 |
|||
 |  |  |  |
Часть 4
Было подсчитано, что отдельному солнечному протону необходимо 14000 миллионов
лет для того, чтобы найти "горячего партера", с которым он может
вступить в реакцию синтеза. Протоны могут путешествовать в течение длительного
времени без столкновений с другим протоном в солнечном ядре. Они также
могут сталкиваться много раз друг с другом без "синтезирования".
Вы, наверное, заметили, что они должны сталкиваться при определенной скорости,
под правильным углом и достаточной энергией для того, чтобы произошла
реакция синтеза.
Так в чем же заключался смысл ваших попыток попасть в "цель"
с завязанными глазами? Если бы мы могли видеть солнечное ядро, то оно
было бы черным, поскольку вся фотонная энергия, получаемая в результате
синтеза протон-протон, является слишком большой для того, чтобы быть видимой
человеческим глазом. Поэтому протоны сталкиваются с другими протонами
"в темноте", точно так же, как вы моделировали реакцию синтеза
с завязанными глазами.
Вы только что смоделировали некоторые важные свойства солнечного ядра,
т.е. самой глубинной зоны солнца. Фактически вы "смоделировали модель"
стандартной солнечной системы. Никто и никогда не видел солнечного ядра,
и по понятным причинам, скорее всего, никто никогда его и не увидит.
Ранние модели энергии солнца.
Насколько "Невидимый огонь" соответствует нашим визуальным наблюде-ниям,
подтверждающим то, что солнце является "огненным шаром" в небе?
Модель огненного шара представляется весьма резонной. Наши глаза получают
много света от солнца - настолько много, что, фактически, нас всегда предупреждают
о том, чтобы мы НИКОГДА НЕ СМОТРЕЛИ ПРЯМО НА СОЛНЦЕ. И мы чувствуем солнечный
жар на нашей коже, точно так же, как когда мы находимся близко к огню.
Стоит ли удивляться тому, что ранние ученые, наблюдавшие солнце единственными
научными приборами, имевшимися в то время, - глазами и телескопами - считали,
что солнце является остывающим шаром горячего железа или гигантским шаром
горящего угля?
Позднее концепция гравитационно-заряжаемого солнца привела к предложениям
о том, что солнце подпитывается:
а) метеорами, падающими на него из открытого космоса;
b) поглощая целые планеты, которые отдают свою гравитационную энергию
после столкновения с солнцем;
с) сжатием, в результате которого потенциальная энергия переходит в термическую
энергию;
d) в результате столкновения со скалообразными небольшими кусками из открытого
космоса, которые сформировали первоначальное солнце.
Новые научные приборы и открытия привели к созданию новой модели
Анализ материалов с помощью техники массовой спектрометрии сыграл основополагающую
роль в развитии стандартной солнечной модели. Благодаря определению "точной"
массы гелия на основе техники массовой спектрометрии, было установлено,
что масса атома гелия на 0,8% меньше массы 4 атомов водорода. Это наблюдение
расходилось с современной в то время теорией о том, что атомный вес любого
элемента является точным кратным числом атомного веса водорода. Это открытие
дало ученым в 20-х годах окончательный аргумент необходимый для того,
чтобы предложить, что "печка внутри звезд" подтапливается за
счет субатомной энергии. (Для получения более детальной информации по
истории солнечных теорий и моделей смотрите раздел "Ядерный огонь
солнца" в Аппендиксе А).
Ученые рассчитали модель солнца, используя информацию, включавшую современную
технологию и аналитические приборы. В течение последних 25 лет сотни изменений
были внесены в стандартную солнечную модель в попытке достигнуть более
полного численного соответствия между моделью и наблюдаемым солнцем.
Стандартная солнечная модель предполагает, что структура солнца состоит
из ядра, окруженного тремя слоями или оболочками. (Используйте раздаточные
материалы "Стандартная модель солнца" в качестве справки по
мере исследования солнца и солнечного ветра). Эти оболочки рассматриваются
как излучающий слой (или зона), конвекционный слой и фотосфера, которая
представляет собой поверхностный слой. Фотосфера отделяет непрозрачную
солнечную массу от атмосферных регионов, которые называются хромосфера
и корона.
