АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 2. Основи астрономії

Розділ ІІ. Елементи астрофізики

Тема 2.2. Фізика зір і міжзоряного середовища

§ 18. Джерела енергії Сонця

Вступ

Питання джерел сонячного світла й тепла цікавило людину, можливо, відтоді, як вона сама почала використовувати вогонь. І вже в епоху Стародавньої Греції її мудреці шукали природне джерело сонячної енергії.

Цілі вивчення § 18

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти джерела енергії Сонця; фізичний механізм утворення енергії Сонця; діапазон частот сонячного випромінювання;

• уміти розв’язувати задачі на взаємозв’язок різних фізичних параметрів Сонця;

• оцінювати важливість вивчення джерел енергії Сонця для людства.

Треба повторити з курсу фізики матеріал, що стосується поняття енергія, пригадати види енергії та її джерела. Доцільно згадати ті види енергії, які людина використовує в повсякденному житті.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Поняття енергія належить до основних в науці. Щоб його свідомо використовувати, опановуючи матеріал цього параграфа, обов’язково повторіть його визначення з курсу фізики. Зверніть увагу на те, що пошук джерела енергії Сонця тривав відносно довго, але, зрештою, привів до розуміння нових, раніше невідомих, природніх процесів. Це один з прикладів того, як наука, розкриваючи таємниці природи, забезпечує на лише власний розвиток, але й розвиток технології (використання атомної та термоядерної енергії на Землі, створення відповідних реакторів тощо). Важливо зрозуміти також причини, чому досі надра Сонця (його ядро) вивчати спостережними методами важко. Зверніть особливу увагу на процес переносу енергії від ядра до фотосфери Сонця.

Пояснювальний текст

Дослідникам природи дуже довго не вдавалося зрозуміти, яке джерело енергії ось уже майже 5 мільярдів років дозволяє Сонцю так потужно світити.

1. Історія виявлення джерела енергії Сонця. Перше наукове пояснення джерела енергії Сонця (і зір загалом) спробували зробити Г. Гельмгольц і В. Томсон (лорд Кельвін) в середині XIX ст. Вони обчислили виділення енергії, яке відбувається під час гравітаційного стискання зорі. Якщо зоря стискається, то потенційна енергія її мас, що падають до центра, перетворюється в кінетичну, а отже, й у внутрішню енергію речовини. Від цього світність і температура зорі мають зростати. Щоправда така зоря — нестаціонарний об’єкт, адже стисненню протидіють сили газового тиску, і тому в якийсь момент має встановитись рівновага цих сил. З цих міркувань випливає, що швидке гравітаційне стиснення не може бути постійним джерелом енергії Сонця (чи іншої зорі).

Час гравітаційного стиснення легко оцінити. Зміна потенційної енергії маси М при її переміщенні на відстань R під дією поля тяжіння, що створює прискорення g, становить MgR. Візьмемо в якості g його значення MG/R2 у зовнішніх шарах зорі й отримаємо, що повна енергія зорі становить GM /R. Отже, за рахунок гравітації зоря матиме світність L лише впродовж часу t = GM /RL. Для Сонця цей час становить 1,6 млн років, що занадто мало для часу існування такої зорі, як наша. Тож використовуючи гравітаційну енергію, Сонце (як і зорі загалом) не може тривалий час існувати як стаціонарний об’єкт.

У 20-х роках ХХ ст. англійський астроном Артур Еддингтон висловив припущення про те, що в центрі Сонця вивільняється ядерна енергія, і саме вона забезпечує світіння Сонця. Фізики- атомники з цим не погоджувалися. Вони вважали, що температура в надрах зір є замалою для вивільнення ядерної енергії. Окрім цього, було не ясно, як можна «змусити» взаємодіяти частинки з однаковим зарядом. Наприклад, протони (ядра водню) мають позитивний заряд і, згідно з законами електростатики, мають відштовхуватися.

Проте невдовзі цю, на перше око неподоланну, проблему вдалося вирішити. Було відкрито сильну ядерну взаємодію, що поширюється як на нейтрони, так і на протони (ядра водню), але яка діє лише на дуже малій відстані. Якщо протони рухаються з великими швидкостями, то вони можуть зблизитися аж так, що потраплять у сферу впливу сильної ядерної взаємодії. Температури в ядрах зір лежать у межах від 10 млн до 40 млн кельвінів, а цього якраз досить, щоб ядра досягали швидкостей, за яких можливе їхнє злиття, як і твердив Еддингтон.

