Надя Кискинова



Дата16.06.2017
Размер149.16 Kb.


υНАРОДНА АСТРОНОМИЧЕСКА ОБСЕРВАТОРИЯ “Юрий Гагарин”

Стара Загора

ОБЩ КУРС ПО АСТРОНОМИЯ

НАО “Юрий Гагарин”

Надя Кискинова




ИЗТОЧНИЦИ НА ЗВЕЗДНА ЕНЕРГИЯ
ПРЕДИСТОРИЯ

Природата на Слънцето и звездите
Еволюция на възгледите за природата на Слънцето и звездите:
Древногръцкият философ Сократ казвал, че “ние, смъртните, никога няма да разберем от какво се състоят Слънцето и звездите, а на боговете им е тъжно, когато гледат как хората се стремят да разгадаят това, което те завинаги са скрили”.
Две хиляди години по-късно и френският философ Огюст Конт твърдял, че “ние никога нищо няма да разберем за звездите, освен това, че те съществуват.”
Аристотел твърдял, че “Слънцето и другите небесни светила са от особена, неизменна и неунищожима форма на материята – ефир.”

За първи път се срещат възгледи за единнита природа на земно и небесно в наивните представи на





Анаксагор и Демокрит ,

че Слънцето е “огромен нажежен камък, който се нагорещява поради бързото си въртене и бързото си постъпателно движение.”


Хераклит изказал предположението, че Слънцето може да се измери с човешко стъпало, а Аристарх Самоски определил радиусът му колкото 7 земни радиуса.

По времето на Галилей, когато вече са наблюдавани слънчевите петна с телескопи, все още на никого не било ясно какво всъщност представлява Слънцето.



?
Френският академик Лаир твърдял, че “Слънцето е огромна капка течност, в която плават малки тъмни тела, наблюдаващи се като петна.”

Повечето астрономи от това време – ХVІІ век – били склонни да приемат, че “повърхността на Слънцето е твърда като при Земята, а петна са вулканични изригвания” (Дерхем) или просто “кратери по върховете на слънчеви планини”

(Уолстон).

?



Дори известният холандски учен Христиан Хюйгенс (втората половина на ХVІІ век) не можел да реши дали Слънцето е твърдо или не.
Странно, но факт – великият астроном Уилям Хершел (VІІІ - ХІХ век) твърдял, че “Слънцето има твърда повърхност, обитавана от живи същества и странна блестяща атмосфера, през която от време навреме прозира тъмната повърхност – петната.”

А синът му Джон Хершел и Клод Поайе през 1837 г. независимо един от друг дават оценки за количеството топлина, идващо от Слънцето върху 1-ца повърхност за 1-ца време: топлината, получавана за година била достатъчна

да се разтопи леден блок с дебелина 36 метра! Макар ,че тази оценка е 2 пъти по-малка от действителната стойност, за първи път бил поставен въпросът


ОТКЪДЕ СЛЪНЦЕТО ЧЕРПИ ТАКОВА ОГРОМНО КОЛИЧЕСТВО ЕНЕРГИЯ

Развитие на представите за източниците на енергия на Слънцето
Доктор Майер, корабен лекар, отвреме навреме пишел научни статии. След като през 1848 г. бил обоснован Законът за запазване на енергията, той изказал хипотезата, че “Слънцето свети поради постоянно падащите върху него метеорни тела, чиято кинетична енергия при удара се превръща в топлинна.”

Аналогична хипотеза изказал Епинус по-рано, но ролята на падащи тела са не метеорите, а кометите според него.





На Слънцето наистина падат комети, както показват снимките на слънчевата орбитална обсерватория SoHO.

