в ядрах образуются новые химиче­ские элементы начиная с самых простых – водорода, к примеру. Образование в природе Земли раз­личных элементов можно объяс­нить последствиями этих реакций.

Выводы действительно интерес­ные: следы любых химических элементов, кроме водорода и ге­лия, ведут в прошлое, когда та или иная звезда гигантским взрывом возвещала о конце своего существования. Сверхновые звезды, например, выбрасывали химические элементы в межзвездное пространство во время вспышки. Таким образом они умирали.

Позже из миллиардов атомов, а также межзвездных газа и пыли образовались туманности. Именно они – прародители нашей Солнечной системы и всего, входящего в ее состав, — включая нашу планету и наше тело. Вот почему можно сказать, что мы — дети звезд.

Источник: https://kosmos-x.net.ru/publ/solnechnaja_sistema/v_centre_solnca/16-1-0-109

Почему Солнце стабильно | Лаборатория космических исследований

Опубликовано RMR_astra в вт, 08/08/2017 – 21:20

   Основная причина продолжительного спокойствия Солнца была задана природой: это масса Солнца. Мы живем в стабильный период существования Солнца. Он длится примерно 10 миллиардов лет. До него не было и после него не будет стабильности. Завершатся ядерные реакции, и Солнце начнет постепеннпо остывать. Сейчас прошло меньше половины благоприятного времени.

   Создаваемое такой массой двление  на центральные области Солнца и соответствующая давлению температура задают энергию частиц, которая в свою очередь определяет ВИД и ТЕМП ядерных реакций. Под действием массы в (2 * 10 ^ 30) кг давление в центре достигло  100 миллиардов атмосфер, а температура в ядре Солнца поднялась до 15 000 000 К.

   Примерно 4,5 миллиарда лет тому назад началась реакция превращения четырех ядер водорода в ядро гелия. Водорода – «горючего» – много –   75% массы Солнца.

В этой реакции при слиянии четырех протонов возникают ядро гелия, 2 нейтрона, 2 нейтрино и за счет дефекта массы (ядро гелия содержит меньше массы, чем 4 протона) выделяется 26,7 Мэв энергии.

Она расходуется на излучение Солнца и питание всех происходящих на нем процессов.

   Чтобы преодолеть отталкивание одноименных зарядов и объединиться, протонам необходима энергия 106 эв, но при температуре (15 *10^6) К такой энергией обладают только самые быстрые протоны.

Кроме того, благодаря туннельному эффекту часть протонов может объединиться, имея энергию 104 эв, но таких протонов 1 на 100 миллионов.

Поэтому реакция протекает медленно «для слияния даже двух водородных ядер требуется в среднем около миллиона лет».

   «Нехитрая арифметика показывает (в статье производится расчет), что тело человека вырабатывает в 20 раз больше энергии, чем такой же объем вещества солнечного ядра! По-моему, впечатляющий результат. А роботы в “Матрице” были не дураки, что использовали людей в качестве производителей энергии 🙂

Именно такое небольшое энерговыделение позволяет Солнцу гореть миллиарды лет.».

  Кроме описанной реакции под действием особо быстрых протонов не исключены и другие реакции, но они практического значения не имеют. Об этом можно судить по химическому составу Солнца.

На долю водорода приходится 75% массы, гелия – 25% , а на все остальные  68 химических элементов – около 1%.

Интересно, что на 1000 000 атомов водорода приходится всего по 2 атома никеля, натрия и кальция, а более тяжелых элементов –  еще меньше.

   За 1 секунду (!) масса Солнца уменьшается на 4,3 миллиарда кг (по земным меркам – очень много!), которые в основном превращаются в энергию гамма-квантов и нейтрино. За 4,5 миллиарда лет своего существования Солнце потеряло на излучение (6*10 ^ 26) кг, что соответствует 0,03% массы Солнца.  Всего!

