,После отделения от протозвезды, 10 газопылевых колец, из оставшихся частей формируется протосолнце. Оно, в течение одного миллиона лет, постепенно сжимается и нагревается до 20 млн. градусов. При этой температуре, возникает термоядерная реакция превращения водорода в дейтерий и тритий, затем в гелий. Об этой реакции впервые сообщил американский физик-теоретик Ханс Бете, в 1939 г.:
,
где h2 - протон, D2 - дейтерий, е+- позитрон, 
- нейтрино, Т3 - тритий, 
- фотон и Не4 – ядро гелия. Эти реакции Ханс Бете назвал протон-протонным циклом. Этот цикл обеспечивает выход 19,78 МэВ энергии и может проходить при температурах порядка 13 млн. градусов. После начала ядерной реакции Солнце вспыхивает и начинает излучать электромагнитные волны с максимумом излучения в области видимого света. Реакция протон-протонного цикла является источником энергии Солнца и всех звезд.
Вопросы для самоконтроля
1. Из чего состоит протосолнце?
2. За сколько времени из протосолнца возникает Солнце?
3. При какой температуре, возникает термоядерная реакция превращения водорода в гелий?
4. Когда и кто впервые разработал механизм термоядерной реакции превращения водорода в гелий?
5. Как назвал Ханс Бете термоядерную реакцию превращения водорода в гелий?
6. Сколько энергии выделяется в МэВ-х, при одном цикле термоядерной реакции?
7. На какую область спектра приходится максимум излучения Солнца?
19.2. Две группы планет Солнечной системы
Планеты располагаются вокруг Солнца, в зависимости от расстояния следующим образом: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. По физическим характеристикам планеты делятся на две группы. 1. Земноподобные планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс и Плутон. 2. Планеты гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Все планеты земной группы имеют большую плотность 5,5 г/см3, твердую оболочку, газовые атмосферы, Земля - гидросферу и биосферу, Марс – криосферу.
Меркурий.Температура освещенной стороны Меркурия более 3500С, а неосвещенной стороны минус 1600С. На его поверхности имеются многочисленные кратеры. Некоторые из них являются следами потухших вулканов. Ядро Меркурия на 50% состоит из железа. Земные сутки составляют 59 суток Меркурия, а земной год - 90 лет Меркурия.
Венера. Венера является самой яркой планетой на небосводе. Ее атмосфера состоит в основном из углекислого газа на 97% и азота – 2%. Атмосфера создала парниковый эффект, приводящий к нагреву поверхности планеты до 470 градусов. Всего 8% поверхности Венеры покрыты горами. Она окутана непрозрачной атмосферой. В атмосферу планеты наблюдается сильные бури, адская жара и ядовитые облака. Молния происходит с силой, в 25 раз превосходящей земной. Поверхность Венеры состоит из горячей, сухой, каменистой пустыни.
Земля. Максимальная высота на поверхности Земли– это высота горы Джамалунгма в Гималаях – 8848 км, а самое глубокое место – это Марианская впадина в Тихом океане – 11022м. Мантия Земли составляет более 60% массы и около 80% ее объема.
По данной таблице, можно сравнить характеристики первобытной и современной Земли, а также современной Венеры:
| Планеты | Содержание атмосферы, % | Мощность воды, км | Давлениеатм. | |||
| N2 | O2 | Ar | CO2 | |||
| Земля современ. | 0,03 | |||||
| Земля первобытн. | 1,5 | - | 0,19 | |||
| Венера современ. | 1,8 | - | 0,2 | - |
Сравнение этих данных показывает, что атмосфера первобытной Земли почти не отличается от атмосферы Венеры.
Марс. В атмосфереМарсабольше всего присутствует углекислый газ – 95%, молекулярный азот – 3%, аргон – 1% и др. Установлено, что Марс обладает дифференцированной корой, как и Земля, с высоким содержанием алюминия, кремния и калия. Имеет четыре действующих гигантских вулкана: Олимп, Арсия, Павонис и Аскрийский. Высота вулкана Олимп более 27 км. В период бурь миллиарды тонн пыли, содержащей в себе атомы меди, поднимаются до высоты 17 км. Поэтому Марс имеет красновато-желтый оттенок. У планеты есть два естественных спутника – Фобос и Деймос.