Невидимый огонь
Хотя многое остается неизвестным о структуре солнца, особенно внутренней,
современная модель включает очень плотное ядро. На ядро приходится около
50 % общей солнечной массы, и только около 1,5% общего объема солнца.
Считается, что температура ядра составляет около 15 миллионов градусов
Кельвина. Эти условия настолько экстре-мальны, что все находящиеся в них
атомные материалы лишаются своих электронов, формируя горячую смесь протонов,
нейтронов, ядер и свободных электронов.
Давление в ядре, возможно, в 250 миллионов раз превышает давление земной
атмосферы. Солнце не подвергается гравитационной катастрофе только благодаря
колоссальному давле-нию извне, которое генерируется теплом, производящимся
в ядре. В то же время солнце и не взрывается как водородная бомба, поскольку
огромная масса газов вокруг ядра сдержи-вает его взрывоопасность.
Как уже отмечалось выше, плотность ядра является очень высокой. Ведро,
наполненное материалом, из которого состоит ядро, было бы настолько тяжелым,
что вы не смогли бы поднять его. В ядре мы обнаруживаем ядерный ад, производящий
энергию, которая в конеч-ном итоге выбрасывается в космическое пространство.
Солнечная энергия проявляется в форме коротковолновых гамма-лучей, которые
можно представить как небольшие пакетики энергии, называемые фотонами,
являющимися компонентами электромагнитного излучения. Если бы мы смогли
за-глянуть в солнечное ядро, то оно показалось бы нам абсолютно черным,
поскольку ни один из видов энергии, генерируемый здесь, не находится в
видимой части спектра. Вследствие потерь энергии в результате столкновений,
фотоны гамма-лучей быстро сокращаются до более длинных волн и менее энергетичных
фотонов x-лучей, которые остаются за пределами видимой части электромагнитного
спектра. По оценкам, при ядерных температурах только один протон из 100
миллионов имеет достаточно энергии для синтеза во время столкновения.
Другими словами, скорость реакции настолько мала, что отдель-ному протону
потребовалось бы 14000 миллионов лет для того, чтобы найти подходящего
"горячего" партнера, при столкновении с которым произошла бы
успешная реакция синтеза. Поскольку возраст солнца составляет всего (!)
око-ло 4,5 миллиардов лет, то большинство его протонов еще не нашли партнеров
для синтеза. Каковы же детали и последствия этого редкого события? Во-первых,
необходимо помнить о том, что сталкиваются два "крайне горячих"
протона, представляющих собой атомы водорода без электронов. Результатом
этого события является синтез двух ядер и образование дейтрона, позитрона
и нейтрино. Это событие может быть удобно выражено в форме уравнения,
где дополнительные обозначения рядом с символами элементов представляют
массовый номер:
1H + 1H 2D + 0e+ + c (уравнение 1)
Символы 0е+ и c представляют позитрон и нейтрино. Дейтрон 2D отличается
от обычного ядра водорода тем, что содержит нейтрон вдобавок к протону.
В этой реакции один из протонов заменен на нейтрон с образованием нового
ядра, содержащего один протон и один нейтрон. Ключевая трансформация может
быть записана следующим образом:
1p+ 1n0 (уравнение 2)
Но подождите! Что-то не в порядке с уравнением 2: в левой части имеется
положительный заряд, а в правой части - никакого заряда. Природа не терпит
исчезновения заряда в воздухе, поэтому в уравнении должно быть что-то
еще. Заметьте, что массовые числа законсервированы, поэтому в этом отношении
Мать-природа может быть спокойна. Необходимо добавить член, имеющий массовое
число равное нулю, и заряд, равный +1, к правой части уравнения. Введите
позитрон 0e+, который представляет собой положительно заряженный электрон
- кусочек антиматерии. Поэтому теперь мы можем записать уравнение 2 более
правильно следующим образом:
1p+ 1n0 + 0e+ (уравнение 3)
Теперь заряд и массовое число законсервированы, и Мать-природа может чувствовать
себя спокойно с одной маленькой, но хитрой оговоркой. Природа требует,
что бы момент также был законсервирован. Если позитрон вылетает из системы
(уравнение 3), то должно быть что-то еще, что вылетает в противоположном
направлении, поскольку было установлено, что момент позитрона не уравновешивается
отдачей протона. Введите еще одного необычного зверька в субатомный зверинец
- нейтрино, который представлен символом с. Более детально по нейтрино
рассказывается в тексте учебника "Модели в науке", поскольку
они озадачивают ученых вот уже в течение 60 лет. Не стоит говорить и о
том, что теперь мы имеем достаточно хорошее понимание необходимости введения
позитронов и нейтрино в уравнение 1.