   Стабильность главной термоядерной реакции создает и стабильность суммарного потока электромагнитного излученя (температурной радиации). «Солнечная постоянная» изменяется под влиянием солнечной активности всего на десятые доли процента, а в исключительных случаях – на 1-2 %.

   Часть солнечной массы уносят корпускулярные потоки –  потоки заряженных частиц – электронов, протонов, ядер гелия, ядер более тяжелых элементов и др. «Энергия корпускулярной радиации в среднем в (10^7) раз меньше, чем энергия температурной радиации Солнца.

Читайте также:  Космонавт береговой георгий тимофеевич - все о космосе

Однако она сильно меняется с течением времени в зависимости от физического состояния Солнца, от солнечной активности».

Все виды солнечного излучения в основном проходят мимо Земли, а на Землю попадает меньше одной двухмиллиардной доли потоков, истекающих во всех направлениях от Солнца.

   С солнечным ветером, непрерывно “дующим “ с поверхности Солнца, за целый год (!) выбрасывается (10 ^ -14) массы Солнца, что за 4,5 миллиарда лет его существования составило всего 0,01%.

   Отдельные корональные выбросы, даже самые массивные, уносят всего (10 ^ -16) долю массы Солнца.

   Самые большие хромосферные вспышки – бури – выносят в межпланетное пространство  меньше  вещества, чем корональные выбросы – (10 ^ -18) масс Солнца.

   Масса Солнца – исходый параметр, но в наше время для Земли важна не только гравитация, но и все виды излучения Солнца, потоки заряженных частиц, движущиеся сквозь межпланетное пространство «магнитные ловушки» и, возможно, пока еще не изученные проявления «жизнедеятельности» Солнца.

   Физика Солнца – самый востребованный и один из самых сложных разделов астрофизики.

   Основные положения  доступно изложены в предлагаемых материалах:

Мирошниченко Л. И. ФИЗИКА СОЛНЦА И СОЛНЕЧНО-ЗЕМНЫХ СВЯЗЕЙ. Учебное пособие //  Под ред. М. И. Панасюка. Книга написана на основе одноименного курса лекций, прочитанных в 2008-2011 гг. для студентов кафедры физики космоса физического факультета МГУ. © Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ, 2011;

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОЛНЦА: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ В.Д. Кузнецов, Директор Института  ИЗМИР АН, действительный член Международной Академии Космонавтики.

Источник: http://www.spacephys.ru/pochemu-solntse-stabilno

Ядерные перспективы мирного космоса

Космос кажется самым очевидным пространством для использования ядерных технологий, активно осваиваемых на поверхности Земли в мирных целях. Однако все оказывается не так просто — используемые сегодня технологии малоэффективны, а подъем на орбиту новых решений кардинально меняет «экономику» процесса

Почему все стали вспоминать о ядерных технологиях в космосе?

Совсем недавно стало известно, что госкорпорация «Роскосмос» запланировала создание космического аппарата с ядерной энергоустановкой, «способного дистанционно при помощи лазерного излучения подзаряжать спутники на околоземной орбите». Так сообщили в октябре «Известия».

Почему всех не устраивают солнечные батареи, ведь на орбите нет ночи — Солнце всегда под рукой?

Солнечные батареи более или менее приемлемы разве что в условиях земной орбиты.

Но уже на орбите Марса их площадь и масса для получения той же мощности должны быть увеличены в 2,5 раза, на орбите Юпитера — в 27 раз, на орбите Сатурна — в 91, а на орбите Нептуна — аж в 900.

В принципе, энергию Солнца можно запасать, но для этого необходимы аккумуляторы, а это сильно снижает эффективность системы.

Специалисты NASA объясняют что такое ядерные двигатели и зачем они нужны

Разве никто раньше не пытался использовать в космосе ядерные технологии?

