4 года назад
Нету коментариев

Температура на видимой поверхности Солнца близка к 6000 К, т. е. поверхность Солнца почти на 2000 К го­рячее положительного (более нагретого) кратера воль­товой дуги. Все вещества на Солнце, даже наиболее ту­гоплавкие, находятся в газообразном и даже частично ионизованном состоянии. Справедливо утверждение, что Солнце — гигантский плазменный шар. В табл. 3 при­ведены его основные параметры и для сравнения — ана­логичные параметры Земли.

T_003

Физические условия на Солнце сильно меняются с глубиной, растут температура, давление и плотность. Рассмотрим рис. 2, где дан схематический разрез Солн­ца по современным представлениям. Давление вблизи центра достигает 400 млрд. атм. Оно создается всемир­ным тяготением: каждая частица притягивает к себе каждую другую частицу и притягивается сама. Иными словами, давление обусловлено весом (в солнечных ус­ловиях) вышележащих слоев.

Схематический разрез Солнца

Схематический разрез Солнца

Силы тяготения стремятся сжать Солнце. Им проти­водействуют упругость газа вместе с давлением излуче­ния, идущего из недр, — эти силы стремятся расширить Солнце. Тяготение, с одной стороны, а упругость газа или газовое давление плюс давление излучения, с дру­гой, уравновешивают друг друга. Солнце и большинст­во звезд находятся, как говорят, в состоянии гидроста­тического равновесия, причем это равновесие имеет ме­сто во всех слоях от поверхности до центра. Если бы его не было, то звезды и Солнце просто не могли бы су­ществовать как стационарные образования. Эта простая идея, выдвинутая А. Эддингтоном, является одной из основных для составления уравнений, по которым рас­считываются модели Солнца и звезд. Такие модели представляют собой совокупность физических парамет­ров звездного вещества (температура, давление, плот­ность и т. п.) на разных глубинах (модели рассчиты­ваются в виде таблиц или графиков).

Итак, давление в звезде и Солнце чудовищно сжи­мает газ (плазму). Плотность вблизи центра Солнца со­ставляет около 160 г/см3: газ в 20 раз более плотный, чем железо! Сжатие газа до такой плотности возможно только благодаря тому, что вещество в солнечных нед­рах почти полностью ионизовано. «Голые» ядра, лишен­ные электронных оболочек, занимают несравненно мень­ший объем: по порядку величины линейные размеры ядра равны 10-12—10-13 см, тогда как размеры атома — 10-8 см, т. е. в десятки тысяч раз больше (объем ато­ма, следовательно, больше в 1012—1015 раз!).

Интересно, что, несмотря на высокую плотность, ве­щество в недрах Солнца обладает свойствами идеаль­ного газа. Это обусловлено опять-таки ионизацией: сред­ние расстояния между частицами, даже в наиболее плот­ной центральной зоне Солнца, остаются много больше размеров самих частиц («голых» ядер и электронов).

Большое газовое давление может иметь место только при достаточно высокой температуре газа, т. е. когда частицы, составляющие газ, обладают достаточно боль­шими тепловыми скоростями, а значит, и импульсами, которые в совокупности и создают упругость газа, пре­пятствующую его еще большему сжатию. По современ­ным данным, температура в центре Солнца составляет около 14 млн. К.

Центральная зона Солнца представляет особый ин­терес. Простираясь примерно на 1/4 солнечного радиуса и имея, следовательно, 1/64 полного объема Солнца, она вследствие большой плотности содержит 1/2 солнечной массы. Именно здесь, в области наиболее высоких тем­ператур и давления, идут термоядерные реакции и про­исходит энерговыделение.

Превращение водорода в гелий может осуществлять­ся двумя путями. Один из них называется протон-про­тонной реакцией и состоит из следующих этапов (рис.3).

Схема протон-протонной термоядерной реакции

Схема протон-протонной термоядерной реакции

1. Сначала сталкиваются два протона. В результате реакции образуется дейтрон — ядро тяжелого изотопа водорода (дейтерия), а также позитрон и нейтрино. Дейтрон состоит из протона и нейтрона, и поэтому для образования дейтрона необходимо, чтобы один из стал­кивающихся протонов при столкновении превратился в нейтрон (позитрон в этом случае уносит «лишний» по­ложительный заряд). К этому обстоятельству мы еще вернемся позже, так как оно определяет темп реакции и энерговыделения.

