interaktívne zoznámenie s kozmom
|
|
interaktívne zoznámenie s kozmom |
Teraz ste tu: Stefanik » Fyzika a astronómia » Fyzika hviezdneho vnútra späť na astroportal.sk
Hviezdy žiaria vďaka jadrovým premenám atómov. U normálnych hviezd na hlavnej postupnosti h-r diagramu, ako napríklad naše Slnko, prebieha fúzia vodíka na hélium v jadre hviezdy.
Proces jadrovej fúzie, ktorou Slnko uvoľňuje svoju energiu je séria 3 zrážok medzi atómovými časticami. Nazýva sa protón-protónový cyklus, pri ktorom sa spájajú 4 vodíkové jadrá (protóny) do jedného héliového jadra a uvolňuje sa energia. Jednotlivé kroky cyklu trvajú nerovnako dlho, pretože je nerovnaká pravdepodobnosť ich výskytu. Napríklad, v prípade jedného protónu je pravdepodobnosť jeho prvej zrážky raz za 7 miliárd rokov! Počet protónov na Slnku je ale tak enormný že proces jadrovej fúzie prebieha plynule a trvale.
Rozoberme si jadrový cyklus Slnka, táto fúzna reakcia prebieha na rovnakom princípe, ako výbuchy vodíkových bômb. Najprv musíme vstúpiť do mikrosveta atómových častíc v jadre Slnka. Teplota sa tu meria v miliónoch stupňov, pri takýchto teplotách sú vodíkové a héliové jadrá obnažené od ich elektrónových obalov a v jadre Slnka sa pohybujú nezávisle.
V priemere raz za 7 miliárd rokov nastáva spojenie dvoch protónov, keď sa sledovaný protón (červená) zrazí s iným protónom s dostatočnou energiou na to, aby sa spojili. Ale dvojprotónové jadro je nestabilné a hneď sa mení na deutériové jadro pozostávajúce z jedného protónu (červená) a jedného neutrónu (biela). Rozpad uvoľní neutríno (malá biela), ktoré uniká rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla a ešte pozitrón (malá červená). Pozitrón odlieta a náhodne sa zrazí s voľným elektrónom (malá žltá), pričom obidva ihneď anihilujú v záblesku gama žiarenia (vlnovky).
Deutériové jadro z predchodzej zrážky letí ďalej, je však veľmi náchylné k reakcii s ďalšími atómovými jadrami. Iba niekoľko sekúnd trvá, kým sa zrazí s iným blízkym protónom. Pri tejto zrážke sa uvoľní vysoko energetický gamma lúč a vznikne nový prvok. Je to vzácna forma nazývaná "hélium-3", ktorá váži iba 3/4 normálneho hélia, skladá sa z dvoch protónov a iba jedného neutrónu.
Tretia a záverečná zrážka protón-protónového cyklu sa udeje o 400 000 rokov neskôr! Vtedy sa hélium-3 zrazí s iným héliom-3, ktoré vzniklo rovnakým spôsobom. Celkovým výsledkom reakcie sú dva voľné protóny a obyčajné hélium-4 zložené z dvoch protónov a dvoch neutrónov. Dva voľné protóny odletia preč a môžu sa zraziť s inými protónmi, začať celý cyklus odznovu.
Úhrnný výsledok každého protón-protónového cyklu je premena 4 vodíkových jadier (protónov) na jedno héliové jadro. No héliové jadro má iba 99,3% hmotnosti štyroch protónov. Kam sa stráca zvyšná hmota? Premenila sa na energiu vo forme gama lúčov a neutrín, ktoré boli konečnými produktmi troch zrážok. Energia sa premenila z hmoty v súlade so slávnym Einsteinovým vzťahom E=mc2. Vytvorené neutríno je natoľko nereaktívne, že veľmi rýchlo odletí zo Slnka do vesmíru. No a gama lúče sa budú predierať slnečným vnútrom stotisíce až milióny rokov kým dosiahnu povrch Slnka! Odtiaľ, už v podobe viditeľného svetla, budú vyžiarené a my ich môžeme cez deň pozorovať ako svetlo zo Slnka.
V jadre prebieha aj ďalší reťazec jadrových reakcií, nazývaný CNO cyklus podľa značiek prvkov uhlíka, dusíka a kyslíka, ktoré pri ňom vznikajú. Neskôr, keď sa vyčerpá značná časť vodíka v jadre hviezdy, začne sa hviezda vlastnou gravitáciou stláčať a teplota v jadre vzrastie natoľko, že začne ďalší cyklus. Pri Salpeterovej reakcií sa zlučujú 3 jadrá hélia a vzniká uhlík. Popri tom sa udržuje vodíkový cyklus, ibaže sa presúva do vyšších vrstiev hviezdy, ešte bohatých na vodík.
Po vyčerpaní hélia opäť vzrastie teplota a môžu začať ďalšie reakcie, pri ktorých dochádza k vzniku ťažších prvkov až po železo. V tomto období má hmotná hviezda už najmenej tri vrstvy termonukleárnych reakcií, ktoré sú poskladané nad sebou ako šupky v cibuli. V jadre prebieha vznik ťažkých prvkov po železo, nad tým je oblasť horenia hélia na ešte vyššie sa premieňa vodík na hélium.
Mierka v ktorej Slnko produkuje energiu je skutočne ohromujúca. Každú sekuntu sa premení 592 miliónov ton vodíka na 587,9 milióna ton hélia. Zvyšných 4,1 milióna ton sa premení na energiu! Každú sekundu! Podobne je počet protón-protónových cyklov, ktoré sa odohrajú každú sekundu v Slnku rovnako nepredstaviteľný. Predpokladajme, že každý človek na Zemi má 50 kg balík jemného piesku. Počet zrniek tohoto všetkého piesku je stále omnoho menší ako počet protón-protónových reakcii, ktoré sa ukončia každú sekundu v jadre Slnka!
Koľko energie teda Slnko vyprodukuje? Bežnými pojmami povedané, každú sekundu sa vytvorí 13 milión krát viac energie ako je ročná spotreba elektriny v Spojených štátoch! To je stály svietivý výkon Slnka 383 miliárd miliárd megawatov energie!
Čo drží všetkú energiu Slnka v rovnováhe ako v normálnej vysokej peci? Gravitácia a teplo spolu fungujú ako "bezpečnostná ochrana"! Ak sa zvýši množstvo reakcii v jadre, uvoľní sa viac tepla a Slnko sa začne zväčšovať. Reakcie sa spomalia, lebo medzi časticami je viac voľného miesta. Keď sa dostatočne spomalia, klesne teplota a gravitácia stlačí Slnko naspäť. Keď sa opäť častice priblížia, množstvo reakcii opäť vzrastie. Predpokladáme, že takýmto jednoduchým mechanizmom "bezpečnostnej ochrany" sa udržuje stabilný výkon Slnka počas miliárd rokov.
Posledná zmena:
© 2002 Štefánikova nadácia na podporu
astronómie na Slovensku (napíšte nám)
späť na astroportal.sk