рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Термоядерные реакции - источник энергии Солнца

Термоядерные реакции - источник энергии Солнца - раздел Астрономия, Предмет и цели курса Чтобы Подойти К Решению Поставленного Вопроса, Оценим Запас Энергии Солнца ...

Чтобы подойти к решению поставленного вопроса, оценим запас энергии Солнца . Для этого необходимо вспомнить известное соотношение Эйнштейна, связывающее энергию с массой тела (уточним - массой покоя):

.

Смысл этого соотношения таков: если каким-то способом проаннигилировать Солнце, скажем, превратить всю массу в излучение, то выделится такая энергия. Это максимальное количество энергии, которое можно высвободить от Солнца. Подставляя массу Солнца, получим:

эрг.

Как видно, эта величина примерно на шесть порядков больше запасов тепловой энергии. Поэтому, даже если дефект массы составит всего порядка , а, как мы увидим дальше, именно это и имеет место, то этой энергии хватит для того, чтобы Солнце могло светить с мощностью в течение времени :

лет .

Итак, запасов ядерной энергии достаточно, чтобы объяснить постоянную светимость Солнца в течение многих миллиардов лет. Возникает вопрос: какой именно ядерный процесс производит столь мощное излучине, а также других звезд? Исследования привели к выводу, что выделение энергии на звездах происходит при слиянии ядер легких элементов и последующим образованием более тяжелых элементов. Это так называемые термоядерные реакции (ТЯР).

Какие именно реакции могут играть роль на Солнце? Ответ на этот вопрос подсказывают условия на Солнце. Прежде всего, Солнце состоит главным образом из водорода и гелия. Следовательно, необходимо рассмотреть возможные реакции и условия их протекания с участием как раз именно этих элементов. Далее, как уже говорилось, температура в недрах Солнца порядка 15 млн. градусов. Это обстоятельство сильно суживает возможный класс реакций. В самом деле, для того, чтобы вступить в ТЯР, частицы должны сблизиться на очень малое расстояние:

d ~ 10-13 см .

Как раз, начиная с таких расстояний, вступают в игру ядерные силы, цементирующие ядро. Но для того, чтобы сблизить частицы на такое расстояние, необходимо преодолеть очень большой кулоновский барьер. Очевидно, чем больше заряд частиц, участвующих в реакции, тем больше кулоновский барьер. Наименьший барьер будет для сталкивающихся протонов, так как в этом случае заряды частиц оказываются наименьшими. Оценим величину кулоновского барьера Eq для двух протонов:

эрг .

Средняя же тепловая энергия частиц ET, в недрах Солнца, как мы видели, ET ~ 2×10-9 эрг. Следовательно, ET << Eq. На первый взгляд отсюда вытекает, что реакции слияния идти не могут, так как протоны не в состоянии сблизиться на требуемое расстояние.

В действительности это не так. Несмотря на то, что энергия кулоновского барьера значительно больше тепловой энергии протонов, некоторая доля частиц все-таки может вступить в ТЯР, Происходит это вследствие двух причин. Во-первых, нужно учесть, что, как известно, скорости частиц газа распределены по Максвеллу, и среди них есть частицы, энергия которых превышает тепловую. Во-вторых, даже если энергия частиц меньше кулоновского барьера, они могут сблизиться благодаря так называемому туннельному эффекту*. Высокоскоростных частиц, а также тех, которые могут преодолеть кулоновский барьер вследствие туннельного эффекта, мало, однако их как раз достаточно для того, чтобы поддерживать выделение энергии на Солнце. Кстати сказать, отсюда видно, что звезда являются саморегулирующимися "машинами" по производству энергии. Действительно, если в силу каких-то причин радиус Солнца уменьшится, то согласно § 17 возрастет температура Солнца. Следовательно, увеличится количество частиц с большой энергией. Поэтому ТЯР будут идти более интенсивно, что приведет к более интенсивному выделению энергии, и Солнце расширится. И наоборот.

