درس فیزیک

احتمالا اکثر ما انسانها به دليل کنجکاوی ذاتی خود هنگام شب به آسمان نگاه کرده ايم و ستارگان بسیار زیادی که مانند اکلیل هایی که بر پرده سیاهی پاشیده شده باشند و با درخشش خود حکومت مطلق تاریکی را ازبین برده و توجه ما را حتی برای لحظه ی هم که شده به خود جلب می کنند ،البته درخشندگی اکلیل ناشی ازانعکاس نوراست در صورتی که ستارگان خود تولید کننده نور هستند و درخشندگی ذاتی دارند همچنین آتش هم که به وسیله ی سوختن تولید می شود نور تولید میکند و می درخشد و در اصل موضوع مورد نظر اینست که ستارگان چگونه انرژی لازم برای این مدت طولانی درخشیدن را تولید می کنند وآیا خورشید با سوزاندن تمام هیدروژن خود میتوانست انرژی لازم خود را تا امروز که حدود 4میلیارد سال از عمر آن می گذرد تامین کند و در این مقاله به چگونه تولید انرژی در ستارگان می پردازیم.

ستارگان می درخشند چون بسیار داغند ، ستارگان بسیار داغ و چگالند و مثل جسم سیاه انرژی ساطع می کنند.

خورشید اگر نمی توانست انرژیی که به شکل فوتون ساطع می شود را جبران کند بیش از 2 میلیون سال دوام نمی آورد و پس از آن بی فروغ می گشت.

ستارگان رشته اصلی از همجوشی هیدروژن به هلیوم توان می گیرند واگر خورشید به جای همجوشی هیدروژن ، هیدروژن خود را به وسیله ی احتراق به پایان می رساند و اگر هم از ابتدا کاملا از هیدروژن تشکیل شده بود انرژی حاصل از سوختن این مقدار هیدروژن انرژی لازم برای 20 هزار سال خود نمایی خورشید را تامین می کرد و پس از آن ستاره ما به دوره سرمایش خود وارد می شود.

انرژی حاصل از سوختن درمقایسه با همجوشی بسیار ناچیز است. بطورمثال از سوختن یک کیلوگرم هیدروژن انرژیی معادل 8^10 * 1.4 ژول به وجود می آید که با این مقدار انرژی می توان یک لامپ 100 وات را به مدت دو هفته روشن نگاه داشت درصورتی که همجوشی همین مقدارهیدروژن به هلیوم انرژیی در معادل 650 تریلیون ژول یعنی حدود 4 میلیون برابر انرژی حاصل از همین مقدار هیدروژن را تولید می کند . اگر خورشید از ابتدا کاملا از هیدروژن تشکیل شده بود این مقدار از هیدروژن به شکل همجوشی مصرف می شد می توانست 100میلیارد سال خورشید را با قدرت حفظ کند و این برتری انرژی ناشی از پیوندها وگسستن پیوندها ی ما بین ملکولها و اتمها است .

اتمهای درون یک ملکول به وسیله ی نیروهای الکتریکی پیوند نسبتا ضعیفی با یکد یگر دارند اما پروتونها و نوترونها یهسته توسط نیروی هسته ی قوی پیوند بسیارمستحکمی با یکد یگر دارند و واکنشهای شیمیایی که در ضمن آن گسستن وپیوستن ملکولها حادث می شود انرژی بسیار کمتری از واکنشهای هسته ی که از گسستن و پیوستن هسته اتم رخ می دهد ایجاد می کند .

