Mobili versija | Apie | Visos naujienos | RSS | Kontaktai | Paslaugos
 
Jūs esate čia: Pradžia » Visos temos » Mokslas » Įdomusis mokslas

Mažai kas žino, kas iš tikro vyksta Saulėje: paprastas vandenilio virtimas heliu energijos balanse nesudaro nė pusės - iš kur gaunama kita dalis energijos? Vyksta keisti, nežemiški reiškiniai (Foto)

2019-08-28 (0) Rekomenduoja   (32) Perskaitymai (3331)
    Share

Saulė yra beveik vienintelis šviesos, šilumos ir energijos šaltinis Žemės paviršiuje, ir savo energiją ji gauna iš termobranduolinės sintezės. Tačiau kaip bebūtų keista, energijos balanse vandenilio virtimas heliu nesudaro nė pusės.


©public domain

Jei daug vandenilio susirenka į vieną vietą ir dėl savo paties gravitacijos susispaudžia, jis iš pradžių įkaista ir stengiasi plėstis, tačiau galiausiai atvėsta ir susitraukia. Bet jei vandenilio susikaupia keli milijonai Žemės masių (ar daugiau), molekulinis debesis susitraukia taip stipriai, kad jo viduje ima formuotis žvaigždės. Viršijus kritinę ~8% Saulės masių ribą, įsižiebia termobranduolinė sintezė ir ima formuotis nauja žvaigždė. Nors žvaigždėse iš tiesų vandenilis verčiamas heliu, tai nėra nei dažniausiai vykstanti, nei daugiausiai energijos išskirianti reakcija. Energiją žvaigždėms iš tiesų tiekia termobranduolinė sintezė, bet ne vandenilio jungimasis į helį.

Skaitmeninio dangaus tyrimo dalis su arčiausiai Saulės esančia Proxima Centauri žvaigžde, pavaizduota raudonai, centre. Nors į Saulę panašios žvaigždės yra paplitusios, iš tiesų jos masyvesnės nei 95% Visatos žvaigždžių, o 3 iš 4 žvaigždžių priklauso „raudonųjų nykštukių“ klasei, kaip ir Proxima Centauri.
©David Malin, UK Schmidt Telescope, DSS, AAO

Visose žvaigždėse, nuo raudonųjų nykštukių, mūsų Saulės ir masyviausių supergigančių, termobranduolinė sintezė vyksta, branduoliuose temperatūrai pakilus iki 4 000 000 K ar dar aukščiau. Per ilgą laiką vandenilis, vykstant reakcijoms, sudega ir galiausiai tampa heliu-4. Termobranduolinėse reakcijose, kur sunkesni elementai sukuriami iš lengvesnių, išsiskiriančios energijos kiekis paskaičiuojamas pagal Einsteino E=mc². Taip nutinka, nes galutinio produkto, helio-4 masė, yra maždaug 0,7% mažesnė už reagentų (keturių vandenilio branduolių) bendrą masę. Ilgainiui ir tokia menka dalis tampa ženklia: per savo 4,5 mlrd gyvavimo metų, Saulė palengvėjo maždaug vieno Saturno mase.

Saulės žybsnis, išsviedžiantis materiją į planetų sistemos platybes, nublanksta prieš termobranduolinės sintezės sukeliamą „svorio netekimą“, Saulės masę sumažinusio 0,03% nuo pradinio jos lygio: Saulė išspinduliavo Saturno masę.
©NASA’s Solar Dynamics Observatory / GSFC

Bet visa reakcija yra sudėtinga. Vienu metu susidurti ir reaguoti gali tik du objektai; nepavyks tiesiog sudėti keturių vandenilio barnduolių ir paversti jų helio-4 branduoliu. Reikės atlikti visą reakcijų grandinę, kurios gale helis-4. Mūsų Saulėje tai vyksta per procesą, vadinamą protono-protono grandine, kur:

  • Du protonai susijungdami suformuoja diprotoną: labai nestabilią konfigūraciją, kur du protonai laikinai sukuria helį-2,
  • Labai retai, vieną iš 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kartų, tas diprotonas suyra į deuterį, sunkųjį vandenilio izotopą,
  • Tai vyksta taip greitai, kad žmonės, kurie gali matyti tik pradinius reagentus ir galutinį produktą, regi, kaip du protonai vienas nuo kito atšoka, arba susijungia į deuteroną, išskirdami pozitroną ir neutriną.