Вече са регистрирани над хиляда близко преминаващи покрай слънчевия диск комети, които единствено поради коронографа на SoHO, закриващ слънчевата фотосфера могат да бъдат видени.
Пресмятанията обаче водят до това, че ако светенето на Слънцето се дължеше на падането на метеори или комети, това означава, върху него всяка година трябва да пада вещество с масата на Марс или 1/100 от земната маса – факт, който не би могъл да остане незабелязан.
Известно време през ХІХ век била всеобщо приета идеята на немския медик и физик Херман Хелмхолц (от 1854 г.), че “Слънцето излъчва за сметка на енергия, отделяна при гравитационното му свиване.”

Днес тази идея намира място при обяснение на процесите на формиращите се звезди, но пресмятанията водят до много къс живот на звездите, ако това е така – само 20 милиона години! Дарвиновата теория за възникването и развитието на живота изисква поне 500 млн. години. Геологичните данни водят до още по-голямо време на живот на планетата ни, която е възникнала несъмнено след Слънцето.


В края на ХІХ век, през 1896 г. била открита естествената радиоактивност и само няколко години по-късно Джеймс Джинс екстраполира откритието на Пиер Кюри и Лаборт за самопроизволното отделяне на топлина от радиоактивните елементи в механизъм на слънчева енергия.

Ако това се дължи на анихилацията на леките частици, това дава живот на Слънцето хиляди милиарда години (10*13) – твърде много дори и за автора на идеята. Затова Джинс после изказва хипотезата, че в недрата на звездите се осъществява радиоактивен разпад на тежки елементи поради дългия период на полуразпад – примерно, на радия – 1 600 години, на урана – 4,55 милиарда години. Но всъщност радиево и ураново Слънце не може да съществува, както станало ясно по-късно – такива звезди биха избухнали като огромни атомни бомби.


Започвайки с изследванията на Харкинс и Уилсон (1915 г.), а после от Перен и Едингтон (1920 г.), започнало да се формира мнението, че единственият възможен източник на енергия на звездите е термоядрения синтез на леките елементи.


СЪЩНОСТ НА ТЕРМОЯДРЕНИТЕ РЕАКЦИИ

Ядрените реакции на синтез са реакции на сливане на леки химични елементи в по-тежки. За протичането им е необходима много висока температура – от порядъка на 10-20 милиона градуса и огромна плътност на веществото, каквато има само в недрата на звездите. Затова те се наричат термоядрени реакции на синтез.

Ядрото на всеки химичен елемент се състои от определен брой протони и неутрони, наречени общо нуклони:

Водородът – 1 протон + 1 неутрон = общо 2 нуклона;

Хелият -2 протона + 2 неутрона = 4 нуклона и т. н.
Броят на протоните дава поредния номер на химичния елемент в таблицата на Менделеев.

Частичките в атомното ядро – протоните и неутроните или нуклоните – са свързани с мощни ядрени сили. Те са 35 пъти по големи от електромагнитните, кулонови сили, действащи и между отрицателно заредени електрони от електронната обвивка и положително зареденото ядро на атома; те са и 10*38 пъти си големи от гравитационните сили, действащи в атома, но имат сфера на действие от порядъка на атомното ядро – 10*(-15)см. За да могат две ядра на водорода да се слеят и да образуват хелиево ядро, те трябва да преодолеят електромагнитните сили на отблъскване между двете (+) заредени ядра и да се доближат на разстояние, сравнимо с размерите на атомното ядро. Необходима им е голяма кинетична енергия – 1400 килоелектронвалта (keV), за да преодолеят т. нар потенциална бариера на протона.




Дори в звездните недра при 10 милиона градуса температура, кинетичната енергия на протоните е само 1-2 keV!

Идеята изглеждала нереална, но оставала единствената, чрез която все още се надявали да обяснят механизма на получаване на енергия на звездите.

През 1929 г. американците Аткинс и Хоутермананс обяснили как един протон

С енергия само 20 keV, такъв се пада на всеки 100 протона, може да преодолее потенциалната бариера на друг протон и да започне термоядрено сливане. Светът на елементарните частици е вероятностен свят – във всеки момент всяка частица притежва целият набор от възможни състояния или енергии, а потенциалната яма на частицата не е нещо, което не може да се “прескочи” и с по-малко енергия.