Давление солнечных лучей и солнечный ветер оттолкнули водород и гелий от планет земной группы к планетам - гигантам. Поэтому планеты - гиганты Юпитер и Сатурн в основном состоят из жидкого водорода и гелия. Небольшое ядро Юпитера состоит из твердого водорода. Температура в центре Юпитера около 30000 градусов. Магнитный момент Юпитера в 10 тысяч раз больше, чем у Земли.
Основные характеристики планет приведены в следующей таблице:
| Планеты | Характеристики планет | |||||
| Расстояние, а. е. | Скорость,км/с | Масса, Мз | Плотн.,г/см3 | Ср. т-ра, К | Спутни ки | |
| Меркурий | 0,39 | 47,9 | 0,056 | 5,59 | - | |
| Венера | 0,72 | 35,0 | 0,815 | 5,22 | - | |
| Земля | 1,00 | 29,8 | 1,000 | 5,52 | ||
| Марс | 1,52 | 24,1 | 0,53 | 3,97 | ||
| Юпитер | 5,20 | 13,1 | 11,20 | 1,33 | ||
| Сатурн | 9,54 | 9,6 | 9,41 | 0,71 | ||
| Уран | 19,18 | 6,8 | 3,75 | 1,47 | ||
| Нептун | 30,06 | 5,4 | 3,50 | 1.70 | ||
| Плутон | 39,40 | 4,7 | 0,25 | 1,30 |
Предполагается, что планеты возникли почти одновременно, около 4,2 млрд. лет назад из холодного газопылевого облака, имеющего кольцеобразную форму, вращающегося вокруг Солнца.
Вопросы для самоконтроля
1. Какая планета самая близкая к Солнцу?
2. Какая планета самая далекая от Солнца?
3. К какой группе планет относятся следующие планеты: Меркурий, Венера, Земля, Марс и Плутон?
4. К какой группе планет относятся следующие планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун?
5. Какие температуры имеют освещенные и неосвещенные стороны Меркурия?
6. Сколько лет Меркурия равны одному году Земли?
7. Сколько раз Меркурий вращается вокруг собственной оси за одни сутки Земли?
8. Из каких газов состоит атмосфера Венеры?
9. По какой причине, поверхность Венеры нагревается до 4700С?
10. Сколько процентов поверхность Венеры покрыто горами?
11. Во сколько раз больше, сила молнии на Венере, чем на Земле?
12. Сколько километров составляет наивысшая высота, на поверхности Земли?
13. Сколько метров составляет самое глубокое место в Тихом океане?
14. Сколько процентов составляет, по сравнению с Земной массой и объемом, мантия Земли?
15. Сколько процентов составляет углекислый газ в атмосфере Марса?
16. Какие действующие вулканы, имеются на Марсе?
17. Сколько километров составляет высота вулкана Олимп на Марсе?
18. Почему Марс имеет красновато-желтый оттенок?
19. Какие естественные спутники имеет Марс?
20. Из чего состоят планеты Юпитер и Сатурн?
21. Сколько градусов составляет температура, в центре Юпитера?
22. Сколько спутников имеют планеты?
referat-4all.ru
Источники энергии звезд
Наиболее очевидным свойством звезд является то, что они светятся, точнее, являются самосветящимися телами. За счет чего покрываются их энергетические потери? Этот вопрос возник, как только был сформулирован закон сохранения энергии, однако найти исчерпывающий ответ на него сумели лишь век спустя.
Обычно думают, что главная трудность проблемы – в огромной мощности выделения энергии на Солнце и звездах. В действительности дело вовсе не в этом. Удельный темп энерговыделения на Солнце и в звездах более чем скромный. Так, в расчете на один грамм своего вещества Солнце ежесекундно выделяет всего по 2 эрга. По обыденным земным меркам это совершенно ничтожный темп энерговыделения – как в куче гниющих осенних листьев. В человеческом теле темп выделения энергии на четыре порядка (!) выше, чем в Солнце. Однако чтобы поддерживать такой уровень производства энергии, нам нужно трижды в день есть. А Солнце (и звезды) светят миллиарды лет, не питаясь.
