16: الشمس - قوة نووية

Last updated
Save as PDF

Page ID: 197051

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

تفرز الشمس كمية غير مفهومة من الطاقة - لدرجة أن الأشعة فوق البنفسجية يمكن أن تسبب حروق الشمس من مسافة 93 مليون ميل. كما أنها قديمة جدًا. كما تعلمت سابقًا، تظهر الأدلة أن الشمس تشكلت منذ حوالي 4.5 مليار سنة وظلت مشرقة منذ ذلك الحين. كيف يمكن للشمس إنتاج الكثير من الطاقة لفترة طويلة؟

يبلغ إنتاج طاقة الشمس حوالي 4 × 10 ²⁶ واط. هذا مشرق بشكل لا يمكن تصوره: أكثر إشراقًا من تريليون مدينة معًا تحتوي كل منها على تريليون مصباح كهربائي بقوة 100 واط. معظم الطرق المعروفة لتوليد الطاقة تقل كثيرًا عن قدرة الشمس. إن الكمية الإجمالية للطاقة المنتجة طوال حياة الشمس مذهلة، حيث أن الشمس مشرقة منذ مليارات السنين. لم يتمكن العلماء من تفسير الطاقة غير المحدودة على ما يبدو لنجوم مثل الشمس قبل القرن العشرين.

16.1: مصادر أشعة الشمس - الطاقة الحرارية والجذبية
تنتج الشمس كمية هائلة من الطاقة كل ثانية. نظرًا لأن عمر الأرض والنظام الشمسي يبلغ حوالي 4.5 مليار سنة، فهذا يعني أن الشمس تنتج كميات هائلة من الطاقة لفترة طويلة جدًا. لا يمكن للحرق الكيميائي أو تقلص الجاذبية حساب الكمية الإجمالية للطاقة التي تشعها الشمس طوال هذا الوقت.
16.2: الكتلة والطاقة ونظرية النسبية
يتم إنتاج الطاقة الشمسية من خلال تفاعلات الجسيمات - أي البروتونات والنيوترونات والإلكترونات والبوزيترونات والنيوترينوات. على وجه التحديد، مصدر طاقة الشمس هو اندماج الهيدروجين لتكوين الهيليوم. تسمى سلسلة التفاعلات المطلوبة لتحويل الهيدروجين إلى الهيليوم سلسلة البروتون-البروتون. ذرة الهيليوم أقل حجمًا بحوالي 0.71٪ من ذرات الهيدروجين الأربع التي تتحد لتشكيلها، ويتم تحويل الكتلة المفقودة إلى طاقة (بكمية الطاقة المعطاة بواسطة الصيغة E = mc2).
16.3: التصميم الداخلي الشمسي - النظرية
على الرغم من أننا لا نستطيع الرؤية داخل الشمس، فمن الممكن حساب الشكل الذي يجب أن يكون عليه الجزء الداخلي. كمدخل لهذه الحسابات، نستخدم ما نعرفه عن الشمس. إنه مصنوع بالكامل من الغاز الساخن. بصرف النظر عن بعض التغييرات الصغيرة جدًا، لا تتمدد الشمس ولا تتقلص (إنها في حالة توازن هيدروستاتيكي) وتنتج الطاقة بمعدل ثابت. يحدث اندماج الهيدروجين في مركز الشمس، ويتم نقل الطاقة المولدة إلى السطح عن طريق الإشعاع ثم الحمل الحراري.
16.4: التصميم الداخلي الشمسي - ملاحظات
يمكن أن توفر دراسات التذبذبات الشمسية (علم الزلازل الشمسية) والنيوترينوات بيانات رصدية حول المناطق الداخلية للشمس. أظهرت تقنية علم الزلازل الشمسية حتى الآن أن تكوين الجزء الداخلي يشبه إلى حد كبير تكوين السطح (باستثناء النواة، حيث تم تحويل بعض الهيدروجين الأصلي إلى هيليوم)، وأن منطقة الحمل الحراري تمتد حوالي 30٪ من الطريق من سطح الشمس إلى مركزها.
16E: الشمس - قوة نووية (تمارين)

الصورة المصغّرة: تحتاج الشمس إلى كمية لا تُصدق من الطاقة حتى تشرق، كما كانت وستظل تفعل لمليارات السنين. (الائتمان: تعديل العمل من قبل إد دونينز)