الاندماج النووي في الشمس: المعادلات ، الرسم التخطيطي ، الأسباب ، الخطوات


سنناقش في هذه المقالة الاندماج النووي في تفاعل الشمس والمعادلة والرسم البياني والسبب والخطوات بشكل مفصل.

نحصل على ضوء وطاقة حرارية من الشمس. ومن ثم فإن الشمس هي مصدر الحياة على هذه الأرض. ولكن هنا يأتي السؤال حول كيفية نشوء الطاقة في الشمس. الجواب هو الانصهار النووي. من خلال تفاعل الاندماج النووي ، تنشأ طاقة من الشمس.

جوهر الشمس هو المكان المحدد حيث الانصهار النووي يحدث. اندماج البروتون بالبروتون هو نوع معين من الاندماج النووي الذي هو السبب وراء نشوء الطاقة. في دورة البروتون ، يوجد بروتون أو 1H1 تتحد النواة مع البروتون الآخر لتصبح هيليوم (2He4) نواة.

نتيجة لعملية الاندماج هذه ، يتم إشعاع الطاقة على شكل ضوء وحرارة مما يؤدي بدوره إلى تسخين الشمس. هذه الطاقة المنتجة تشع عبر النظام الشمسي. 99٪ من الطاقة تشع من لب الشمس والتي يتم الحصول عليها من الاندماج النووي في الشمس.

الاندماج النووي في الشمس من ويكيبيديا

الاندماج النووي في تفاعل الشمس

معدل تفريغ الطاقة في الشمس 1026 جول في الثانية. تبلغ درجة حرارة الشمس حوالي 20 مليون درجة وعمرها يقارب 5 × 109 سنوات. لذا فإن إجمالي الطاقة المشعة من الشمس خلال هذه السنوات مرتفع للغاية. هناك ارتباك حول مصدر هذه الطاقة.

في عام 1928 ، اقترح أتكينسون وهوترمان أن هذا المصدر هو مزيج من أربعة بروتونات تنتج جسيم ألفا. وفقًا لهم ، لا يمكن أن يكون هذا سوى مصدر هذه الكمية الكبيرة من الطاقة لهذه الفترة الطويلة من الزمن. تم اقتراح فكرة التفاعلات النووية الدورية من قبلهم.

يمكن أن تنتج التفاعلات الحرارية النووية هذه الطاقة النجمية - هذا المفهوم اقترحه هانز بيث في عام 1938. في هذه التفاعلات يتم دمج البروتونات معًا لتشكيل نوى الهيليوم. هذه الدورة تسمى دورة البروتون. هذه الدورة قابلة للتطبيق على درجات الحرارة النجمية المنخفضة نسبيًا.

من هذا يتم الحصول على مفهوم القزم الأحمر. المصدر الرئيسي للطاقة في الشمس والنجوم هو دورة البروتون التي تحدث في درجات حرارة منخفضة. يُعرف هذا بالقزم الأحمر.

دورة البروتون البروتون من ويكيبيديا

الاندماج النووي في معادلة الشمس

معادلات دورة البروتون مكتوبة أدناه:

1 1H1 + 1H11H2 + 1e0 + ν + 0.42 إلكترون فولت

2 1H2 + 1H12He3 + γ + 5.5 إلكترون فولت

3 2He3 + 2He32He4 + 2 1H1 + 12.8 ميغا إلكترون فولت

هناك حاجة لحدوث المعادلتين (1) و (2) مرتين في دورة التفاعلات هذه. يمكن تحقيق ذلك في قسمين 2He3 نوى في (3). النتيجة النهائية التي يمكن الحصول عليها من هذه التفاعلات هي أن أربعة بروتونات تتحد لتشكل جسيم ألفا.

في هذه التفاعلات بوزيترونان ، نيوترينوان واثنان  γ يتم أيضًا إنتاج الفوتونات.

 4 1H1 2He4 + 2 1e0 + 2 ν + 2 γ

إجمالي الطاقة التي يتم إطلاقها في هذه الدورة هي 24.6 ميغا فولت. هنا فرق الكتلة هو 0.0286 ش. عندما تهرب النيوترينوات في هذه التفاعلات ، تكون الطاقة المتبقية حوالي 24.3 ميغا إلكترون فولت بعد الاندماج النووي في الشمس الذي يحدث فيه اندماج أربعة بروتونات في نواة هيليوم واحدة.

وهكذا ينضب تركيز البروتونات بينما يتراكم تركيز الهيليوم. تحدث دورة البروتون البروتونية للاندماج النووي في الشمس فقط إذا ظلت الطاقة الحركية للبروتونات أو درجة حرارتها عالية للتغلب على التنافر الإلكتروستاتيكي المتبادل.

الاندماج النووي في مخطط الشمس

يظهر الرسم البياني للاندماج النووي في الشمس أدناه:

الاندماج النووي في الشمس
الاندماج النووي في الشمس من ويكيبيديا

ما الذي يسبب الاندماج في الشمس

نحن نعلم أنه يمكن الحصول على الاندماج النووي في الشمس عندما تندمج ذرات الهيدروجين معًا. لتندمج هذه الذرات يجب أن تقترب من بعضها البعض. عندما تقترب نواتان ، تحاول البروتونات الموجودة بداخل كل منهما التنافر لأن كلاهما مشحون بشكل إيجابي.