Итак, истинная проблема состоит в том, что звезды светят очень и очень долго. За это время они успевают высветить действительно огромные количества энергии. Откуда же она черпается?
Как уже говорилось, вопрос был поставлен в 40-е годы XIX века, с открытием закона сохранения энергии. Сразу же стало ясно, что источником энергии в принципе может быть гравитация. Так, Роберт Мейер, один из отцов закона сохранения энергии, полагал, что Солнце светится за счет кинетической энергии выпадающего на него метеорного вещества. Любопытно, что в течение многих десятилетий гипотеза Мейера считалась чуть ли не смехотворной и упоминалась лишь как исторический курьез. Однако теперь мы знаем, что модернизированный вариант механизма Мейера – аккреция – играет в мире звезд важную роль.
Другой пионер принципа сохранения энергии Герман Гельмгольц предположил, что свечение Солнца может поддерживаться его медленным вековым сжатием, что приводит, разумеется, к выделению гравитационной энергии. Вскоре вслед за Гельмгольцем Дж. Томсон (более известный нам как лорд Кельвин; титул лорда он получил за научные заслуги) уточнил его оценку времени такого сжатия, учтя неоднородность в распределении солнечного вещества вдоль радиуса. За счет такого, как мы теперь говорим, кельвиновского сжатия Солнце могло бы, заметно не меняясь, светить лишь десятки миллионов лет. Любопытно, что сам Кельвин, а вслед за ним и многие другие, рассматривали это как серьезный аргумент против правильности дарвиновских представлений о биологической эволюции, требовавшей по крайней мере на порядок больших времен. В конце XIX века вера в закон сохранения энергии была незыблема – а никакого другого источника энергии звезд, кроме самогравитации, видно не было. Правда, оценки возраста Земли, получавшиеся средствами геологии, давали по крайней мере сотни миллионов лет, что указывало на необходимость поиска какого-то дополнительного источника солнечной энергии.
Ситуация резко обострилась, можно сказать стала катастрофической, вскоре после открытия радиоактивности. Первые же надежные определения возраста Земли показали, что он не менее 1.5 миллиарда лет (современная оценка – 4.6 миллиарда). Отыскание источника энергии Солнца и звезд стало одной из жгучих проблем естествознания.
К середине 20-х годов выяснилось, что таким источником в принципе могли бы служить ядерные реакции, ведущие к превращению водорода в гелий. Масса четырех протонов слегка превосходит массу ядра атома гелия – альфа-частицы, так что при таком процессе превращалось бы энегрию около 0.7% массы покоя. Но по соотношению Эйнштейна E = mc2 при превращении в энергию даже очень малой массы m выделяется колоссальная энергия, так как множитель пропорциональности – квадрат скорости света c2 – очень велик (в системе СГС — порядка 1021). Горячим проповедником идеи термоядерного горения водорода в 20-е годы был фактический создатель теории внутреннего строения звезд А.Эддингтон. Однако поначалу эта идея встретила серьезные возражения Резерфорда и его коллег. Температура в центре Солнца, рассчитанная самим же Эддингтоном (20 млн кельвинов) и оказавшаяся, как мы теперь твердо знаем, близкой к действительной (15.5 млн кельвинов), явно недостаточна для того, чтобы за счет кинетической энергии своего теплового движения протоны могли преодолеть электростатическое кулоновское отталкивание и сблизиться настолько, чтобы вступили в игру ядерные силы. Расхождение было очень серьезным – на три порядка по температуре. "Пойдите поищите местечко погорячее" – вот что постоянно слышал Эддингтон от своих коллег-физиков...