Kai du protonai susitinka Saulėje, jų bangos funkcijos persidengia, laikinai sukurdamos helį-2: diprotoną. Beveik iš karto jis skyla atgal į du protonus, bet labai retai sukuriamas deuteronas (vandenilis-2).
©E. Siegel / Beyond The Galaxy

  • Tada deuteronas gali nesunkiai susijungti su kitu protonu į helį-3, energetiškai daug palankesnėje ir spartesnėje reakcijoje,
  • O tada helio-3 laukia vienas iš dviejų kelių:
    • Jis gali susijungti su kitu heliu-3 ir sukurti helio-4 branduolį ir du laisvus protonus,

Tiesiausia ir mažiausios energijos protono-protono grandinės versija, sukurianti helį-4 iš vandenilio. Atkreipkite dėmesį, kad tik deuterio ir protono sintezė helį sukuria iš vandenilio; visose kitose reakcijose arba sukuriamas vandenilis, arba helis iš kitų helio izotopų.
©Sarang / Wikimedia Commons

  • Arba jis gali jungtis su jau esančiu heliu-4, ir sukurti berilį-7, kuris skyla į litį-7, kuris savo ruožtu susijungia su kitu protonu ir sukuriamas berilis-8, iš karto savaime skylantis į du helio-4 branduolius.

Didesnės energijos grandininė reakcija, vykstanti heliui-3 jungiantis su heliu-4, Saulėje atsako už 14% helio-3 konvertavimo į helį-4. Masyvesnėse, karštesnėse žvaigždėse ši reakcija gali dominuoti.
©Uwe W. and Xiaomao123 / Wikimedia Commons

Štai tokie yra keturi įmanomi viso „vandenilio jungimo į helį“ proceso žingsniai Saulėje:

  1. Du protonai (vandenilis-1) susijungia, sukurdami deuterį (vandenilį-2) ir kitas daleles, bei išskirdami energiją,
  2. Deuteris (vandenilis-2) ir protonas (vandenilis-1) susijungia, sukurdami helį-3 ir išskirdami energiją,
  3. Du helio-3 branduoliai susijungia tarpusavyje, sukurdami helį-4, du protonus (vandenilį-1), ir išskirdami energiją,
  4. Helis-3 jungiasi su heliu-4, sukurdami berilį-7, kuris skyla ir tada jungiasi su kitu protonu (vandeniliu-1), sukurdamas du helio-4 branduolius ir  išskirdamas energiją.

Ir apie šiuos keturis įmanomus kelius norėčiau pažymėti kai ką itin įdomaus ir gal net stulbinamo: techniškai, vandenilio jungimas į helį yra tik žingsnis №2, kur jungiasi deuteris ir protonas, sukurdami helį-3!

Tik rudosios nykštukės, kaip čia pavaizduota pora, 100% savo energijos gauna, vandenilį versdamos heliu. Kadangi deuterio sintezė (deuteris+vandenilis=helis-3) vyksta jau 1 000 000 K temperatūroje, „nepavykusios žvaigždės“, nepasiekusios 4 000 000 K, savo energiją gauna vien iš deuterio, buvusio jame iš pat pradžių.
©NASA/JPL/Gemini Observatory/AURA/NSF

Visur kitur vandenilis jungiamas į kitas vandenilio formas, arba helis jungiamas į kitas helio formas. Šie žingsniai ne tik svarbūs ir dažnai vykstantys, jie svarbesni energetiniu požiūriu ir sudarantys didesnę dalį vandenilio virtimo heliu reakcijų. Iš tiesų, pažvelgę į Saulę, galime įvertinti, kokią dalį energijos ir vykstančių reakcijų dalį užima kiekvienas žingsnis. Kadangi reakcijos priklauso ir nuo temperatūros ir kai kurioms (tokioms, kaip dviejų helio branduolių susiliejimo žingsnis) reikia daug protonų tarpusavio susijungimo ir deuterio susijungimo su protonu reakcijų, visų jų indėlį reikia atidžiai vertinti.