Следующий шаг в так называемом цикле протон-протон, который подпитывает
солнце, это столкновение еще одного протона с дейтроном, полученным в
уравнении 1, с образованием ядра гелия, содержащего два протона и один
нейтрон, т.е. 3Не.
1H + 2D 3He + (уравнение 4)
.
Символ представляет протон гамма-луча. На конечном этапе происходит столкновение
двух ядер гелия-3 с образованием гелия-4 (4Не) и двух протонов.
3Не + 3Не 4Не + 21Н (уравнение 5)
Вся чистая реакция выглядит следующим образом:
41H 4He + 20e+ + 2 c + 2 (уравнение 6)
До сих пор ничего не было сказано об образовании фотонов в цепи данных событий (уравнения 1, 4 и 5), за исключением фотона гамма-луча в уравнении 4. Уравнение 6 представляет собой полную чистую реакцию. Фотоны являются важными частицами, поскольку они представляют собой пакетики энергии, в которых проявляется энергия солнца, и которая в конце концов вырывается из ядра наружу.
Мы также должны иметь в виду, что ядра водорода (протоны) в солнечном
ядре представляют собой атомы водорода, от которых отщеплены электроны
(ионизированные), и что кипящий котел сталкивающихся протонов также населен
огромным количеством ионизированных электронов. И здесь мы подходим к
концу этой части нашей истории. Позитроны, сформированные на первом этапе
и дошедшие до шестой реакции, мгновенно сталкиваются со своими антипартнерами
- электронами, получая поцелуй смерти и уничтожая друг друга со вспышкой
лучевой энергии в форме дополнительных гамма-лучевых фотонов.
Конечно, позитрон и электрон - оба имеют массу (очень незначительную).
Их комбинированные массы уничтожаются совершенно и превращаются в энергию
в соответствии с уравнением Эйнштейна: E=mc2. Выясняется, что масса, фактически,
теряется на каждом этапе. Все это прекрасно соответствует друг другу.
Описанный выше сценарий называется цепь протон-протон и, по большому счету,
является наиболее важным процессом для производства солнечной энергии,
хотя это не единственный набор реакций который при этом происходит.
Получив всю эту информацию, вы можете спросить, каким образом такое огромное количество солнечной энергии может получаться в результате цепной реакции протон-протон при такой низкой скорости реакции. Это особенно непонятно, когда мы знаем, что отдельному протону требуется 14000 миллионов лет для того, чтобы найти "горячего" партнера. Ответом является тот факт, что в солнце имеется огромное количество протонов. На основе солнечной светимости и энергии, высвобождаемой при цепной реакции протон-протон, может быть показано, что число реакций в ядре, происходящих каждую секунду, составляет около 9*1037, и что эта масса потребляется с изумительным темпом, равным 4,4*109 кг/с !
На первый взгляд это умопомрачительное число может показаться тревожным: угрожает ли солнцу истощение запасов водорода? Нет! Абсолютно нет! Учтите тот факт, что масса солнца составляет почти 2*1030 кг. Другими словами, солнце все еще имеет очень много рабочего водорода. Фактически, в течение 4,5 миллиардов лет, пока светит солнце, было израсходовано всего около 0,03% его массы. Так что нет оснований для беспокойства.