В това е същността на т. нар. тунелен ефект , който позволява на един протон с енергия само 20, а не 1400 keV да се доближи на необходимото разстояние до друго ядро и започне термоядреният синтез. А отговор на въпроса защо при термоядрените реакции не се отделя изведнъж цялата енергия на звездата подобно на радиевото или ураново Слънце, дават немските физици Вайцзекер и Ханс Бете през 1938 г., когато е разработена в детайли теорията на термоядрения синтез и етапите , характерните времена , вероятността и отделяната енергия на всеки етап от осъществяването на термоядрените реакции.

За първи път се “изпробва” и известната формула на Айнщайн

E = m.c²


СЪЩНОСТ на термоядрените реакции: в резултат на сливане на 4 протона или 4 водородни ядра, се образува 1 ядро на хелия и се освобождават 2 протона. Но масата на встъпващите в реакция частици е повече от тази на изходните! Всъщност “липсващата “ маса е получаваната от всяка такава реакция енергия - 4,3.10*(-12) Джаула или 26,2 MeV, както сочат изчисленията.



Масата се е превърнала в енергия!

Забележка: По дефиниця 1 eV (електронволт) е увеличението на енергията на електрона при ускоряването му в електрично поле с потенциал 1 V.

1 eV = 1,6 . 10*(-19) J


Видове термоядрени реакции



Протон-протонен цикъл (р-р-цикъл)
1-ви етап – 2 протона се сливат, като се образува деутерий, отделя се позитрон и неутрино-частица:

1 H + 1 H → 2 D + e† + υ 1,44 Mev 9 млрд. години

Вероятността за осъществяване на тази реакция е много малка дори при условията в звездните недра – 1 реакция на 10-тина милиарда години. Именно на това обстоятелство се основават оценките за времето на живот на звездите и Слънцето в частност, където се осъществяват предимно този тип реакции.
2-ри етап – Деутерият съществува само няколко секунди, след което взаимодейства с още 1 протон и се превръща в лекия изотоп на хелия. Отделената енергия отнасят гама-квантите:

2 D + 1 H → 3 He + γ 5,49 Mev 5 секунди


3-ти етап – Тук са възможни 3 варианта. По-вероятно е полученият лек изотоп на хелия да взаимодейства с още един такъв изотоп, образувайки хелий с 4 протона (α – частица) и да се освободят 2 протона. Макар че наличието на ³He в звездите е много малко, то вероятността за осъществяване на този етап удължава характерното време на реакцията до милион години:

3 He + 3 He → 4He + 1 H + 1 H 12,55 Mev милион години


протон-протонен цикъл
Другият вариант е лекият изотоп на хелия да взаимодейства с обикновен хелий

(α – частица) и да образува берилий. Берилият от своя страна може да захване протон и да се образува бор, който е радиоактивен и след бета разпад да се превърне в неустойчив изотоп на берилий, който се разпада на и 2 атома хелий:

β – разпад: 8В → 8 Ве + e† + 

8 Ве → 4He + 4He


И третият вариант е след бета-разпада на бора, полученият лек изотоп берилий да захване не протон, а електрон и да се превърне в литий, който от своя страна захваща протон и се превръща пак в неустойчив изотоп на берилий, разпадащ се както по-горе на 2 α – частици или 2 атома хелий.
Общото количество енергия при този тип р-р-реакции е 26,2 Mev.

Азотно-въглероден цикъл (N-C-цикъл)
Това са също реакции на сливане на водородни ядра с краен резултат образуване на хелий, но за тяхното осъществяване необходима по-висока температура в звездните недра – от порядъка на 20 милиона К. В крайна сметка и при тях се отделя енергия почти както при р-р реакциите ( около 25 Mev), но протичат по-интензивно във времето и това определя по-късия живот на масивните звезди от спектралните класове О-В от горната част на Главната последователност на диаграмата спектър-светимост, за които тези реакции са характерни.