2. Затем дейтрон сталкивается с протоном, образуя ядро легкого изотопа гелия 2Не3. Далее цепочка раз­ветвляется, поскольку с ядром 2Не3 могут произойти та­кие события:

За. Два ядра 2Не3 сталкиваются и дают одно ядро 2Не4 с отщеплением двух протонов. Это главная ветвь, здесь участвует большая часть ядер 2Не3. Но есть и дру­гие возможности.

3б. Ядро 2Не3 сталкивается с «нормальной» а-частицей и дает ядро бериллия 4Ве7. Далее, это ядро, захва­тив протон, превращается в изотоп бора 5В8. Ядро бора подвержено в-распаду. Испустив позитрон, который уно­сит «лишний» положительный заряд, оно превращается в весьма неустойчивое ядро изотопа бериллия 4Ве8. Это последнее весьма быстро распадается на две а-частицы.

Зв. Третья ветвь начинается после первого акта второй (36). Ядро бериллия 4Ве7 захватывает не протон, а электрон, который «нейтронизует» один из протонов, и ядро 4Ве7 превращается в ядро лития 3Li7. Ядро лития, сталкиваясь с протоном, дает неустойчивое ядро 4Be8, которое, как и в конце второй ветви, образует две а-частицы.

Итог всех трех ветвей — четыре протона оказывают­ся связанными в одну а-частицу. При этом выделяется энергии около 26 МэВ~4,2•10-5 эрг, большая часть — в виде гамма-квантов, а также в виде кинетической энергии взаимодействующих частиц (примерно 5% уно­сится нейтрино).

Другой путь превращения водорода в гелий — это так называемый углеродно-азотный цикл. Исходным (катализатором) является ядро углерода 6С12. На про­тяжении цикла оно три раза сталкивается с протонами и, захватывая их, превращается в более тяжелые ядра: изотоп азота 7N13, нормальный азот 7N14, изотоп азота 7N15. Ядро последнего, столкнувшись с четвертым прото­ном, дает исходное ядро углерода 6С12 и а-частицу — 2Не4 (рис. 4).

Схема термоядерных реакций углеродно-азотного цикла

Схема термоядерных реакций углеродно-азотного цикла

Помимо последовательных присоединений протонов, на протяжении цикла происходят р-распады. Так, ядро изотопа азота 7N13 не сразу присоединяет протон, пре­вращаясь в ядро 7N14. Сначала ядро 7N13, испустив по­зитрон и нейтрино, образует ядро изотопа углерода 6С13, а уже то, столкнувшись с протоном и присоединив его, дает ядро нормального азота. Аналогично, ядро нор­мального азота 7N14 не сразу превращается в 7N15. За­хватив протон, ядро 7N14 дает сначала ядро радиоак­тивного изотопа кислорода 8О15, которое после в-распа­да и становится ядром изотопа азота 7N15. Отметим, что количество атомов углерода остается неизменным (уг­лерод является катализатором), а в итоге четыре про­тона объединяются в одну а-частицу. Как и в протон-протонной реакции, выделяются гамма-кванты, но с не­сколько меньшей суммарной энергией, так как больше энергии приходится на долю нейтрино.

Светимость Солнца, как уже не раз говорилось, очень велика, но удельное энерговыделение на Солнце равно всего 2 эрг/с на 1 г массы. Это много меньше, чем у любого технического устройства, много меньше, чем, например, у человеческого организма (составляющего у людей среднего веса и возраста при оптимальных усло­виях около 1,2•104 эрг/с на 1 г). Естественно, возникают вопросы: почему при наличии огромного запаса водо­родного топлива процесс энерговыделения на Солнце идет медленно и почему его темпы не возрастают со временем?

Но прежде чем ответить на них, сделаем небольшое отступление. Физике известны четыре вида фундамен­тальных взаимодействий между элементарными части­цами.