Решение проблемы пришло с развитием квантовой механики. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, говорить о точном местоположении частицы не имеет смысла – она как бы размазана по некоторой области пространства и с разной вероятностью может быть обнаружена в разных местах. Это, в частности, делает возможным присутствие частицы и в тех областях пространства, где классические законы сохранения энергии и импульса это строго запрещают. В итоге непреодолимый для классической частицы кулоновский потенциальный барьер становится как бы "полупрозрачным" (так называемый туннельный эффект). Первыми на роль этого эффекта для решения загадки источников звездной энергии в 1929 г. указали Р.Аткинсон и Ф.Хаутерманс. Созданная в это же примерно время Г.А.Гамовым теория альфа-распада дала математический аппарат, положенный в конце тридцатых годов в основу количественной теории термоядерных реакций в недрах звезд. В 1937–1939 годах появляется, наконец, долгожданное окончательное решение давней загадки источника звездной энергии (Г.Бете и – независимо – К.Вейцзекер).
Слить четыре протона в альфа-частицу за один акт практически невозможно: вероятность четверного столкновения пренебрежимо мала, поэтому процесс идет в несколько шагов. Детальный анализ всех возможных при температурах порядка 20 млн кельвинов ядерных реакций в газе космического химического состава привел к открытию двух возможных способов построить альфа-частицу из протонов.
Первый способ – это знаменитый CN-цикл, или цикл Бете. Вот эта цепочка реакций:
Ее итогом является, очевидно, слияние четырех протонов в a-частицу, а углерод, азот и кислород выступают лишь как катализаторы. При всей кажущейся очевидности последнего утверждения оно нуждается в оговорке, имеющей важное значение для астрономов: на начальном этапе работы цикла, пока еще не установился стационарный режим, большая часть углерода превращается в азот, а оставшийся углерод приобретает специфический изотопный состав, резко отличающийся от того, который имеется на Земле и в атмосфере Солнца. По этим признакам можно с уверенностью опознавать вещество, подвергшееся переработке в CN-цикле.
Второй способ синтеза альфа-частиц в звездах – так называемая pp-цепочка:
Первые две реакции происходят по два раза, так как надо выработать два ядра 3He, прежде чем сможет произойти заключительная реакция, синтезирующая 4He.
Первоначально считалось, что наше Солнце вырабатывает свою энергию по первой схеме, т.е. за счет цикла Бете. В 50-е годы, однако, стало ясно, что это не так, и преобладающую роль играют pp-цепочки. Причина в том, что, как показал более внимательный анализ, центральная температура Солнца немного ниже, чем принималось ранее, а рост темпа выделения энергии с температурой у цикла Бете происходит существенно быстрее, чем для pp-цепочек. Однако в звездах с массами, превосходящими 1.2 массы Солнца, доминирует в выделении энергии CN-цикл.
Простой энергетический расчет показал, что в Солнце выгорание водорода в его центральной части займет около 10 млрд лет. Проблема источников энергии Солнца и подавляющего большинства звезд, в частности, всех звезд так называемой главной последовательности, была тем самым окончательно решена. Однако ее решение сразу же дало и другой, важнейший для всей астрономии результат: стало ясно, что рождение звезд – это непрерывный процесс, который происходит буквально на наших глазах. Так как запасы ядерной энергии, очевидно, пропорциональны массе звезды, а темп ее расходования – светимость звезды – пропорциональна, грубо говоря, кубу массы, ясно, что все массивные звезды должны быть по астрономическим меркам совсем молодыми. Взяв в качестве примера массивную звезду Y Лебедя, Бете в своей эпохальной работе пришел к выводу, что возраст этой звезды должен быть менее 3.5·107 лет. "Приходится предположить, что Y Лебедя и подобные ей другие массивные звезды родились сравнительно недавно" – писал он в 1939 г. Отождествление источников энергии звезд открыло прямой путь к пониманию эволюции звезд – другому великому достижению естествознания XX века.
Поскольку водород – основная составляющая звездного вещества (около 70% по массе) и поскольку при синтезе гелия выделяется большая часть ядерной энергии, запасенной в веществе, основную часть своей жизни звезды светят, сжигая водород. Последующие стадии ядерного горения, начинающиеся с весьма нетривиального процесса – слияния трех альфа-частиц в ядро 12C – важны, пожалуй, в первую очередь не с точки зрения энергетики, в этом отношении ничего принципиально нового здесь нет. Гораздо важнее другое: как выяснилось в 50-е годы, на этих последующих этапах ядерной жизни звезд произошел (и продолжает происходить) синтез всех "тяжелых" элементов, кроме водорода и частично гелия. Эти последние достались нам от Большого Взрыва. Поскольку именно тяжелые элементы – это основа жизни, без преувеличения можно сказать, что первым принципиальным шагом к созданию возможности появления жизни во Вселенной стали те ядерные процессы, которые происходят в недрах звезд после выгорания там водорода. Но это уже другая тема.