Исследования показали, что если температура внутри звезда не превышает приблизительно 1.5×107К, то наибольший вклад в энерговыделение вносят реакции так называемого протон-протонного цикла (сокращенно pp-цикл). Это целая цепочка реакций, в результате которой водород превращается в гелий. Не вдаваясь в детали, будем условно записывать это таким образом:

4 1H ® 4He.

Подсчитаем дефект масс в этом процессе. Масса четырех протонов в атомных единицах равна 4.03252. Масса же ядра гелия составляет 4.00389. Следовательно, дефект масс DmA составляет 0.02863 атомных единиц, или приблизительно 0.7% от массы вступающих в реакцию частиц. Таким образом, при превращении четырех ядер водорода в одно ядро гелия выделяется энергия DE = DmA×mH×c2 » 4×10-5 эрг. Часть ее уносится из звезды нейтрино. Часть передается звезде. Значительная доля освобожденной энергии выделяется в форме излучения (g-квантов)* .

Если температура внутри звезды выше 1.5×107 К, то более эффективной оказывается другая реакция горения водорода с участием углерода и азота. Это так называемая азотно-углеродная цепочка или CN-цикл. Конечным продуктом в этой реакции также является гелий. Количество углерода при этом не изменяется. Он выступает в качестве катализатора.

В силу того, что температура в недрах Солнца только в самом центре достигает 1.5×107 К, основной вклад в энергетику Солнца вносит pp-цикл. Расчеты показывают, что область энерговыделения занимает примерно треть радиуса Солнца. В остальной части энерговыделения нет. Здесь происходит лишь перенос энергии.

Таким образом решается проблема источников энергии,

Теперь можно ответить на вопрос, поставленный в § 13 в связи с рис. 13 о смысле предельного значения массы газовой конфигурации Mth. Что будет, если масса газового шара превышает Mth? В свете сказанного выше ответ ясен: в этом случае температура в центральных областях шара превысит 107К, и внутри него начнутся ТЯР горения водорода. Выделяющаяся в процессе этих реакций энергия не даст шару сжаться до нулевого значения его радиуса. До тех пор, пока будет идти реакция с выделением энергии, радиус будет оставаться конечным.

Как можно было бы непосредственно убедиться в том, что источником энергии Солнца действительно являются ТЯР? Для этого надо заглянуть внутрь Солнца. Но как? Оказывается, это вполне возможно. Дело в том, что при протекании ТЯР выделяются нейтрино (n), которые крайне слабо взаимодействуют с веществом. Длина их свободного пробега в веществе с параметрами Солнца порядка 1017 см, т.е. порядка . Они свободно пронизывают Солнце и доносят до нас информацию о процессах в его недрах. Но как можно уловить частицу, столь слабо взаимодействующую с веществом? Оказалось, что это вполне возможно сделать, хотя и чрезвычайно сложно. Эксперименты по улавливанию солнечных нейтрино ведутся, начиная с середины 50-х годов, Р. Дэвисом. Результат таков: солнечные нейтрино регистрируются, подтверждая в целом правильность наших представлений об источниках энергии на Солнце. Поток их приблизительно совпадает с потоком, предсказанным теорией. Некоторые отклонения, возможно, связаны с тем, что мы недостаточно хорошо знаем сечения реакций. Кроме того, улавливаются лишь наиболее энергичные нейтрино. Но они производятся в том канале реакций, который дает малый вклад в энергетику Солнца. Поэтому интегральные характеристики Солнца оказываются слабо связанными с потоком нейтрино, так как даже заметные изменения энергетического выхода этого канала мало скажутся на общих характеристиках Солнца, например, светимости, поверхностной температуре, радиусе.

 

Задача №19. Оценить время диффузии фотона от центра до поверхности Солнца. Эффективное сечение столкновения фотона с электронами . Как изменится это время, если учесть, что между поглощением фотона и переизлучением имеет место задержка t ~10-7 с?

Решение: искомое время (без учета задержки) , где - скорость диффузионного потока, D - коэффициент диффузии (?). Выражая D через длину свободного пробега, получим: . Если в качестве взять среднее значение, то t ~ 104 лет. С учетом задержки при переизлучении ( l - длина свободного пробега фотона).