Сильные взаимодействия. В обычном стабильном ве­ществе они не вызывают никаких процессов, но порож­дают силы, удерживающие протоны и нейтроны в атом­ных ядрах. Сильные взаимодействия обусловливают так­же ядерные реакции, происходящие при столкновениях ядер между собой — различные расщепления и слияния ядер. Сильные взаимодействия не зависят от зарядов частиц и одинаково действуют между протонами и ней­тронами.

Электромагнитные взаимодействия между заряжен­ными частицами. Они достаточно хорошо известны. Они обусловливают, в частности, связь электронов с ядрами в атоме.

Слабые взаимодействия. Они обусловливают некото­рые превращения, происходящие с элементарными ча­стицами, свободными или связанными в ядре. К ним от­носится уже упоминавшийся в-распад, например пре­вращение нейтрона в протон с испусканием электрона и нейтрино.

Гравитационные взаимодействия, которые известны каждому.

При сильных взаимодействиях процессы протекают за время порядка 10-24 с, при электромагнитных — 10-21 с, при слабых — 10-10 с. Наиболее «слабыми» яв­ляются гравитационные взаимодействия. Например, при­тяжение двух протонов в 1036 раз слабее электростати­ческого отталкивания между ними. Весьма важным свойством перечисленных сил является их радиус дей­ствия. Так, сильные взаимодействия проявляются только на расстояниях, сравнимых с размерами ядра: их ра­диус действия около 10-13 см. На таком расстоянии си­лы притяжения более чем в 100 раз превосходят силы электростатического отталкивания между протонами, входящими в состав ядра (именно поэтому и возможно существование ядер, содержащих до 100 протонов). За­то по мере увеличения расстояния силы взаимодействия уменьшаются очень быстро и на длине всего в несколь­ко радиусов действия сравниваются с электромагнитны­ми, а затем становятся совершенно несущественными. Радиус слабых взаимодействий еще меньше, надежно измерить его не удается, он оценивается в 10-15 см.

В противоположность этим двум силам, электромаг­нитные и гравитационные взаимодействия практически не ограничены расстоянием; их сила убывает как r-2 (r — расстояние). Поэтому мы постоянно и сталкива­емся с проявлением, например, силы тяготения: несмот­ря на ее относительную слабость, здесь возможно сум­мирование воздействий от всего множества частиц, составляющих макроскопическое тело, и «выход» силы тя­готения в масштабы макромира.

Теперь легко понять, почему в Солнечной системе термоядерные реакции могут идти только в недрах Солнца, где температура достаточно высока. Ведь про­тоны (и ядра), имея заряд одного знака, отталкиваются друг от друга согласно закону Кулона. А при низких температурах скорости теплового движения протонов и ядер малы, мала их кинетическая энергия, и ее просто не хватает, чтобы, преодолев силы кулоновского оттал­кивания, протоны и ядра могли сблизиться на расстоя­ние, достаточное для «включения» ядерных сил (~10-13 см). Чтобы приблизиться к ядру на расстояние ~ 10-13 см, другими словами, чтобы преодолеть кулоновский потенциальный барьер, протону нужно иметь энер­гию порядка 106 эВ. Между тем даже при температуре 107 К средняя энергия тепловых движений протонов ока­зывается порядка 103 эВ.

Выручают два обстоятельства. Во-первых, существу­ет так называемый туннельный эффект — специфиче­ски квантовое явление, связанное с наличием у частиц волновых свойств. Потенциальный барьер ядра благо­даря этому эффекту могут с некоторой вероятностью преодолеть и те протоны, энергия которых значительно ниже энергии, необходимой для прохождения потенци­ального барьера «напролом». Тем не менее и туннель­ный эффект могут использовать далеко не все протоны, а лишь наиболее «быстрые», с энергией примерно в 2•104 эВ. Второе благоприятное обстоятельство — это то, что всегда имеются частицы, скорости и энергии ко­торых значительно больше средних. Относительная доля таких частиц весьма мала: так, при температуре солнеч­ных недр доля протонов с энергией в 2•104 эВ состав­ляет ~10-8.

Все это является одной из причин того, что ядерные реакции на Солнце идут очень медленно. Подавляющая часть столкновений протонов и ядер не приводит к их слиянию — не хватает энергии.

