นิวเคลียร์ฟิวชั่นในดวงดาว

ดวงดาวทุกดวงคือ ดวงดาวที่ปล่อยพลังงานมหาศาล ที่ปล่อยออกมาในรูปของรังสี การปล่อยก๊าซจากดวงอาทิตย์ ซึ่งเป็นดาวที่อยู่ใกล้เราที่สุด มาถึงเราในรูปของแสงและความร้อน ความจริงข้อนี้รับรู้ได้ตามธรรมชาติและมนุษย์ก็รับรู้มาตั้งแต่ต้น อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ไม่ชัดเจนอีกต่อไปคือประเภทของปฏิกิริยาที่ส่งผลให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลนี้ ในบทเรียนนี้จากศาสตราจารย์ เราจะบอกคุณว่า นิวเคลียร์ฟิวชันในดวงดาว

ดัชนี

1. นิวเคลียร์ฟิวชันคืออะไรและผลิตอย่างไร?
2. พลังงานเกิดขึ้นได้อย่างไรในดวงดาว?
3. นิวเคลียร์ฟิวชันเกิดขึ้นได้อย่างไรในดวงดาว?

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ตามชื่อคือปฏิกิริยานิวเคลียร์ซึ่งมีนิวเคลียสหลายตัวของ อะตอมของแสง รวมกันเพื่อสร้าง อะตอมใหม่ที่มีนิวเคลียสที่หนักกว่า ผลคูณของโปรตอนจากนิวเคลียสอะตอมต่างๆ มวลของนิวเคลียสที่เกิดจากปฏิกิริยาประเภทนี้อาจน้อยกว่าผลรวมของมวลของอะตอมทั้งสองที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเล็กน้อย ความแตกต่างของมวลถูกปลดปล่อยออกมาในรูปของพลังงานปฏิกิริยา สมการ E = mc².

ซึ่งเกี่ยวข้องกับการปล่อยพลังงานจำนวนมาก ดังนั้น นิวเคลียสฟิวชันเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากในการผลิตพลังงาน มากกว่าปฏิกิริยาเคมีใดๆ เช่น ปฏิกิริยาการเผาไหม้น้ำมันหรือไม้ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันสร้างประมาณ

อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาเหล่านี้ เกิดขึ้นได้ภายใต้เงื่อนไขที่เฉพาะเจาะจงมากเท่านั้น ซึ่งพลังงานการผลักระหว่างประจุบวกของนิวเคลียสแสงสองนิวเคลียสนั้นเกินกว่าแรงนิวเคลียร์ ซึ่งมีเสน่ห์ดึงดูดและระยะสั้นเสมอ ภาวะนี้จะเกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสของอะตอมเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงเท่านั้น ซึ่งหมายถึงอุณหภูมิที่สูงมาก ที่อุณหภูมิสูง อะตอมจะอยู่ในรูปของพลาสมา สถานะพลาสมาคือสถานะทางกายภาพของสสาร ซึ่งนิวเคลียสแยกออกจากอิเล็กตรอน

ดังนั้น สำหรับปฏิกิริยาฟิวชันจะเกิดขึ้น เกณฑ์ของลอว์สันซึ่งกำหนดสภาวะอุณหภูมิ ความหนาแน่นของพลาสมา และเวลาที่จะคงสภาพเหล่านี้ไว้ สภาวะ (เรียกว่า plasma Containment Time) ซึ่งจำเป็นต่อการกระตุ้นปฏิกิริยาของ นิวเคลียร์ฟิวชั่น.

คำจำกัดความที่ง่ายที่สุดของ ดาวเป็นดวงที่บอกว่าเป็นดาวที่เปล่งแสงออกมาเอง ลึกเข้าไปก็บอกได้เลยว่ายิ่งใหญ่ ทรงกลมก๊าซในการปฏิวัติที่ซึ่งก๊าซถูกดึงดูดเข้าสู่จุดศูนย์กลางของทรงกลมด้วยแรงโน้มถ่วง ถึงความดันและอุณหภูมิสูงที่ กระตุ้นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ปล่อยพลังงานจำนวนมากออกมาในรูปของการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า แสง และ ร้อน.

ให้ ดาวฤกษ์คือเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ยิ่งใหญ่, องค์ประกอบของมันไม่คงที่และวิวัฒนาการตลอดเวลาตั้งแต่กำเนิด เมื่อดาวถูกจุดไฟหรือ "เปิด"; จนกว่าดาวจะใช้เชื้อเพลิงจนหมดและ "ตาย"

ตลอดช่วงอายุต่างๆ ของดาวฤกษ์ องค์ประกอบและสภาวะที่พบพลาสมาของดาวมีการเปลี่ยนแปลง และกับพวกมัน ปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ที่เราพบในแกนกลางของมัน

ในบทนี้ เราจะมาดูรายละเอียดเกี่ยวกับปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชันที่พบบ่อยที่สุดในดาวฤกษ์ในซีเควนหลัก เช่น อา.