Като своеобразен “катализатор” участва въглеродът, с който започва първия етап и който се отделя на последния етап.


1-ви етап – Протон взаимодейства с ядро на въглерод. Образува се радиоактивен изотоп на азота и се отделя гама-квант, отнасящ енергия

1,95 Mev:

12 С + 1 Н → 13 N + γ 1,95 Mev 1,3.10*7 години
2-ри етап – Изотопа на азота претърпява радиоактивен разпад (бета-разпад), при което се изпуща позитрон и неутрино-частица:

13 N → 13 С + e† +  2,22 Mev 7 минути


3-ти етап – Изотопът на въглерода се сблъсква с още 1 протон и се превръща в обикновено ядро на азота:

13 С + 1 Н → 14 N + γ 7,54 Mev 2,7.10*6 години


4-ти етап – Ядрото на азота взаимодейства с още 1 протон и се получава радиоактивния изотоп на кислорода. Изпуска се гама-квант (фотон):

14 N + 1 Н → 15 О + γ 7,35 Mev 3,2 .10*8 години


5-ти етап – Изотопа на кислорода претърпява бета-разпад и се образува изотоп на азота:

15 О → 15 N + e† +  2,71 Mev 82 секунди


6-ти етап – При взаимодействие на изотопа на азота с протон, се получава хелиево ядро и се отделя въглерод:

15 N + 1 Н → 12 С + 4 Не 4,96 Mev 1,1.10*5 години





Отделената обща енергия при този цикъл е пак около 25 Mev.




При звезди като Слънцето преобладаващи са термоядрените реакции от р-р цикъл, докато при по-масивните звезди - въглеродно-азотния цикъл.
Други реакции на образуване на хелий.
Освен протон-протонните реакции и тези от въглеродно-азотен тип, при определени условия могат да се осъществяват други ядрени превръщания с образуване на хелий:
6 Li + 1 H → 3 He + 4 He

7 Li + 1 H → 4 He + 4 He

10 В + 1 Н + 1 Н → 4 He + 4 He + 4 He
Тези реакции се осъществяват в стадия на протозвезда, когато формираща се звезда под действие на гравитационното свиване достигне температура в недрата си 1-2 милиона градуса. Борът и литият не се възстановяват след това, а тяхното наличие в слънчевия спектър се обяснява с осъществяването на термоядрени реакции при хромосферните избухвания, когато температурата също достига милион градуса.

Троен хелиев (алфа) процес
Термоядрени реакции на сливане на хелиеви ядра (алфа-частици) се осъществяват в крайните стадии на звездна еволюция, когато количеството на водорода е почти изчерпано и когато температурата в недрата е от порядъка на стотици милиона К, а плътността десетки хиляди г/куб. см. При тези условия хелиевите ядра имат енергия с стотина хиляди Mev и са в състояние да се сближат достатъчно. При сливането им се образува радиоактивен изотоп на берилий, който съществува кратко време - само 10*(-15)секунди , но ако преди да претърпи бета-разпад взаимодейства с трета алфа-частица (хелиево ядро), се осъществява реакция , при която се образува въглерод:

4 Не + 8 Ве → 12 С + γ 7,3 МeV 7,3 милиона години







Тройният алфа-процес на горене на хелия се осъществява в крайните стадии на звезната еволюция, когато количеството на водорода съществено е намаляло.
Други термоядрени реакции
Теорията на термоядрените реакции може да обясни образуването на химичните елементи до желязото. Например, при взаимодействие на въглерод и още една алфа-частица, се образува кислород и т.н.:

12 С + 4 Не → 16 О + γ


Останалите химични елементи вероятно възникват в междузвездната среда, примерно при въздействие на ударна вълна от избухнала свръхнова с междузвездното вещество. Механизмът не е напълно изяснен.

ИНТЕРЕСНО:
Проблемът за слънчевото неутрино
При основните реакции на звездна енергия – превръщане на водорода и образуване на хелий – и при протон-протонния, и при въглеродно-азотния цикъл се отделя неутрино.

