7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

В недрах Солнца происходит превращение, вернее, объединение ядер водорода, протонов, в ядра гелия, или а-частицы. Процесс этот достаточно многоступенчатый, и о том, какими путями он может происходить, будет рассказано несколько позже. Сейчас же рассмотрим это превращение с энергетической точки зрения.

Прежде всего сделаем некоторое отступление и на­помним формулу Эйнштейна Е—тс2. Выведенная тео­ретически, она великолепно выдержала проверку в экс­периментах и на практике и является одной из фунда­ментальных формул в физике. Формула эта показывает связь между полной массой т и полной энергией Е те­ла или системы и позволяет выражать энергию в еди­ницах массы и наоборот (с — скорость света в вакууме). У нее глубокий не только физический, но и философский смысл, так как она количественно описывает превраще­ние одних форм материи в другие.

Одна из форм материи — это вещество, различные тела, с которыми мы имеем дело в жизни и в научных изысканиях. Проникая все глубже в структуру вещест­ва, мы переходим к молекулам, атомам и элементарным частицам. Для всех элементарных частиц имеются анти­частицы. Античастица электрона — позитрон, из наблю­дений известны антипротон, антинейтрон и т. д. У части­цы и античастицы одинаковые массы, но противополож­ные заряды, направления магнитных моментов по отно­шению к спину и т. д., в общем, частицу и античастицу можно рассматривать как предмет и его «зеркальное отражение».

Сталкиваясь, частица и античастица аннигилируют, т. е. перестают существовать как зеркально-симметрич­ная пара. В отдельных случаях (например, при столк­новении протона и антипротона) могут возникать дру­гие частицы (п-мезоны). А в часто наблюдаемой анни­гиляции электрона и позитрона возникают два (изредка больше) кванта электромагнитного излучения в гамма-диапазоне. Особо «жесткие» кванты могут возникать и при протон-антипротонных столкновениях. И в обоих случаях аннигиляции — электрона и позитрона, прото­на и антипротона — происходит превращение частиц вещества, т. е. например, электрона и позитрона, в дру­гую форму материи — электромагнитное поле.

Энергия возникших гамма-квантов (а значит, их ча­стота и длина волны) определяется формулой Эйнштей­на. Наблюдаются и обратные превращения: мощный гамма-квант порождает электронно-позитронную пару, тут вещество возникает из другой формы материи.

Формуле Эйнштейна можно дать и такое толкование. Имея дело с одной формой материи — веществом, мы количественно характеризуем объекты посредством по­нятия массы. Имея же дело с электромагнитным полем (в частности, с излучением), мы для количественной ха­рактеристики берем энергию. Одна форма материи мо­жет превращаться в другую, поэтому и излучение мож­но измерять единицами массы, и количество вещества — единицами энергии. Можно сказать, и многие физики именно так и пишут, что вещество превращается просто в энергию, как в другую, отличающуюся от вещества объективную реальность. Связь между ними и дается формулой Эйнштейна. И мы в дальнейшем тоже будем придерживаться этой формулировки.

Формула Эйнштейна учитывает все виды энергии. Мы уже говорили о массе покоя тела т0. Если же телу сообщить скорость v и, следовательно, кинетическую энергию Eкm0v2l2, то это приведет к возрастанию его массы приближенно на дельта m = Eкc2 (точные формулы учи­тывают зависимость Ек от дельтаm).

Вернемся, однако, теперь к недрам Солнца. Масса протона (масса покоя) равна 1,67265•10-24 г, или 1,00728 а. е. м. (Для удобства, чтобы не иметь дела с громоздкими числами, в атомной физике введена атом­ная единица массы 1 а. е. м. = 1,66057•10-24 г.) Масса а-частицы, в которую превращаются, соединяясь, четы­ре протона, равна 4,00149 а. е. м. При каждом акте об­разования одной а-частицы 0,02763 а. е. м. = 4,588•10-26 г превращается в энергию, причем выделяется 4,588 X10-26r•9.1020см22=4,129•10-5эрг = 25,8 МэВ. Дефект массы, отнесенный к одному протону, вступающему в реакцию образования а-частицы, составляет 0,00691 а. е. м=0,1148•10-25 г, или 0,00686~0,7% от массы протона. Можно легко рассчитать, что превращение в ге­лий всего лишь 1 г водорода даст 0,00686 г• 9•1020см2/с = = 6,17•1018 эрг=6,17•1011 Дж= 1,48•1011 кал (поскольку 1 кал = 4,1854 Дж).

Сравним это с теплотворной способностью некоторых видов обычного топлива. Донецкий антрацит дает 7200 кал/г, бензин и керосин — 11 000 кал/г, совершен­но сухие дрова — 4400 кал/г. Легко видеть, что пре­вращение в гелий 1 г водорода дает столько же энер­гии, сколько сжигание 20 т лучшего каменного угля.

Светимость Солнца составляет 3,82•1033 эрг/с. Для ее обеспечения нужно, чтобы ежесекундно в гелий пре­вращалось (3,82•1033)/(6,17•1018) =6,19•1014 r примерно 600 млн.т водорода. Это, конечно, громадное количество по зем­ным меркам, но совсем незначительное по астрономиче­ским. Посмотрим, например, на сколько лет при таком расходовании хватит солнечного водорода, причем не всего, а, скажем, 10% от его полного количества. Мас­са Солнца 2•1033 г, водород в нем по массе около 70%, отсюда

F_001