ภาพ: Prezi

ในดวงดาว เกณฑ์ของลอว์สัน เพื่อให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน ในกรณีนี้ การกักขังของพลาสมาถูกกำหนดโดยแรงโน้มถ่วงมหาศาล ปฏิกิริยาฟิวชันที่ต่างกันต้องการอุณหภูมิและสภาวะความหนาแน่นที่แตกต่างกันเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาอย่างเหมาะสมที่สุด

ปฏิกิริยาฟิวชันที่เกิดขึ้นในแกนกลางของดาวนั้นขึ้นอยู่กับมวลและอายุของดาวฤกษ์ สามประเภทที่แตกต่างกัน: โปรตอน-โปรตอนฟิวชัน ฮีเลียมฟิวชัน หรือวัฏจักรคาร์บอน โดยสรุปเราจะเห็นปฏิกิริยาโปรตอนกับโปรตอนซึ่งเกิดขึ้นบ่อยที่สุด

โปรตอน-โปรตอนฟิวชัน: การเปลี่ยนแปลงของไฮโดรเจนเป็นฮีเลียม

ดาวฤกษ์ในแถบลำดับหลัก ประกอบด้วยไฮโดรเจน 70% ฮีเลียม 28% คาร์บอน 1.5% โอโซน ออกซิเจน และนีออน และธาตุเหล็ก 0.5% และองค์ประกอบอื่นๆ ดังนั้นคุณ เชื้อเพลิงหลักคือไฮโดรเจนซึ่งเป็นอะตอมที่ง่ายที่สุดและมีนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนตัวเดียว (อนุภาคของอะตอมที่มีมวลและมีประจุบวก)

วัฏจักรปฏิกิริยาฟิวชันโปรตอน-โปรตอนถูกสรุปในห้าขั้นตอน:

1.- ฟิวชั่นของโปรตอนสองตัว

ภายในดาวมีไฮโดรเจน 2 อะตอม ซึ่งก็คือโปรตอน 2 ตัว หลอมรวมกันเป็นนิวเคลียสเดียว

2.- การก่อตัวของดิวเทอเรียม

ในนิวเคลียสนี้ที่เกิดจากโปรตอนสองตัว หนึ่งในนั้นจะถูกเปลี่ยนเป็นนิวตรอน (อนุภาคของอะตอมที่มีมวล แต่ไม่มี ประจุ) ทำให้เกิดนิวเคลียสของดิวเทอเรียม ซึ่งเป็นไอโซโทปหนักของไฮโดรเจนที่มีนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและ นิวตรอน. ขั้นตอนของวัฏจักรนี้ต้องการพลังงานและในนั้นจะมีการปล่อยโพซิตรอนหรือแอนติอิเล็กตรอนออกมา (อนุภาคที่มีลักษณะเหมือนกันของอิเล็กตรอน แต่มีประจุเป็นบวก) และอิเล็กตรอนนิวตริโนหรือเลปตัน (อนุภาคของอะตอมที่มีมวลน้อยกว่ามวลหนึ่งล้านเท่า อิเล็กตรอน).

3.- การก่อตัวของนิวเคลียสฮีเลียม-3

ดิวเทอเรียมซึ่งเกิดขึ้นในปฏิกิริยาที่สองของวัฏจักร มีส่วนร่วมในปฏิกิริยานิวเคลียสฟิวชัน ซึ่งรวมโปรตอนเข้าไว้ด้วย การหลอมรวมของนิวเคลียสดิวเทอเรียมกับโปรตอนอีกตัวหนึ่ง (นิวเคลียสของไฮโดรเจน) ทำให้เกิดนิวเคลียสของฮีเลียม-3 (ประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและหนึ่งนิวตรอน)

4- ฟิวชั่นของนิวเคลียสฮีเลียมสองตัว

ในปฏิกิริยาที่สี่นี้ นิวเคลียสฮีเลียมสองตัวหลอมรวมเข้าด้วยกัน ทำให้เกิดนิวเคลียสเดียวที่ประกอบด้วยนิวตรอนสองตัวและโปรตอนสี่ตัว

5.- ปล่อยโปรตอนสองตัว

ในปฏิกิริยาสุดท้ายของวัฏจักร นิวเคลียสที่ก่อตัวในปฏิกิริยาก่อนหน้าจะก่อตัวเป็นนิวเคลียสของฮีเลียมเช่นกัน เรียกว่า อนุภาคแอลฟา ซึ่งประกอบด้วยนิวตรอน 2 ตัว และโปรตอน 2 ตัว ผ่านการปลดปล่อยพลังงานออกมา 2 ตัว โปรตอน

วัฏจักรที่สมบูรณ์ของการหลอมโปรตอนกับโปรตอนเกี่ยวข้องกับการสร้างพลังงาน 25 MeV (เมกะอิเล็กตรอนโวลต์)

ภาพ: ดาวเคราะห์

หากคุณต้องการอ่านบทความเพิ่มเติมที่คล้ายกับ นิวเคลียร์ฟิวชันในดวงดาว: สรุปเราขอแนะนำให้คุณป้อนหมวดหมู่ของเรา ดาราศาสตร์.

• การทำงานร่วมกันของ Borexino * (2014) นิวตริโนจากโปรตอนปฐมภูมิ – กระบวนการหลอมโปรตอนในดวงอาทิตย์. สตุตการ์ต: Macmillan Publishers Limited
• ดาวิเด้ กัสเตลเวคคี. (2020). นิวตรินอสเปิดเผยความลับสุดท้ายของนิวเคลียร์ฟิวชันบนดวงอาทิตย์ การวิจัยและวิทยาศาสตร์ บาร์เซโลนา: Scientific Press S.L.