Но почему же, спросит читатель, за миллиарды лет существования Солнца его недра не разогрелись до бо­лее высокой температуры, чем 14 млн. К? Ведь по мере разогрева число высокоэнергичных частиц, способных преодолеть кулоновские барьеры ядер, растет значи­тельно быстрее, чем средняя энергия частиц. А именно они ответственны за темпы ядерной реакции и обуслов­ливают весьма сильную температурную зависимость энерговыделения: пропорционально 5-й степени темпе­ратуры в протон-протонной реакции и пропорционально 15-й степени в углеродно-азотном цикле. Почему не воз­никает лавинообразный процесс, когда разогрев при­водит к интенсификации ядерных реакций, последнее — к еще большему разогреву и дальнейшей интенсифика­ции реакций и т. д.?

Дело в том, что вещество солнечных недр (и всего Солнца в целом) подчиняется известным газовым зако­нам. Об этом вкратце уже говорилось при описании ус­ловий в недрах Солнца. Наиболее общее выражение газовых законов дается уравнением Клапейрона, связы­вающим для данной массы газа, содержащей п частиц, его давление р, объем V и температуру Т: pV = nkT, где к = 1,380662•10-16 эрг/К — так называемая постоянная Больцмана.

Любой же слой или область в недрах Солнца нахо­дится, как мы знаем, в гидростатическом равновесии: вес вышележащих слоев уравновешивается упругостью газа и лучевым давлением. Ядерные реакции могли бы пойти интенсивнее в каком-нибудь объеме, если бы тем­пература в этом объеме почему-либо повысилась. Но ведь повышение температуры означает, что увеличились скорости и импульсы тепловых движений частиц, т. е. возросла упругость газа. А поскольку вес вышележащих слоев не изменился, с необходимостью должно произой­ти расширение массы газа в рассматриваемом объеме, чтобы его упругость осталась прежней и не нарушилось механическое равновесие. Расширение же (опять в виде уравнения Клапейрона) немедленно приводит к пони­жению температуры, снижению интенсивности ядерных реакций и восстановлению прежних условий. Газовые законы обеспечивают саморегулирование температуры и других параметров в недрах Солнца.

Кроме температуры, скорость ядерных реакций за­висит от так называемого сечения реакций, а также от процентного содержания реагирующих частиц, причем сечение ядерной реакции характеризует скорость ее при фиксированных условиях. Для иллюстрации обратимся ко второму звену протон-протонного цикла, которое яв­ляется весьма быстрым. Протонов в солнечном веществе полное изобилие, и буквально в течение нескольких секунд после образования дейтрона среди сталкивающих­ся с ним частиц окажется протон с энергией, достаточ­ной для преодоления кулоновского барьера и образова­ния ядра 2Не3. Жизнь ядер 2Не3 будет более продолжи­тельной, концентрация их очень мала, и поэтому может пройти несколько миллионов лет, прежде чем ядро 2Не3 встретит себе партнера с нужной энергией и сможет о ним объединиться. (Напомним, что кулоновский барьер у каждого из них вдвое больше, чем у протонов и дей­тронов.)

Самым медленным звеном протон-протонной реакции является первое — образование дейтрона при столкно­вении двух протонов. При этом один из них должен превратиться в нейтрон, испустив позитрон и нейтрино. Данный процесс относится к в-распаду, т. е. находится в ведении слабых взаимодействий, в-распад осуществ­ляется легко и быстро, если масса покоя первоначальной частицы или ядра больше суммы масс покоя образую­щихся частиц. Кинетическая энергия последних уносит избыток массы первоначальной частицы. Примером мо­жет служить в-превращение нейтрона (масса 1,008665 а. е. м.) в протон (масса 1,007276 а. е. м.) и электрон (масса 0,000549 а. е. м.) с испусканием антинейтрино. В природе в свободном виде, т. е. не связанные в ядре, нейтроны не существуют при обычных условиях, так как быстро распадаются описанным образом (период полу­распада нейтрона 12,8 мин).