همجوشی درشرایط خاص امکانپذیر می باشد زیراهسته های اتم چون دارای پروتون با بارالکتریکی مثبت دارند و برای همجوشی هسته های اتم آنها باید به هم نزدیک و برخورد کنند ولی در اینجا دافعه الکتریکی اجازه نمی دهد به همین راحتی به همدیگر نزدیک شوند و باعث دور شدن آنها از یکدیگر می شود و برای جوش خوردن هسته ها باید به هم برخورد کنند وبطور مثال برای غلبه بر دافعه الکتریکی هسته هیدروژن که از یک پروتون تشکیل شده است باید با سرعت بسیار زیادی با همدیگر برخورد کنند وبرای به وجود آوردن چنین شرایطی و ایجاد چنین سرعتی برای هسته های اتم به دمایی بالاتر از 10 میلیون کلوین و چگالیی بیش از 10 گرم برسانتیمتر مکعب نیازمندیم و البته این شرایط در مرکز ستارگان وجود دارد.

همجوشی در ستارگان کم جرم با زنجیره پروتون پروتون انجام می شود

در شرایط ذکر شده که در مرکز یک ستاره وجود دارد همه ی ماده یونیزه است.هسته های هیدروژن در سرعتهای بالا و کاملا برهنه و عاری از الکترون وابسته شان در حرکتند و جز پروتون چیزی ندارند . در ستارهای کم جرم و خورشید مانند همجوشی هیدروژن به هلیوم با یک سری تصادمات دوذره ای تحقق می یابد واین فرایند را زنجیره پروتون- پروتون می گویند. این واکنش را زنجیره پروتون پروتون می نامند زیرا ابتدا از همجوشی دو پروتون شروع می شود .

نخستین مرحله با جوش خوردن دو هسته هیدروژن (پروتون)آغاز شده و ازاتصال این دو پروتون یک دوتریم ،نوترینو و پوزیترون به وجود می آید که پزیترون موجود با یکی از بیشمار الکترون موجود در پلاسما برخورد کرده و با آن نابود و به گسیل دو فوتون گاما می انجامد .

¹ H¹ + H à ²H + ⁺e+ ν

پوزیترون ذره هم جرم و با بار مخالف الکترون است و نوترینو ذره ی بدون باروبا جرم بسیار اندک بطوری که از یک سال نوری سرب بدون بر همکنش عبور می کند.

دومین مرحله وقتی شکل می گیرد که یک پروتون با دوتریم جوش می خورد و در این حالت یک هلیوم _3 و فوتون گاما به وجود می آید.

² H¹ + H à ³He + γ

پرتو گاما نوعی موج الکترومغناطیسی پر انرژی می باشد.

مرحله سوم و آخرین مرحله شامل همجوشی دو هلیم_3 می باشد.ازاین جوش خوردن دو اتم هیدروژن و یک اتم هلیم_4تشکیل می شود.

³ He³ + He à ⁴He + H¹ + ¹H

در معادله بالا دو اتم هیدروژن باقی می ماند و چهار اتم هیدروژن تبدیل به یک اتم هلیم _4 می شوند اما جرم هلیم _4 اندکی کمتر از جرم چهار اتم هیدروژن است و این تفاوت جرم است که به انرژی تبدیل شده و منبع عمده انرژی ستارگان و خورشید کوچک ما را تشکیل می دهد .در هر ثانيه 38^10* 3.4 هسته هیدروژن به هسته هلیوم تبدیل می شود که اين امر موجب تبديل 4.26 میایون تن ماده به انرژی در هر ثانیه می شود که برابر است با 26^10* 3.8 وات .

همجوشی هیدروژن به هلیم درستارگان سنگین با فرایند شش مرحله ای به نام چرخه کربن(CNO)انجام می پذیرد.

ستارهای سنگین تر دمای مرکزی بیشتری دارند دمایی در حدود 16 میلیون کلوین در این دمای بسیار بالا همجوشی طی فرایندی با نام چرخه کربن ( xygenO,Nitrogen,Carbon) صورت می گیرد. در این چرخه ، کربن هیدروژن به هلیوم به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند و نه پدید می آید و نه از بین می رود. این چرخه بستگی به وجود کربن در یک ستاره دارد و نیتروژن و اکسیژن واسطه های این فرایندند.

این چرخه شامل شش مرحله می باشد که در آن کربن تخریب شده در مرحله اول در آخرین مرحله دوباره تولید می شود.