Безусловно, первые шаги человечества в космосе вызвали большую эйфорию в отношении использования ядерных технологий. Например, президент США Джон Кеннеди называл программу по созданию ракеты с ядерным двигателем одним из четырех приоритетных направлений в освоении космоса.

Однако впоследствии энтузиазм падал все больше — для использования всех преимуществ ядерных технологий в космосе надо было слишком дорого заплатить: найти радикально новые решения в материаловедении, металлургии, теплотехнике, на что даже у ведущих держав было недостаточно средств.

Неужели достижения ядерщиков вообще не использовались в космосе?

Использовались.

Но большинство атомных энергетических установок космического назначения не использовали цепную реакцию, полагаясь лишь на тепло, выделяющееся при естественном распаде плутония-238 или стронция-90 (то есть радиоизотопные источники). Это решение уравнивало последние с солнечными батареями по крайней мере в одном отношении: регулирование поступления энергии оставалось невозможным.

https://www.youtube.com/watch?v=_bq927b7-Pc

Самые перспективные направления исследований ближнего космоса. Планы человечества на ближайшие годы

Можно рассказать о радиоизотопных источниках подробнее?

Они появились еще до активного развития ядерных технологий. В 1913 году Генри Мозли изготовил первый генератор, преобразующий энергию спонтанных ядерных реакций в электрический ток.

Изумительное по своей простоте устрой­ство, представляло собой полую, посеребренную изнутри сферу, в центр которой помещалось некоторое количество радия. Излученные радием электроны поглощались слоем серебра, что приводило к разделению заряда и возникновению разности потенциалов.

КПД батареи Мозли было ничтожным, источник производил почти исключительно тепло. Недаром капсулы с полонием-210 в советских «Луноходах» служили именно для обогрева приборного отсека.

Тем не менее такие качества радиоизотопных генераторов, как предельная простота устройства, нетребовательность к обслуживанию и небольшая по отношению к выделяемой энергии масса, были отмечены уже тогда.

И кто первым использовал эту технологию в космосе?

Впервые ядерный реактор был выведен на орбиту в 1965 году. Американская установка SNAP-10A проработала 43 дня. Источник энергии, в частности, обеспечивал питание ионного двигателя, но его КПД составлял всего 1,5%. Поэтому SNAP-10A вошел в историю как единственный ядерный реактор, не способный обеспечить работу  даже обычного электрочайника.

Видеохроника разработки и использования SNAP-10A (доступны русские субтитры)

Советский космический реактор БЭС-5 «Бук», серийно производившийся с 1970 года, отличался чуть лучшими характеристиками. При тепловой мощности 100 кВт в электрическую форму полупроводниковым термоэлектрическим генератором переводилось около 3 кВт. «Бук» предназначался для питания радиолокационной аппаратуры спутников-шпионов и представлял собой миниатюрный реактор на быстрых нейтронах.

Разве не предпринимались попытки совершенствования системы, придуманной еще в 1913 году?

В настоящее время американские исследователи работают над усовершенствованным ядерным генератором, имеющим много общего с известным еще с 1816 года двигателем Роберта Стирлинга. Нагреваемый газ расширяется, толкая поршень, и заполняет охлаждаемую часть цилиндра. Остывая, он сжимается.

Преобразование ядерной энергии в тепловую, потом в кинетиче­скую, и только потом в электричество представляется чрезмерно сложным процессом. Но первое впечатление обманчиво: нет никаких препятствий объединению принципов термоэлектрогенерации и тепловой машины Стирлинга.

В последнем случае поршень позволит преобразовать в электричество до 30% энергии распада.

Почему в космос нельзя отправить ядерные реакторы, подобные тем, что работают на наземных АЭС?

Масса реактора примерно на порядок больше, чем у радиоизотопной батареи, а надежность существенно ниже. Тот же SNAP-10A вышел из строя в результате сбоя управляющей аппаратуры.