Обратный же процесс — превращение протона в ней­трон — в обычных условиях не происходит: протон в свободном состоянии может существовать практически неограниченное время. На Солнце это превращение про­исходит вынужденно, будучи инициировано возмож­ностью перехода двух протонов в систему с меньшей энергией.

В самом деле, ведь сумма масс двух протонов — 2,01455 а. е. м., сумма масс нейтрона и протона — 2.01594 а. е. м., а масса дейтрона — 2,01354 а. е. м. Де­фект массы, равный в энергетическом выражении около 2,2 МэВ, получающийся за счет работы ядерных сил (сильное взаимодействие), покрывает превышение мас­сы нейтрона над массой протона и рождающегося пози­трона и приводит, кроме того, к выделению энергии. С законом сохранения здесь все в порядке, но вероят­ность описанного процесса очень мала, а поэтому мало и ее сечение. Характерное время реакции оказывается порядка 1010 лет. Примерно столько времени может в среднем жить протон, прежде чем произойдет такое столкновение, когда он войдет в состав дейтрона.

Вернемся опять к рис. 2. Как уже говорилось, выде­ление энергии при ядерных реакциях происходит в ос­новном в форме гамма-квантов, а около 4—5% ее уно­сится нейтрино. Нейтрино совершенно свободно прохо­дят сквозь всю толщу Солнца, их энергия не влияет па его температуру и светимость, т. е. на мощность элек­тромагнитного излучения. В противоположность нейтри­но электромагнитное излучение, зародившись в недрах Солнца, встречает мощное сопротивление своему про­движению наружу, так как солнечное вещество в выс­шей степени непрозрачно.

Непрозрачность солнечного вещества создается мно­гими факторами. Во-первых, происходит рассеяние кван­тов излучения на свободных электронах. Последних очень много, поскольку наиболее распространенные эле­менты — водород и гелий — полностью ионизованы, а другие элементы (например, железо) ионизованы в зна­чительной мере: у них осталась только часть электро­нов — именно те, которые находятся на самых внутрен­них оболочках.

Второй источник непрозрачности связан с свободно-свободными переходами. Как известно, излучение и по­глощение кванта происходит при изменении энергии электрона: например, при переходе его в атоме с одной орбиты на другую или, образно говоря, с одного уровня на другой. Но оказывается, что не только находящийся в атоме электрон, но и электрон, пролетающий мимо положительного иона, может поглощать и испускать из­лучение, при этом соответственно меняется скорость от­носительного движения (а следовательно, и энергии) этих частиц. Ускорившись после поглощения кванта, электрон может отдать часть энергии, замедлившись возле другого иона, и т. д.

Третий источник непрозрачности — это рекомбина­ции протонов с электронами и последующие ионизации. Электрон, столкнувшись с протоном, может быть им за­хвачен, образуется (рекомбинируется) нейтральный атом водорода, при этом испускается квант. Рекомбинированный атом живет очень недолго, он тут же по­глощает квант и ионизуется, а электрон оказывается вновь оторванным. В отличие от свободно-свободных переходов переходы электрона при рекомбинациях и ионизациях называются свободно-связанными и связан­но-свободными.

Наконец, значительный вклад в непрозрачность вно­сят ионы тяжелых элементов. При температуре солнеч­ных недр у них остались электроны па самых близких к ядру орбитах, которые могут быть оторваны от ядра при поглощении достаточно энергичного («жесткого») кванта и т. д., имеем разновидность связанно-свободных и свободно-связанных переходов. Несмотря на относи­тельно малое содержание тяжелых элементов (2%), их роль в создании непрозрачности солнечного вещества оказывается довольно большой.

Эти процессы не влияют на выработку энергии, но сильно затрудняют ее выход из солнечных недр. Под­считано, что длина свободного пробега кванта в недрах Солнца составляет всего 6 см. Поясним это. Пусть пер­воначально квант движется вдоль радиуса Солнца на­ружу. Пролетев всего около 6 см, он претерпит рассея­ние или поглощение с последующим переизлучением. Но переизлучение одинаково вероятно во всех направле­ниях. Квант изменит направление своего движения, и в результате диффузия квантов из центральной области Солнца к наружным слоям осуществляется медленна. Во всяком случае та порция энергии, которая возникает в ядре Солнца в настоящий момент, лишь примерно че­рез 1 млн. лет дойдет до фотосферы и высветится в ми­ровое пространство. Для сравнения напомним, что, вы­рвавшись «на свободу», свет всего только за 8 мин 19 с проходит среднее расстояние от Солнца до Земли (149,6 млн. км), в 215 раз превышающее солнечный радиус.