لا يمكن أن يحدث الاندماج النووي في الشمس إذا لم يتم التغلب على هذه المشكلة. هناك عدد من الشروط للتخلص من هذه الصعوبة. هم انهم-

يمكن التغلب على قوة التنافر الكهروستاتيكي بالحفاظ على درجة حرارة عالية توفر طاقة عالية لذرات الهيدروجين.

  • درجة حرارة 100 مليون كلفن مطلوبة لإحداث اندماج نووي في الشمس. درجة الحرارة هذه أسخن بست مرات من لب الشمس.
  • الهيدروجين لا يتصرف مثل الغاز في درجات الحرارة هذه ، بل يتصرف مثل البلازما. في حالة البلازما ، تُستخدم جميع الإلكترونات للهروب من الذرات وتتحرك بحرية. إنها حالة طاقة عالية للمادة.
  • تساعد الكتلة الكبيرة للشمس في تحقيق هذه درجات الحرارة المرتفعة ويتم ضغط هذه الكتلة بفعل قوة الجاذبية في قلبها. يجب استخدام أفران الميكروويف والليزر وجزيئات الأيونات لتحقيق درجات الحرارة هذه.

يتم ضغط ذرات الهيدروجين معًا بواسطة الضغط العالي. يجب أن تكون المسافة بين كل هيدروجين 1 × 10-15م حتى يتمكنوا من الاندماج معًا.

  • الكتلة الكبيرة للشمس وقوة الجاذبية هما العاملان الرئيسيان اللذان تستخدمهما الشمس لضغط ذرات الهيدروجين معًا في لبها.
  • تُستخدم المجالات المغناطيسية الشديدة والليزر القوي والحزم الأيونية لضغط ذرات الهيدروجين معًا.

سيحصل اندماج الديوتيريوم - الديوتيريوم على استجابة أفضل في المستقبل القريب حيث أن استخراج الديوتيريوم من مياه البحر أسهل من إنتاج التريتيوم من الليثيوم. الديوتيريوم ليس مشعًا ولكن تفاعل الديوتيريوم والديوتيريوم هذا سينتج المزيد من الطاقة.

خطوات الاندماج النووي في الشمس

فيما يلي خطوات دورة البروتون للاندماج النووي في الشمس:

الخطوة 1:

في الخطوة الأولى من هذه الدورة يندمج بروتونان معًا في الشمس. ينفصل هذا الزوج من البروتونات عن بعضهما البعض مرة أخرى في معظم الأوقات. لكن في حالات قليلة ، يحول أحد البروتونات نفسه إلى نيوترون بمساعدة الضعيف القوة النووية.

يتم أيضًا إنتاج بوزيترون ونيوترينو مع النيوترون في هذا التفاعل. غالبًا ما يشار إلى هذا الزوج الناتج من البروتون والنيوترون باسم الديوتيريوم.

الخطوة 2:

بعد المرحلة الأولى من التفاعل يحدث تصادم بين هذا الديوتيريوم المنتج وبروتون ثالث. نتيجة لهذا الاصطدام يتم إنتاج نواة هيليوم 3 وجسيم جاما. تنبعث جسيمات جاما المنبعثة من لب الشمس كأشعة جاما.

في النهاية يتم إطلاق هذه الأشعة كضوء الشمس.

الخطوة 3:

بعد ذلك يحدث التصادم بين نواتين من الهليوم 3 لإنتاج نواة هيليوم 4. في هذا التفاعل ، يتم إنتاج فوتونين إضافيين أيضًا كمنتجات ثانوية للتفاعل والتي تتسرب إلى الخارج في صورة هيدروجين.

في البداية تتشكل نواة البريليوم 6 والتي بدورها تتحول إلى نواة هيليوم 4 لأنها غير مستقرة بطبيعتها.

الكتلة الكلية للمتفاعلات التي هي البروتونات الأربعة أكبر من كتلة نواة الهليوم 4 حيث يتم تحويل جزء من الكتلة إلى طاقة وفقًا لعلاقة أينشتاين بين الكتلة والطاقة ،E = MC2. يتم إطلاق هذه الطاقة الزائدة في شكل ضوء وحرارة من الشمس.

يجب أن تكون هذه الطاقة قد غطت العديد من طبقات الفوتوسفير للهروب من الشمس. كمية هذه الطاقة المنبعثة مهمة للغاية حيث تحدث دورة البروتون بمعدل 9.2 × 1037 مرات في الثانية. 0.7٪ من الكتلة الكلية للبروتونات الأربعة تتحول إلى طاقة.

يتم تحويل 4.26 مليون طن متري من الكتلة إلى طاقة في الثانية. من خلال علاقة الطاقة الكتلية لأينشتاين ، يمكن القول أن 4.26 ملايين الأطنان المترية من المادة تعطي 3.8 × 1026 جول من الطاقة في الثانية.

في الختام

المفصلة حقائق الاندماج النووي في الشمس المجهزة بالمخطط الدقيق ، معادلات دورة البروتون ، يتم وصف خطوات الدورة في هذه المقالة.

عنكيتا بيسواس

مرحباً ... أنا أنكيتا بيسواس. لقد حصلت على درجة البكالوريوس في الفيزياء بمرتبة الشرف وماجستير في الإلكترونيات. أعمل حاليًا مدرسًا للفيزياء في مدرسة ثانوية عليا. أنا متحمس جدًا لمجال فيزياء الطاقة العالية. أحب أن أكتب مفاهيم فيزيائية معقدة بكلمات مفهومة وبسيطة. دعنا نتواصل عبر LinkedIn:

آخر المقالات