bukvasha.ru
Подробно:
© Владимир КалановЗнания-сила
Из года в год Солнце с огромной интенсивностью излучает свет и тепло – а значит и энергию – в космическое пространство. Как давно это происходит и как долго будет продолжаться? Будет ли мощность солнечного излучения уменьшаться со временем и всё живое на Земле постепенно замерзнет? Или же сила солнечного света медленно возрастает и земная жизнь прекратится, когда закипя́т океаны? С тех пор как люди стали изучать Солнце, они вплоть до сегодняшних дней с помощью самых совершенных приборов не смогли заметить сколько-нибудь существенных изменений интенсивности солнечного излучения со временем.
Энергетические запасы Солнца не могут быть бесконечно большими. Солнце имеет конечные размеры, оно содержит конечное количество вещества. В результате излучения масса Солнца уменьшается на 4,3 млн тонн в секунду. Мы можем определить массу Солнца по силе его гравитационного притяжения. Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца по замкнутым орбитам, причем притяжение солнечной массы действует на каждую планету с силой, которая равна центробежной силе, стремящейся увести планету с орбиты. Из условий такого равновесия сил можно определить силу притяжения Солнца, а значит, и его массу. Масса Солнца, выраженная в тоннах, представляет собой 28-значное число (1,989*1030 кг). В этой солнечной массе запасена́ энергия, от которой зависит наша жизнь. Если разделить мощность солнечного излучения на его массу, то окажется, что каждый грамм солнечной массы теряет за год примерно 6 джоулей энергии. На первый взгляд это не слишком много, если вспомнить, что каждый грамм человеческого тела излучает в день в тысячу раз бо́льшую энергию. Однако человек восполняет такие энергетические потери за счёт питания, в то время как Солнце вот уже миллиарды лет черпает энергию из самого́ себя.
Что же является источником энергии, который позволяет Солнцу светить так долго и так ярко? Могут ли служить таким источником химические превращения? Возьмем для примера наиболее простой химический процесс - горение. Если бы Солнце полностью состояло из каменного угля, то энергии горения этого угля́ хватило бы на поддержание нынешнего солнечного излучения в течение примерно 5000 лет. Но Солнце светит уже многие миллиарды лет. Если бы в «солнечной печи» сжигали уголь, то она давно бы уже потухла. Другие химические процессы слабо отличаются от горения: они тоже не дают достаточной энергии, чтобы обеспечить излучение Солнца.
К концу 19 столетия были проделаны многочисленные исследования, авторы которых пытались найти источник энергии Солнца. Поскольку химических процессов на Солнце явно недостаточно, то возникал вопрос, не может ли Солнце разогреваться за счет внешних источников. В нашей Солнечной системе имеется множество небольших твердых тел, которые перемещаются между орбитами планет - так называемых метеоритов. Мы знакомы с ними по появлению «падающих звёзд». Такая «звезда» загорается на небе, когда метеорит влетает в земную атмосферу и, разогреваясь от трения, начинает ярко светиться. Некоторые метеориты не полностью сгорают в атмосфере, их остатки падают на Землю. Многие такие метеориты можно увидеть сегодня в музеях. Солнце из-за своего чрезвычайно большого гравитационного притяжения должно особенно сильно «бомбарди́роваться» метеоритами, с огромной скоростью прилета́ющими из нашей Солнечной системы. При падении метеорита на Солнце энергия его движения должна переходить в тепло. Может быть, это тепло и обеспечивает солнечное излучение? Метеориты, падающие на поверхность Солнца, должны приносить примерно 190 миллионов джоулей энергии на каждый грамм своей массы. Однако, чтобы обеспечить излучение Солнца, на него в течение года должно падать столько метеоритов, что их масса составит около сотой части массы Земли. Такое увеличение количества солнечного вещества было бы заметным, поскольку при этом увеличивалась бы сила гравитационного притяжения Солнца, а значит, изменялась бы и скорость движения Земли по орбите. Поэтому продолжительность года за последние 2000 лет должна была заметно уменьшиться. Однако данные о восходах и заходах Солнца и Луны известны с древнейших времен. И никаких заметных изменений в движении нашей планеты вокруг Солнца за это время не произошло. Поэтому «метеоритную гипотезу» пришлось отвергнуть. Солнце разогревается не за счет метеоритной бомбардировки поверхности.