Аварии подобного рода в космосе вполне вероятны, так как могут провоцироваться воздействием самого реактора на электронику: жесткие требования к массе не позволяют установить противорадиационную защиту.

Ионизирующее излучение из активной зоны, которое нельзя ни экранировать, ни использовать, исключает применение реакторов на пилотируемых кораблях. Невелик и срок службы реактора — всего около года.

Извлечение отработанного горючего и перезаправка на орбите если и теоретически возможны, то нерентабельны. Предельная же миниатюризация и упрощение кон­струк­ции реактора приводят к тому, что цепная реакция прекращается даже при незначительном падении содержания необходимого изотопа.

Что вообще нового в атомной отрасли? Новые технологии от «Росатома» и не только

Разве одного года недостаточно?

Один год — это слишком мало. Миссии космических аппаратов, направляющихся к Юпитеру, Сатурну, Плутону, продолжаются куда дольше, и реактор не может составить конкуренцию радиоизотопному источнику энергии, способному проработать 30−40 лет, прежде чем генерируемая мощность упадет вдвое.

Актуальной остается и проблема утилизации реакторов, выполнивших свою задачу. Практикуемый с 1970-х годов перевод активной зоны на «орбиту захоронения» высотой 1000 км означает лишь отсрочку неизбежного. Когда-то их придется возвращать на Землю. А на Земле и без того много лишнего.

Что же тогда такое разрабатывают в «Роскосмосе»?

Как удалось выяснить «Известиям», согласно техзаданию «Роскосмоса» нпетербургское КБ «Арсенал» должно исследовать возможные варианты применения космического аппарата для решения задач «направленной передачи энергии лазерным излучением». Генерировать энергию на борту должен атомный источник, разработка которого ведется с 2010 года.

Перспективные технологии от НПО «Энергомаш»

И как оценивают перспективы этого проекта эксперты?

Научный руководитель Института космической политики Иван Моисеев заявил «Известиям», что считает разработку «космической АЭС» бесперспективной, поскольку ее техническая реализация слишком сложна, а варианты применения непонятны: «Что проще, поставить на спутник традиционные солнечные батареи или обеспечивать взаимное маневрирование двух аппаратов для удержания лазерного луча?» По словам эксперта, потери электроэнергии при преобразовании ее в световой луч, а затем обратно будут настолько велики, что технология окажется экономически невыгодной.

Что такое EmDrive — «двигатель будущего» или величайшая мистификация XXI века?

Но есть и противоположное мнение. Это решение может оказаться перспективным научным исследованием. Член-корреспондент Российской академии космонавтики имени Циолковского Андрей Ионин считает исследования лазерных технологий в космосе перспективными. Однако он затруднился пояснить возможные сферы применения «космической АЭС».

«Испытания лазера в космосе — продолжение идей по передаче солнечной энергии со спутника на Землю лазерным лучом. Но если в атмосфере такой луч будет рассеиваться, то в космическом вакууме ему практически ничего не мешает. Это довольно интересный проект.

Ничего подобного пока не предлагалось, но мне кажется, что эти две темы — ядерную энергетику и лазерные технологии — нужно разделить», — уверен он.

А где можно использовать эту технологию?

Лазерные технологии в космосе могут найти применение в проектах по отправке микроспутников за пределы Солнечной системы.

Например, подобный проект — Breakthrough Starshot — в 2016 году презентовали интернет-инвестор Юрий Мильнер и ученый Стивен Хокинг.

С помощью мощного лазера предлагается разогнать малый спутник до скорости 160 млн км/ч, что позволит ему за 20 лет добраться до звезды альфа Центавра.

Проект Юрия Мильнера и Стивена Хокинга может позволить человечеству добраться до соседних звезд в скором времени

Частная космонавтика теснит государственную и в России. Интервью с создателем оператора микроспутников Dauria Aerospace 

Рекомендуем

Источник: http://2035.media/2017/11/27/nuclear-space/

Ссылка на основную публикацию