През 1930 г. швейцарският физик Волфганг Паули, напълно убеден, че законите за запазване на маса, енергия, импулс, електричен заряд и т.н. са в сила и за ядрените реакции, изказва предположението за наличие на елементарна частичка, която да е електрически неутрална и да спада към леките частици – масата й да е поне 20 хиляди пъти по-малка от масата на електрона или както се казва масата й да е 0 в състояние на покой. Такава частица може да съществува само движейки се със скоростта на светлината.

Нарекли я неутрино – “малко неутронче” – от умалителното име на неутриното на италиански език. Както всяка елементарна частица си има своя “огледален” образ – античастица, така и неутриното трябвало да има антипод – антинеутрино, което именно да учавства в реакцията на превръщане на неутрона в протон или при изучавания все още в 30-те години на ХХ век бета-разпад.

По-късно руският академик Понтеркорво предвидил съществуването на електронно и мюонно неутрино, т.е. такива разновидности на неутриното, които учавстват в ядрени реакции с наличието на електрони или други елементарни частици – мюони. Сега се оказва, че има още един вид неутрино – таонно.

Едва 20-тина година след изказаната от Паули хипотеза– през 1953 г. – в ускорителители е потвърдено експериментално наличието на неутриното.

Неутриното е странна частица, която почти не взаимодейства с други частици и на практика веществото е прозрачно за нея. Неутринен поток с енергия от

1 МeV може да измине 100 св. г. разстояние, срещайки вещество, струпано дори в планети или звезди, без да се отклони и да бъде погълнато. Използвайки тази способност на всепроникващото неутрино, то става единственият бърз и недеформиран от взаимодействия с други частици източник на информация, носещ се с максималната в природата скорост.

При термоядрените реакции в недрата на звездите се отделят и гама-кванти или фотони – също леки частици, движещи се със скоростта на светлината. Фотоните, обаче взаимодействат с други елементарни частици, губейки голяма част от енергията си. Когато след милиони години един фотон достигне най-после излъчващата повърхност на звездата, той е силно променен и едва ли “помни” че някога е възникнал в резултат на една или друга ядрена реакции. Следователно от лесно уловимия от нас “свидетел” не можем да получим достоверна информация за ставащото вътре в звездите.

От светимостта на Слънцето и енергията за всяка реакция може да се пресметне, че пълната неутринна “светимост” на Слънцето е 10*38 неутрино за секунда или върху всеки квадратен метър от земната повърхност всяка секунда достигат 10*15 неутрино частици. Всеки момент през нашето тяло преминават хиляда неутрино частици.

Още с експерименталното откриване на неутрона, от средата на ХХ век започват да се търсят начини да се улови потока слънчево неутрино. Понтеркорво предлага хлор-аргоновия метод, т.е. при реакция на превръщане на хлора и получаването на радиоактивен изотоп на аргона, чийто период на полуразпад е 35 дена, да се регистрина неутриното.

През 1968 г. американецът Дейвис предприема експеримент в изоставена шахта на дълбочина 1,5 км. Използва 600 тона перхлоретилен – течност за химическо чистене на дрехи – в резервоар, намиращ се на дъното на шахтата като детектор на космически лъчи. В резултат на взаимодействие на неутриното с хлора в целия басейн с течност трябва да възникнат няколко десетки ядра на радиоактивния аргон, който след 35 дена ще “съобщи” за своето наличие, претърпявайки радиоактивен разпад. Експерименти са провеждани неведнъж.

С друг гигантски детектор, наречен “Камиоканде”, група изследователи под ръководството на Масатоши Кошиба успяха да потвърдят резултатите на Дейвис. Получено е първото неутрино-изображение на Слънцето. През 1987 г. японците успяха да детектират неутрино от взрива на Свръхновата в Големия Магеланов облак. Бяха уловени само 12 от общо 10*16 неутрино-частици, преминали през детектора, но това е достатъчно днес да се говори за неутринна астрономия.