Другим источником энергии Солнца может быть, в принципе, гравитационное взаимодействие между частицами его вещества. На такую возможность указывал ещё в прошлом веке Герман фон Ге́льмгольц, необычайно разносторонний учёный-физик и врач. Если бы в недрах Солнца не было никакого другого источника энергии, то с течением времени Солнце постепенно сжима́лось бы. Его диаметр становился бы всё меньше и меньше, а каждый грамм солнечного вещества постепенно приближался бы к центру Солнца (в самом грубом приближении - с постоянной скоростью). Как и при падении метеоритов на Солнце, при этом процессе должна выделяться энергия, однако солнечное вещество «падает» - в отличие от метеоритов - «само в себя». Поэтому масса Солнца и его воздействие на Землю не будут изменяться. Однако расчеты показывают, что этот процесс мог поддерживать существующую светимость Солнца примерно десять миллионов лет - в 100 раз меньше срока, в течение которого светит наше Солнце. Таким образом, собственная гравитация тоже не может объяснить излучение Солнца.
Примечание:Здесь мы должны заметить, что до сегодняшних дней существуют альтернативные гипотезы строения Солнечной системы и Солнца, с одной из них мы познакомимся позже на нашем сайте, после изучения классической теории.
Атомные и ядерные реакции
Сегодня мы знаем, что атомные и ядерные реакции служат наиболее мощными из известных источников энергии. Заметная часть электроэнергии вырабатывается сегодня на атомных электростанциях. В реакторах этих электростанций тяжелые я́дра атомов урана распадаются на я́дра более легких элементов. При таком распаде освобождается энергия. Ещё больше энергии выделяется при ядерных реакциях, в которых легкие я́дра объединяются в более тяжелые. Одной из таких реакций является слияние я́дер водорода.
Солнце, как и почти все звёзды, состоит в основном из водорода. Естественно возникает вопрос, может ли светимость Солнца поддерживаться за счет ядерных реакций слияния водорода в его недрах? Но прежде чем убедиться, что Солнце, а следовательно и мы, обязаны своей жизнью ядерным реакциям, попытаемся понять, что следует из предположения о том, что Солнце и звёзды существуют за счет превращения атомов водорода в атомы гелия, а освобождающаяся энергия поддерживает свечение звёзд.
Пусть атомные я́дра одного грамма водорода превратятся в я́дра гелия, тогда из этого грамма вещества освободится 630 миллиардов джоулей энергии: в 20 миллионов раз больше, чем при сгорании такой же массы каменного угля. Таким образом, ядерная энергия Солнца позволяет ему существовать в 20 миллионов раз дольше, чем если бы Солнце получало свою энергию за счет сжига́ния угля. Это означает, что продолжительность жизни Солнца составляет около 100 миллиардов лет. Наконец мы нашли источник энергии, который может поддерживать светимость Солнца в течение миллиардов лет: это ядерная энергия, освобождающаяся при превращении водорода в гелий. Энергия, запасённая в водороде нашего Солнца, позволяет ему светить целых 100 миллиардов лет. На самом деле эта оценка завышена, поскольку Солнце состоит из водорода лишь примерно на 70%, а следовательно, оно содержит меньше ядерного «горючего», чем мы предполагали. Далее мы увидим, что ядерная реакция в недрах звёзд начинает затухать, уже когда израсходовано 10-20% всего водорода. Отсюда следует, что Солнце может существовать примерно семь миллиардов лет. Это тоже достаточно большой срок, и Земля (если на ней ещё будет существовать жизнь) ещё очень долго будет освещаться лучами Солнца.
znaniya-sila.narod.ru