Несмотря на такие трудности распространения излу­чения в недрах Солнца, именно излучение играет глав­ную роль в переносе энергии из центральной зоны на­ружу. Теплопроводность не играет никакой роли, а кон­векция возникает лишь во внешних слоях, начиная с уровня 0,85—0,86 Rс от центра (где Rс — радиус Солн­ца). К этому уровню температура снижается до 500 тыс. К. В отличие от центральных слоев, где прак­тически все атомы водорода и гелия постоянно пребы­вают в ионизованном состоянии, ненадолго рекомбини­руя и тут же оказываясь снова ионизованными, здесь имеется определенная доля нейтральных атомов, кото­рая растет к наружным слоям. Она сильно увеличивает число связанно-свободных и свободно-связанных пере­ходов и, как следствие, увеличивает непрозрачность сол­нечного вещества. Поступающая из недр Солнца энер­гия уже не успевает переноситься дальше только в фор­ме электромагнитного излучения, вступает новый про­цесс переноса энергии — конвекция.

Наружный слой Солнца, из которого кванты уже могут свободно выходить во внешнее пространство, на­зывается фотосферой, именно фотосфера и является тон ослепительно яркой поверхностью, которая определяет видимые размеры Солнца. На хороших снимках фото­сферы можно видеть, что она имеет как бы зернистую структуру — многочисленные гранулы, т. е. небольшие области, более яркие, чем межгранульное пространство, и живущие в среднем около 5 мин, потом исчезающие и вновь возникающие где-то рядом с прежними местами. Они обусловлены не чем иным, как выходом конвектив­ных потоков в фотосферу, т. е. поднимающихся из подфотосферной зоны горячих масс газа (внешние слои Солнца как бы кипят).

Отметим еще одно интересное обстоятельство. При термоядерных реакциях в недрах Солнца энергия выде­ляется в основном в виде гамма-лучей. Между тем вы­ходящее из фотосферы излучение имеет максимум энер­гии, приходящийся на видимую область. На интервал от 3,3 до 4,0 мкм приходится 98% энергии солнечного излучения, а на всю область длин волн короче 0,3 мкм — чуть больше 1%. Это вызвано тем, что при своем про­движении наружу, при многочисленных поглощениях и переизлучениях, кванты «дробятся», излучение стано­вится более мягким.

Чтобы понять механизм «дробления» квантов, рас­смотрим схему уровней водородного атома (рис. 5). Для ионизации атома, у которого электрон находится на са­мом нижнем (основном) уровне, нужен квант с энер­гией, не меньшей потенциала ионизации (13,6 эВ); со­ответствующая длина волны равна 91,2 нм. Допустим, что атом поглощает квант высокой энергии, тогда 13,6 эВ из этой энергии идет на отрыв электрона, а остальная часть превращается в кинетическую энергию оторванного электрона.

Схема уровней возбуждения в атоме водорода

Схема уровней возбуждения в атоме водорода

Встретив протон, электрон может быть им захвачен, причем захват не обязательно произойдет на нижний уровень. Электрон после захвата может оказаться на любом верхнем уровне и потом перейти на основной. Вместо «большого» кванта, поглощенного при иониза­ции, будет испущено два или даже большее число мень­ших, в зависимости от того, перескочит ли электрон сразу на основной уровень или будет каскадом перехо­дить через промежуточные, возможностей тут довольно много.

Из фотосферы выходит подавляющее количество (~99,98%) солнечного излучения. Вышележащие слои: хромосфера и корона, исключительно интересны в фи­зическом отношении, но они требуют специального рас­смотрения, и мы их здесь рассматривать не будем, так как их вклад в общий поток излучения Солнца неболь­шой. Не будем также затрагивать и проблему солнеч­ной активности (об этом можно прочитать в литерату­ре, приведенной в конце брошюры).