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Предмет и цели курса

Учреждение высшего профессионального образования.. южный федеральный университет.. кафедра физики космоса..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Термоядерные реакции - источник энергии Солнца

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

I. Предмет и цели курса
Предметом изучения настоящего курса являются планеты, звезды, Солнце как ближайшая звезда и Солнечная система, межзвездная среда, наша Галактика, другие галактики, крупномасштабная структура Вселен

Основные этапы развития представлений о строении Мира
В развитии наших представлений о картине Мира выделяются четыре этапа: I) древний; 2) средневековый; 3)новый и 4)новейший, или современный. В течение первого этапа был сделан ряд открытий.

В больших масштабах
Сейчас трудно определенно сказать, что побудило человека заинтересоваться звездами - практические потребности или любопытство. Скорее всего, и то и другое, хотя не исключено, что любопытство было п

Достоверность знаний о мегамире
Вопрос о достоверности наших знаний об устройстве природы в больших масштабах занимает особое место. Изучая космические объекты, приходится сталкиваться с громадными расстояниями и промежутками вре

Измерение расстояний до небесных тел
Проблема расстояний в астрофизике - проблема номер один. Ведь от ее решения зависят масштабы тех или иных объектов, следовательно, строение этих объектов и процессы, которые привлекаются для объясн

Законы Кеплера
Отталкиваясь от идеи Коперника о том, что планеты движутся по окружностям, Кеплер в течение длительного времени пытался подобрать параметры орбит так, чтобы они удовлетворяли наблюдательным данным

Движение Земли вокруг Солнца
Существуют три факта, которые непосредственно указывает на движение Земли вокруг Солнца. 1. Наблюдения показали, что угловое расстояние в полдень Солнца от экватора на одн

Солнечная система
  Задача №10. Оценить отношение моментов импульса, связанных с вращением Юпитера вокруг Солнца и Солнца вокруг своей оси (табличные данные см. в Приложении 1).

Строение недр планет зонной группы
Каково строение недр планет? Наиболее изученной является Земля, поэтому естественно начать с описания недр Земли. По аналогии с Землей разрабатываются модели строения ПЗГ. Внутреннее строение недр

Химический состав Земли
Химический состав коры изучается непосредственно, информацию о составе недр Земли получают опять же с помощью сейсмических волн. Как? По зависимости r(r), а также упругих свойств среды от ра

Возраст Земли
Возраст Земли - это очень важный параметр. Знание его позволяет, в частности, сделать выбор между различными моделями эволюции Вселенной. Но как установить возраст Земли? Идея его определе

Внутреннее строение планет-гигантов
Как уже говорилось, изучать непосредственно недра планет-гигантов (ПГ) не представляется возможным. Основную роль в их исследовании играют теоретические методы, основанные на некоторых общих данных

Окраина солнечной системы
Что находится за пределами орбиты Плутона? Возможно, за пределами орбиты Плутона располагаются еще планеты. Так, в 1992 и 1993 гг. обнаружены еще две планеты, размеры которых оказались достаточно м

Температура поверхности Солнца
Температура излучающего тела определяется с помощью законов излучения (см. Приложение 1). Первый метод заключается в следующем. Получаем спектр излучающего тела. Затем, варьируя T в формуле

Условия в недрах Солнца
Звезды, как и планеты, находятся в состоянии гидростатического равновесия. Чтобы убедиться в том, насколько точно выполняется это утверждение, сделаем следующие оценки. Предположим вначале, что гра

Проблема источников энергии Солнца
В чем заключается проблема? Оценим запас тепловой энергии Солнца ETO. Очевидно, что

Активность Солнца
Как уже говорилось, глобальные характеристики Солнца практически не менялись на протяжении нескольких миллиардов лет. Однако локальные могут претерпевать временные флуктуации. Общей причиной зарожд

Звездная величина
Приемная аппаратура регистрирует освещенность Em , создаваемую той или иной звездой на Земле, т.е. количество энергии, падающей в единицу времени на единичную площадку в некотором

Спектры нормальных звезд
Спектр звезды, т.е. распределение энергии по длинам волн является наиболее полной характеристикой ее излучения. Если известен спектр звезды, то путем интегрирования по длине волны рассчитывается ос

