Главная В избранное Контакты News О проекте Планы сайта Карта
счетчик сайта
Размер шрифта:

Кратко:

Из истории поиска источника энергии Солнца

Френсис Уильям Астон (1877-1945) – один из главных героев истории Солнца и всей физики XX в. Его, величественного и седовласого, можно было часто видеть скромно идущим по главной площади колледжа Святой Троицы в Кембридже. Из около 300 устойчивых изотопов разных химических элементов он выделил и измерил относительные массы более чем 200. Приняв массу углерода за 12 единиц, Астон выяснил, что масса водорода равна приблизительно одной единице, а гелия – четырем. Ученый обнаружил, что масса гелия приблизительно на 1% меньше массы четырех атомов водорода. Это означает, что при извлечении атома гелия из ядер атома водорода, являющихся протонами, произойдет выделение энергии. Астон по праву получил Нобелевскую премию по химии в 1922 г. Сэр Артур Эддингтон моментально понял важность результатов этих измерений для разгадки тайны мощности Солнца.

В своём президентском обращении к Британской ассоциации развития науки в 1920 г. Эддингтон сказал, что измерение Астоном разницы между массами водорода и гелия означает то, что Солнце может излучать свет за счёт преобразования атомов водорода в гелий. При таком преобразовании будет высвобо­ждаться около 0,7% массового эквивалента энергии (согласно формуле Эйнштейна о зависимости между массой и энергией). В принципе это позволит Солнцу светить больше 100 млрд. лет.

В 1920 г. коллеги Эддингтона из лаборатории Кавендиша в Кембридже не предполагали, что температура в ядре Солнца является достаточной для ядерного синтеза. Сэр Эддингтон ответил им, что они могут попытаться найти место пожарче!

David Whitehouse, "The sun".

 

    

    

 

Солнце

Знания-сила


Источник энергии Солнца

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 все живое на Земле постепенно замерзнет? Или же сила солнечного света медленно возрастает и земная жизнь прекратится, когда закипят 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 /сек. 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 запасена 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 большую энергию. Однако человек восполняет такие энергетические потери за счёт питания, в то время как Солнце вот уже миллиарды лет черпает энергию из самого 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 угля 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 звезд». 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 «бомбардироваться» метеоритами, с огромной скоростью прилетающими 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 Гельмгольц, необычайно разносторонний учёный-физик и врач. Если бы в недрах Солнца не было никакого другого источника энергии, то с течением времени Солнце постепенно сжималось бы. Его диаметр становился бы все 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 10 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.

Атомная энергия Солнца и звёзд

атомные и ядерные реакцииСегодня 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 ядра атомов урана распадаются на ядра более легких элементов. При таком распаде освобождается энергия. Еще больше энергии выделяется при ядерных реакциях, в которых легкие ядра объединяются в более тяжелые. Одной из таких реакций является слияние ядер 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 звезды существуют за счет превращения атомов водорода в атомы гелия, а освобождающаяся энергия поддерживает свечение звезд.

Пусть атомные ядра одного грамма водорода превратятся в ядра 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 сжигания 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, запасенная 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.

>>> Читайте дальше: Артур Эддингтон и источник энергии звезд.

ВведениеПоложение в галактикеПоложение среди звёздНаука о СолнцеВнутреннее строениеФотосфера, хромосфераПоверхность, корона, пятнаУстройство пятен, гранулы, факелыСпикулы, флоккулы, протуберанцы; солнечная активностьСпектрАтомная энергия звездАртур Эддингтон и источник энергии звездГеоргий Гамов и его туннельный эффектУглеродный цикл Протон-протонная цепочка. Возникновение более тяжелых элементовСолнечное нейтрино. Нейтринная астрономия [1 2]Будущее Солнца

 
 
Главная В закладки Контакты Новости О проекте Планы сайта

open
© KV


 


 

По убеждению физиков XIX в. источником энергии Солнца являлась гравитация. В своей лекции, прочитанной в 1854 г., немецкий профессор Герман фон Гельмгольц предположил, что огромная излучаемая энергия Солнца происходит от гравитационного противодействия больших масс. Правда, немного ранее, в 1840-х годах, эта гипотеза была высказана Юлиусом Робертом Майером и Джоном Джеймсом Уотерсоном. Она была предельно проста: если сжать нечто, оно нагреется.

Закрыть урок