Наприкінці тридцятих років XX ст. фізики Г. Бете і К.Ф. фон Вейцзеккер незалежно один від одного теоретично з’ясували послідовність ядерних перетворень, що власновільно (спонтанно) можуть відбуватися в надрах зір. Лише після цього було доведено, що джерелом енергії Сонця є реакції термоядерного синтезу.

Це джерело забезпечує стан гідростатичної рівноваги велетенської газової кулі — Сонця і є запорукою його стійкого існування впродовж великих проміжків часу (мільярди років). Суть гідростатичної рівноваги полягає в тому, що в кожному прошарку Сонця внутрішній тиск газу врівноважений силами тяжіння. Якби не було газового тиску, вся речовина Сонця за 20 хв. стягнулася б у точку в його центрі, а за відсутності сили тяжіння речовини, тиск газу за 10 діб розсіяв би всю сонячну речовину у просторі. Отже, фізичні параметри речовини Сонця — тиск, температура й густина — є такими, що в кожній точці Сонця сила тяжіння і тиск врівноважують одне одного.

Рис. 18.1. Схема гідростатичної рівноваги Сонця.

2. Фізичні процеси в ядрі Сонця. У надрах Сонця відбувається термоядерна реакція перетворення водню в гелій, яка має назву протон-протонної, бо починається з тісного зближення двох ядер атомів водню — протонів. Як відомо, протони заряджені позитивно, тому взаємно відштовхуються. Згідно з законом Кулона, сила відштовхування обернено пропорційна квадрату відстані, і тому при тісних зближеннях вона швидко зростає. Проте за дуже високих температури й тиску швидкості теплового руху частинок стають такими великими, й розміщуються вони так щільно, що найшвидші з них долають силу відштовхування й потрапляють у сферу впливу ядерних сил.

Та не кожна зустріч двох протонів стає початком ядерної реакції. Протягом мільярдів років протон може раз у раз зіштовхуватися з іншими протонами, але так і не вступить у ядерні перетворення. Але якщо в момент тісного зближення двох протонів відбудеться ще одна, дуже малоймовірна подія — розпад протона на нейтрон, позитрон і нейтрино (такий процес називається бета-розпадом), то протон з нейтроном об’єднаються в ядро атома важкого водню — дейтерію.

Ядро дейтерію (дейтон) своїми властивостями схоже на ядро водню, тільки важче за нього. Але на відміну від протона, дейтон у надрах Сонця довго існувати не може. Вже через кілька секунд, зіштовхнувшись з іще одним протоном, дейтон приєднує його до себе, випромінює гамма-квант і стає ядром ізотопу гелію, у якого два протони зв’язані не з двома нейтронами, як у звичайного гелію, а тільки з одним. Раз у кілька мільйонів років ядра легкого гелію наближаються одне до одного так близько, що можуть об’єднатися в ядро звичайного гелію, «відтпустивши на волю» два протони.

Отже, внаслідок ланцюжка перетворень виникає нове ядро, що складається з двох протонів і двох нейтронів — ядро гелію.

Схематично це можна відобразити так: (p + p → d + e+ + ν >далі> d + p → 3He + γ >далі> 3He + 3He → 4He + 2p, або загалом: 41Н → 4Не + 2е+ + 2νe + енергія. Окрім цього, продуктами реакції є два позитрони (е+), два нейтрино (ve) та енергія у вигляді гамма-квантів.

Виділення енергії зумовлене тим, що загальна маса чотирьох ядер водню, які беруть участь у реакції синтезу, трохи перевищує сумарну масу продуктів реакції (ядра гелію та інших чотирьох легких частинок). Але спеціальна теорія відносності Айнштайна вказує на те, що втрата в масі має бути компенсована виграшем в енергії. Вони пов’язані відомою формулою Айнштайна Е = Мс .

У реакції синтезу ядер гелію втрачена маса еквівалентна енергії 26,72 МеВ (МеВ, або 1 млн електронвольт, — одиниця енергії в атомній фізиці, одна кіловат-година — одиниця, яку широко використовують для виміру електроенергії, дорівнює приблизно 2· 1019 МеВ). Іншими словами, частина маси, яка переходить в енергію, становить 0,7% маси усього водню, що перетворюється в гелій.

З кожного грама водню, що бере участь у реакції, виділяється 6-1011 Дж енергії! На Землі такої кількості енергії вистачило б для того, щоб нагріти від температури 0 °С до точки кипіння 1000 м води! Отже, головним паливом на Сонці є водень.

Повну потужність випромінювання Сонця визначають за формулою:

де а — середня відстань Землі від Сонця (одна астрономічна одиниця), q = 1,37 · 103 Вт/м2 — сонячна стала — кількість сонячної енергії q, що падає за одиницю часу на одиницю поверхні, перпендикулярної до променів, за межею земної атмосфери на відстані 1 а. о. від Сонця.

Народжені в ході реакції позитрони та гамма-кванти передають енергію навколишньому газу, а нейтрино без перешкод покидають Сонце, бо мають дивовижну здатність проникнути крізь величезну товщу речовини і не вступити у взаємодію з жодним атомом. Саме за таким принципом і працює сонячна «пічка».

Рис. 18.2. Схема перебігу протон-протонної реакції в ядрі Сонця.

Спостерігати прямо надра Сонця неможливо. Певну інформацію про внутрішню будову Сонця дають звукові хвилі (хвилі тиску), що виникають у конвективній зоні й поширюються крізь його надра до поверхні. Єдиний носій неспотвореної інформації — нейтрино —

реєструвати все ще дуже складно. З сонячними нейтрино була ще одна проблема. Тривалий час нейтринні детектори (§ 6, п. 3) реєстрували від Сонця менше нейтрино, ніж їх мало бути згідно з прийнятою загалом стандартною моделлю будови Сонця. Ця неузгодженість між експериментом і теорією отримала назву «проблеми сонячних нейтрино» і понад 30 років була однією з загадок сонячної фізики. Проблема ускладнювалась тим, що нейтрино вкрай слабко взаємодіє з речовиною, і створення нейтринного детектора, що здатний з потрібною точністю виміряти потік нейтрино навіть такої потужності, який іде від Сонця, — технічно складна й дорога задача.

Сучасна модель мікросвіту постулює три сорти нейтрино — електронні, мюонні і тау- нейтрино. Всі вони, згідно з моделлю, мають нульову масу. Можна було пояснити дефіцит електронних сонячних нейтрино, переглянувши передбачувану термоядерну активність (а отже, й температуру) в ядрі Сонця і, як наслідок, зменшити обчислений потік випромінюваних ним нейтрино. А можна було припустити, що ці частинка, всупереч вимогам Стандартної моделі мікросвіту, мають масу. Наявність маси дозволяє частинкам одного сорту перетворюватися в нейтрино іншого сорту. Такий процес називають осциляціями нейтрино. Частина електронних нейтрино, випромінюваних ядром Сонця, дорогою до Землі перетворюється в нереєстровані звичайними детекторами нейтрино інших сортів — мюонні і тау-нейтрино.

Останнім часом виявлено, що це справді так. 2001 р. нейтринною обсерваторією в Садбері було прямо зареєстровано сонячні нейтрино всіх трьох сортів, а також показано, що їх повний потік узгоджується зі стандартною сонячною моделлю. При цьому лише близько третини нейтрино, що долітають до Землі, були електронними. А це збігається з теорією, яка передбачає перехід електронних нейтрино в нейтрино інших сортів як у вакуумі (власне «осциляції нейтрино»), так і в сонячній речовині («ефект Міхєєва — Смирнова — Вольфенштейна»). Ось так проблему сонячних нейтрино було вирішено, а заодно й доведено, що нейтрино мають масу.

Енергія гамма-квантів, що утворилися внаслідок ядерних реакцій в ядрі Сонця, в мільярди разів більша за енергію квантів видимого світла, а довжина хвилі дуже мала. Гамма-кванти покидають ядро, але під час подорожі назовні у товщі Сонця атоми речовини кожний квант багато разів поглинають і одразу випромінюють. Під час перевипромінювання частіше за все виникає не один, а кілька квантів, що мають менші енергії. Отак жорсткі гамма-кванти дробляться на менш енергійні — спочатку виникають рентгенівські, що дробляться на ультрафіолетові, а ті своєю чергою на видимі й теплові промені.

У підсумку найбільше енергії Сонце випромінює у видимому світлі, і не даремно наше око чутливе саме до цього виду електромагнітних хвиль. Шар Сонця, де передача енергії здійснюється через поглинання й випромінювання речовиною квантів електромагнітних хвиль,

називають зоною променистої рівноваги або зоною променистого переносу. В цілому для того, щоб дістатись від сонячного ядра до поверхні, кванту енергії потрібно майже мільйон років.

Мандруючи до поверхні товщею Сонця, кванти зрештою опиняються в прошарку, де в умовах все менших температури й тиску речовина стає непрозорою. Тут домінує інший механізм переносу енергій — конвекція: гарячі потоки газу підіймаються догори, віддають свою енергію навколишньому середовищу й, охолонувши, опускаються донизу.

Верхня межа конвективної зони має вигляд дрібних гранул, що видозмінюються впродовж кількох хвилин. На сонячній поверхні їх можна бачити навіть у телескоп з досить скромними можливостями.

Рис. 18.3. Внутрішня будова Сонця.

Докладніше про внутрішню будову Сонця відомо не так зі спостережень, як через побудову теоретичних моделей внутрішньої будови зір. Нині їх будують з використанням можливостей дуже потужних комп’ютерів. Та все одно ще є багато невідомого.

Наприклад, стандартна модель зоряної еволюції вказує на те, що з віком зорі сонячного типу мають світити все яскравіше. Це означає, що Сонце 4 млрд років тому мало випромінювати на третину менше енергії, ніж тепер. Розрахунки показують, що в такому разі на Землі було б досить холодно, і вся вода на її поверхні повністю б замерзла. Але геологічні знахідки свідчать про те, що рання Земля мала вологий і теплий клімат, який сприяв виникненню життя. Незважаючи на кілька гіпотез, запропонованих для пояснення цієї проблеми (в астрономії її називають парадоксом слабкого молодого Сонця), питання ще не вирішене.

Визначте повну потужність випромінювання Сонця за сонячною сталою q = 1,37 · 103 Вт/м2. Розв’язання: Використаємо формулу (18.1) w = 4na2q, взявши значення а = 1,5 · 1011 м. Тоді w = 3,87 · 1023 кВт.

Навчальні завдання

• Чому упродовж тривалого часу не вдавалося пояснити механізм джерела енергії Сонця?

Висновки

Сонце — стабільна зоря, яка не змінює своїх розмірів, бо, з одного боку, на речовину Сонця діє сила тяжіння, що намагається його стиснути, — вона спрямована до центра, а з іншого боку, зсередини діє сила тиску розжареного газу, спрямована від центра назовні. Рівновага цих сил і забезпечує незмінність розмірів Сонця впродовж тривалого часу. Головним «паливом» на Сонці є водень. У ядрі Сонця відбувається термоядерні реакції перетворення водню в гелій, які є джерелом енергії нашої зорі.

Запитання для самоперевірки

1. Чому процес гравітаційного стиснення не може бути основним джерелом енергії Сонця?

2. У чому полягає суть гідростатичної рівноваги Сонця?

3. Який хімічний елемент є основним «паливом» на Сонці?

4. Що зумовлює термоядерні реакції, які відбуваються в ядрі Сонця?

5. Назвіть відмінності в переносі енергії від ядра до поверхні Сонця в різних його шарах.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 18

• Пункт «Сонце» розділу «Науково-популярні статті» Українського астрономічного порталу. (http://www.astrosvit.in.ua/statti/sontse-s)

• Брекке П. Наша життєдайна зірка — Сонце. Книжка фактів для дітей та юнацтва : науково- популярне видання / Пол Брекке. — К. : Грані-Т, 2014. — 164 с., іл. ISBN 978-966-465-394-4.

За результатами вивчення § 18 Ви маєте:

знати й розуміти

джерела енергії Сонця; фізичний механізм утворення енергії Сонця; діапазон частот сонячного випромінювання; фізичні параметри окремих шарів у Сонці.

уміти

розв’язувати задачі на взаємозв’язок різних фізичних параметрів Сонця.

оцінювати

важливість вивчення джерел енергії Сонця для людства.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.