За откриването на космическите неутрино и за създаването на неутринната астрономия Дейвис и Кошиба получиха Нобелова награда за физика през 2002 година.
Същността на проблема за слънчевото неутрино е в това, че регистрираният поток неутрино-частици е поне 3 пъти по-малко от очаквания в резултат на изчисленията на термоядрените реакции.

Разминаването в “пъти” е значително между теорията и наблюдението, експеримента. Това може да означава, че знанията ни за термоядрените процеси са недостатъчни и дори погрешни. Лабораторно са потвърдени общо взето знанията ни в тази област,и все пак някои тръгват да търсят съвсем други пътища за звездна енергия, отричайки мястото на термоядрения синтез в недрата на звездите. Поне засега обаче такова пълно отричане е ненужно, тъй като именно теорията на термоядрените реакции дава обяснение на наблюдаемите характеристики на звездите, а друг алтернативен източник не ни е известен.

Другият път е да се търси някаква цикличност в термоядрените процеси, които в момента да са няколкократно по-ниско интензивни, примерно поради по-ниска температура в недрата, отколкото се предполага. През 1972 г. Фаулер изказва хипотезата, че във вътрешните слоеве на Слънцето преди няколко милиона години се е осъществило скокообразно размесване на веществото и през последните няколко милиона години се намира в преходно неравновесно състояние. В такова състояние ще остане поне още 200 млн. години, след което отново ще настъпи бързо скокообразно размесване и следващо неравновесно преходно състояние. Развивайки хипотезата на Фаулер, Езер и Камерон се спират на механизма, причиняващ такова поведение. Намалявайки енергоотделянето чрез натрупване на хелий в резултат на термоядрените реакции, ядрото се стреми да се разшири, като температурата му намалява. Размесването на веществото в резултат на това в дълбините след време се отразява и близо до повърхността, където обикновеното наличие на леките изотопи на хелия дават изчислената теоретически стойност на отделяна енергия. Когато състоянието на веществото е неравновесно, този изотоп също бива увлечен в общото размесване на веществото. Малкото му останало количество близо до слънчевата фотосфера вече се отразява върху по-ниската интензивност на термоядрените реакции и това води до няколкократно по-малкия поток неутрино-частици.

Сега се знае, че по-голямата част от вътрешността на Слънцето се върти като твърдо кълбо, докато в приповърхностните слоеве въртенето е диференцирано – с различни скорости – характерното въртене за газово кълбо. Може би съществува преходна неравновесна зона, където се натрупва енергия между зоната, въртяща се като твърдо и тази, въртяща се като газово кълбо, което води до вертикални движения на веществото и механизми за излъчване на излишната енергия. Така се обяснява цикличния характер на слънчева активност и с по-малки периоди.

От друга страна, още през 80-те години на миналия век експериментално е заподозряно, че неутриното все пак има някаква маса в покой – 15-30 eV или 2.10*32 грама. Сега се знае, че горната граница е не повече от 25 eV.

Другата посока на търсене на обяснение е в метода на регистрация. При описания експеримент е екранирано наличието на мюонно неутрино, но не се знае дали по пътя Слънце-Земя неутриното не се превръща в по-голямата си именно в мюонно, което не можем да уловим по този начин.


Всъщност, проблемът за слънчевото неутрино се превърна в проблем на нашето незнание за неутриното. Освен наличието на три вида неутрино – електронно, мюонно и таонно, оказа се, че неутриното има способността самопроизволно да преминава от един вид в друг. Така че излезе вярно последното предположение. Като се вземе предвид тази способност на неутриното, изчисленията водят до добра съпоставимост между теорията на термоядрените реакции и наблюдавания поток неутрино. И така, днес проблемът за слънчевото неутрино вече остава един исторически факт.






Поделитесь с Вашими друзьями:




База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2020
отнасят до администрацията

    Начална страница