<p>Žvaigždžių klasifikavimo pagal spalvą ir dydį sistema labai naudinga. Apžvelgus gretimas Visatos apylinkes, aiškėja, kad vos 5% žvaigždžių yra tokios pat masyvios kaip Saulė ar masyvesnės. Masyvesnėse žvaigždėse vyksta papildomos reakcijos, tokios, kaip CNO ciklas ir kitos protonų-protonų grandinės atšakos, dominuojančios aukštesnėse temperatūrose.
©Kieff/LucasVB of Wikimedia Commons / E. Siegel

Mūsų Saulėje helio-3 jungimasis su kitais helio-3 branduoliais sukuria 86% helio-4, tuo tarpu helio-3 jungimasis su heliu-4 per grandininę reakciją, sukuria likusius 14%. (Kitose, daug karštesnėse žvaigždėse yra ir daugiau įmanomų kelių, tarp jų ir CNO ciklas, bet mūsų Saulėje jų indėlis nežymus.) Įvertinus kiekviename žingsnyje išlaisvinamą energiją, matomas toks vaizdas:

  1. Protono/protono sintezė į deuterį sudaro 40% vykstančių reakcijų, kiekvienos reakcijos metu išskiriama 1,44 MeV energijos: 10,4% bendros Saulės energijos.
  2. Deuterio/protono sintezė į helį-3 sudaro 40% vykstančių reakcijų, kiekvienos reakcijos metu išskiriama 5,49 MeV energijos: 39,5% bendros Saulės energijos.
  3. Helio-3/helio-3 sintezė į helį-4 sudaro 17% vykstančių reakcijų, kiekvienos reakcijos metu išskiriama 12,86 MeV energijos: 39,3% bendros Saulės energijos.
  4. Ir helio-3/helio-4 sintezė į du helius-4 sudaro 3% vykstančių reakcijų, kiekvienos reakcijos metu išskiriama 19,99 MeV energijos: 10,8% bendros Saulės energijos.

Skerspjūvyje matomi įvairūs Saulės paviršiaus ir vidaus regionai, taip pat ir branduolys, kuriame vyksta branduolinės sintezės reakcijos. Nors vandenilis verčiamas į helį, didžioji dalis vykstančių reakcijų ir didžioji dalis Saulės energijos gaunama iš kitų šaltinių.
©Wikimedia Commons user Kelvinsong

Gali nustebinti, kad vandenilio jungimosi į helį reakcijos sudaro mažiau nei pusę Saulėje vykstančių reakcijų ir sukuria mažiau nei pusę Saulės skleidžiamos energijos. Vyksta keisti, nežemiški reiškiniai: diprotonai, įprastai tiesiog suskylantys į pradinius, juos sudariusius protonus, nestabilių branduolių spontaniškai spinduliuojami pozitronai, ir maža (bet svarbi) dalis reakcijų, kai susidaro 8 a.m.v branduoliai, kas natūraliai Žemėje nevyksta. Bet Saulė energijos semiasi būtent iš branduolinės fizikos, ir ji daug turtingesnė, nei paprastas vandenilio sulipdymas į helį!

Verta skaityti! Verta skaityti!
(34)
Neverta skaityti!
(2)
Reitingas
(32)
Komentarai (0)
Komentuoti gali tik registruoti vartotojai
Komentarų kol kas nėra. Pasidalinkite savo nuomone!
Naujausi įrašai

Įdomiausi

Paros
113(9)
61(9)
46(3)
36(0)
34(0)
19(0)
17(4)
15(0)
13(0)
11(0)
Savaitės
138(3)
134(13)
84(1)
83(7)
66(0)
Mėnesio
139(0)
138(3)
132(10)
132(2)
126(2)