Диаграмма спектр - светимость
В начале нашего века Герцшпрунг и Рессел установили связь между дифференциальными и интегральными характеристиками звезд, построив по результатам наблюдений диаграмму спектр - светимость (рис. 27;

Определение расстояний до удаленных звезд
Отвлечемся на короткое время от изучения строения звезд и обратимся к проблеме расстояний. Расстояния до удаленных звезд можно определить с помощью диаграммы Г-Р. В самом деле, спектральный класс з

Определение радиусов и масс звезд
Для понимания диаграммы Г-Р очень важным является вопрос о радиусах и массах звезд. Непосредственно измерить радиусы звезд не удается, т.к. из-за громадных расстояний их видимые размеры ок

Феноменологическая связь между параметрами для звезд ГП
После того, как были определены из наблюдений радиусы и массы звезд, встал вопрос: существует ли связь между светимостью звезды, ее массой и радиусом? Оказалось, что такая связь действительно сущес

Качественное рассмотрение проблемы
Выше получена связь между различными параметрами звезд на основе эмпирических данных. Поставим теперь такой вопрос: каковы модели строения звезд различных типов? Следует сразу оговориться: ответить

Математическая формулировка проблемы
Сформулируем уравнения, описывающие внутреннее строение звезд. Уравнение равновесия (2.3): . (4.13)

Применение методов подобия
Уравнения равновесия звезды для заданного химического состава , конкретного типа ТЯР и механизма переноса энергии можно решить численно с помощью компьютеров, и тем самым рассчитать структуру звезд

Внутреннее строение звезд
Звезда является весьма сложным природным объектом. Поэтому, как уже говорилось выше, рассчитать в деталях ее структуру можно, лишь привлекая компьютерные методы. Однако и в этом случае приходится с

Белые карлики
Задача №33. Из соображений подобия найти качественную связь между радиусом R u массой. MS звезды, вещество которой подчиняется уравнению состояния

Эволюция звезд
Проблема звездной эволюции принадлежит к числу фундаментальных проблем. Решалось она в течение нескольких десятилетий. Были и неправильные пути. Так, наличие ГП на диаграмме ГР наталкивало на мысль

Изохроны. Определение возрастов шаровых скоплений
Из рис. 42 видно, что положение той или иной звезды на диаграмме Г-Р определяется ее массой и временем, прошедшим от момента, когда звезда зажглась (на самом деле есть и другие факторы, влияющие на

Особенности эволюции тесных двойных звезд
Интерес к проблеме двойных звезд очень велик. Исследования их дают наиболее надежную информацию о массах и радиусах звезд, а также дополнительные сведения, которые позволяют более глубоко проверить

Физически переменные звезды
Задача №40. Из соображений размерности установить связь между периодом пульсации звезды и ее средней плотностью. Указание: независимыми размерностными константами, которые

Заключительные этапы эволюции звезд
Финал звездной эволюции определяется рядом факторов: массой звезды, ее вращением, магнитным полем, входит ли звезда в состав тесной двойной системы или нет, начальным химическим составом. В дальней

Белые карлики
Сама структура красного гиганта - вырожденное ядро в центре и раздувающаяся оболочка - подсказывает, как рождается белый карлик. Если звезда сбросит оболочку, то остаток будет иметь параметры белог

Сверхновые звезды
Задача №42. Из соображений размерности найти закон расширения оболочки сверхновой. Указание: считать, что расширение оболочки, есть следств

Нейтронные звезды
Задача №45.Оценить критические значения массы и радиуса звезды вещество которой полностью состоит из нейтронов. Указания: 1) принять, что п

Рентгеновские пульсары
Выше речь ила о радиопульсарах. Известны также рентгеновские пульсары (РП). То есть объекты, излучающие строго периодические импульсы в рентгеновском диапазоне. Запись излучения одного из них приве

Черные дыры
Задача №50.Рассчитать радиус rg звезды массы M, при котором свет не может от нее оторваться (Дж. Мичел, П. Лаплас). Оценить r

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги