Skip to main content
Global

16E: الشمس - قوة نووية (تمارين)

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    197065

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

    لمزيد من الاستكشاف

    مقالات

    هارفي، ج. وآخرون. «GONG: لرؤية ما بداخل شمسنا.» السماء والتلسكوب (نوفمبر 1987): 470.

    هاثاواي، د. «رحلة إلى قلب الشمس». علم الفلك (يناير 1995): 38.

    كينيدي، جيه. «غونغ: استكشاف قلب الشمس الخفي». السماء والتلسكوب (أكتوبر 1996): 20. مناقشة حول علم الزلازل المائية.

    لوبريستو، جيه. «النظر داخل الشمس». علم الفلك (مارس 1989): 20. مناقشة حول علم الزلازل المائية.

    ماكدونالد، أ. وآخرون. «حل مشكلة النيوترينو الشمسي.» ساينتفيك أمريكان (أبريل 2003): 40. مناقشة حول كيف ساعدت التجارب تحت الأرض مع أجهزة كشف النيوترينو في تفسير الغياب الواضح للنيوترينوات من الشمس.

    تريفيل، جيه. «كيف تتألق النجوم». علم الفلك (يناير 1998): 56.

    مواقع الويب

    ألبرت أينشتاين أون لاين: http://www.westegg.com/einstein/.

    جسيم الشبح: http://www.pbs.org/wgbh/nova/neutrino/.

    موقع مشروع GONG: http://gong.nso.edu/.

    علم الزلازل الشمسي: solar center.stanford.edu/abo... eismology.html.

    مختبر برينستون لفيزياء البلازما: http://www.pppl.gov/.

    حل لغز النيوترينوات الشمسية: www.nobelprize.org/nobel_priz... ysics/bahcall/.

    صفحة سوبر كاميوكاندي نيوترينو الشامل: http://www.ps.uci.edu/~superk/.

    مقاطع فيديو

    الأسرار العميقة للنيوترينو: الفيزياء تحت الأرض: https://www.youtube.com/watch?v=Ar9ydagYkYg. محاضرة عامة 2010 لبيتر روسون في مركز ستانفورد للتسريع الخطي (1:22:00).

    النيوترينو المراوغ وطبيعة الفيزياء: https://www.youtube.com/watch?v=CBfUHzkcaHQ. حلقة نقاش في مهرجان العلوم العالمي 2014 (1:30:00).

    أنشطة المجموعة التعاونية

    1. في هذا الفصل، تعلمنا أن النيازك التي تسقط في الشمس لا يمكن أن تكون مصدرًا لطاقة الشمس لأن الزيادة الضرورية في كتلة الشمس ستطيل الفترة المدارية للأرض بمقدار ثانيتين في السنة. اطلب من مجموعتك مناقشة الآثار التي قد يسببها ذلك لكوكبنا ولنا مع مرور القرون.
    2. يمكن لعلماء الفلك الشمسي معرفة المزيد عن المناطق الداخلية للشمس إذا تمكنوا من مراقبة تذبذبات الشمس على مدار 24 ساعة كل يوم. هذا يعني أنه لا يمكنهم مقاطعة ملاحظاتهم بسبب دورة النهار/الليل. تم إنشاء مثل هذه التجربة، المسماة GONG (مشروع مجموعة شبكة التذبذب العالمية)، لأول مرة في التسعينيات. لتوفير المال، تم تصميم هذه التجربة للاستفادة من أقل عدد ممكن من التلسكوبات. اتضح أنه إذا تم اختيار المواقع بعناية، فيمكن ملاحظة الشمس طوال الوقت باستثناء حوالي 10٪ من خلال ست محطات مراقبة فقط. ما هي العوامل التي تعتقد أنه يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار مواقع المراقبة؟ هل يمكن لمجموعتك اقتراح ستة مواقع جغرافية عامة من شأنها تحسين مقدار الوقت الذي يمكن فيه ملاحظة الشمس؟ تحقق من إجابتك من خلال النظر إلى موقع GONG.
    3. كيف سيكون الحال إذا تمكنا بالفعل من التحكم في الاندماج على الأرض ليكون مجديًا اقتصاديًا؟ إذا أصبح الهيدروجين الموجود في الماء وقودًا لإطلاق كميات هائلة من الطاقة (بدلاً من الوقود الأحفوري)، فاطلب من مجموعتك مناقشة كيفية تأثير ذلك على الاقتصاد العالمي والسياسة الدولية. (فكر في الدور الذي تلعبه رواسب النفط والغاز الطبيعي الآن على الساحة العالمية وفي السياسة الدولية.)
    4. مجموعتك عبارة عن وفد تم إرساله إلى مجلس مدينة بلدة تعدين صغيرة لشرح سبب قيام الحكومة بوضع وعاء بحجم حمام السباحة من سائل التنظيف التجاري أسفل أحد أعمدة منجم ذهب قديم. كيف ستتعامل مع هذا الاجتماع؟ على افتراض أن أعضاء مجلس المدينة ليس لديهم الكثير من الخلفية العلمية، كيف ستشرح أهمية المشروع لهم؟ اقترح بعض الوسائل البصرية التي يمكنك استخدامها.
    5. عندما اقترح ريموند ديفيس تجربته لأول مرة في منجم الذهب تحت الأرض، والذي كان له تكاليف كبيرة مرتبطة به، قال بعض الناس إن الأمر لا يستحق التكلفة لأننا فهمنا بالفعل الظروف وردود الفعل في قلب الشمس. ومع ذلك، أدت تجربته إلى تغيير كبير في فهمنا للنيوترينوات وفيزياء الجسيمات دون الذرية. هل يمكن لمجموعتك التفكير في تجارب «مكلفة» أخرى في علم الفلك أدت إلى تحسينات أساسية في فهمنا للطبيعة؟

    مراجعة الأسئلة

    1. كيف نعرف عمر الشمس؟
    2. اشرح كيف نعرف أن طاقة الشمس لا يتم توفيرها عن طريق الاحتراق الكيميائي، كما هو الحال في الحرائق هنا على الأرض، أو عن طريق تقلص الجاذبية (الانكماش).
    3. ما هو المصدر النهائي للطاقة التي تجعل الشمس مشرقة؟
    4. ما هي الصيغ للخطوات الثلاث في سلسلة بروتون-بروتون؟
    5. كيف يختلف النيوترينو عن النيوترون؟ ضع قائمة بجميع الطرق التي يمكنك التفكير فيها.
    6. صِف بكلماتك الخاصة المقصود بعبارة أن الشمس في حالة توازن هيدروستاتيكي.
    7. يسافر اثنان من طلاب علم الفلك إلى ساوث داكوتا. يقف المرء على سطح الأرض ويستمتع ببعض أشعة الشمس. في الوقت نفسه، ينزل الآخر إلى منجم ذهب حيث يتم اكتشاف النيوترينوات، ويصل في الوقت المناسب لاكتشاف تكوين نواة أرجون مشعة جديدة. على الرغم من وصول الفوتون على السطح والنيوترينوات الموجودة في المنجم في نفس الوقت، إلا أن تاريخهما مختلف جدًا. وصف الاختلافات.
    8. ماذا تخبرنا قياسات عدد النيوترينوات المنبعثة من الشمس عن الظروف العميقة في المناطق الداخلية الشمسية؟
    9. هل للنيوترينوات كتلة؟ وصف كيف تغيرت الإجابة على هذا السؤال بمرور الوقت ولماذا.
    10. تحمل النيوترينوات المنتجة في قلب الشمس الطاقة إلى الخارج. هل آلية نقل الطاقة هذه هي التوصيل أو الحمل الحراري أو الإشعاع؟
    11. ما الشروط المطلوبة قبل بدء اندماج سلسلة البروتون والبروتون في الشمس؟
    12. وصف الطريقتين الرئيسيتين لانتقال الطاقة عبر الشمس.

    أسئلة الفكر

    1. يقترح شخص ما أن يقوم علماء الفلك ببناء كاشف خاص لأشعة جاما للكشف عن أشعة جاما المنتجة خلال سلسلة البروتون والبروتون في قلب الشمس، تمامًا كما قاموا ببناء كاشف النيوترينو. اشرح لماذا سيكون هذا جهدًا غير مثمر.
    2. تحتوي الأرض على عناصر مشعة ينتج عن تحللها نيوترينوات. كيف يمكننا استخدام النيوترينوات لتحديد كيفية توزيع هذه العناصر داخل الأرض؟
    3. الشمس أكبر بكثير وأكثر ضخامة من الأرض. هل تعتقد أن متوسط كثافة الشمس أكبر أو أصغر من كثافة الأرض؟ اكتب إجابتك قبل البحث عن الكثافات. ابحث الآن عن قيم الكثافة في مكان آخر في هذا النص. هل كنت على حق؟ اشرح بوضوح معاني الكثافة والكتلة.
    4. يقترح صديق لم يستفد من دورة علم الفلك أن الشمس يجب أن تكون مليئة بالفحم المحترق حتى تتألق بنفس السطوع. ضع قائمة بأكبر عدد ممكن من الحجج ضد هذه الفرضية.
    5. أي من التحولات التالية هي (هي) الاندماج وأيهما (هما) الانشطار: الهيليوم إلى الكربون، والكربون إلى الحديد، واليورانيوم إلى الرصاص، والبورون إلى الكربون، والأكسجين إلى النيون؟ (انظر الملحق K للحصول على قائمة بالعناصر.)
    6. لماذا يلزم ارتفاع درجة الحرارة لدمج الهيدروجين بالهيليوم عن طريق دورة CNO مما تتطلبه العملية التي تحدث في الشمس، والتي تتضمن نظائر الهيدروجين والهيليوم فقط؟
    7. الغلاف الجوي للأرض في حالة توازن هيدروستاتيكي. ما يعنيه هذا هو أن الضغط في أي نقطة في الغلاف الجوي يجب أن يكون مرتفعًا بما يكفي لدعم وزن الهواء فوقه. كيف تتوقع الضغط على جبل. هل يختلف إيفرست عن الضغط في فصلك الدراسي؟ اشرح لماذا.
    8. اشرح ماذا يعني ذلك عندما نقول أن محيطات الأرض في حالة توازن هيدروستاتيكي. لنفترض الآن أنك غواص سكوبا. هل تتوقع زيادة الضغط أو انخفاضه أثناء الغوص تحت سطح الأرض إلى عمق 200 قدم؟ لماذا؟
    9. ما الآلية التي تنقل الحرارة بعيدًا عن سطح القمر؟ إذا كان القمر يفقد الطاقة بهذه الطريقة، فلماذا لا يصبح ببساطة أكثر برودة وبرودة؟
    10. لنفترض أنك تقف على بعد بضعة أقدام من النار في أمسية خريف باردة. يبدأ وجهك بالشعور بالحرارة. ما هي الآلية التي تنقل الحرارة من النار إلى وجهك؟ (تلميح: هل الهواء بينك وبين النار أكثر سخونة أم أبرد من وجهك؟)
    11. أعط بعض الأمثلة اليومية لنقل الحرارة بالحمل الحراري والإشعاع.
    12. لنفترض أن دورة البروتون-البروتون في الشمس ستتباطأ فجأة وتولد الطاقة بنسبة 95٪ فقط من معدلها الحالي. هل يرى مراقب على الأرض انخفاضًا فوريًا في سطوع الشمس؟ هل ستلاحظ على الفور انخفاضًا في عدد النيوترينوات المنبعثة من الشمس؟
    13. هل تعتقد أن الاندماج النووي يحدث في أجواء النجوم؟ لماذا أو لماذا لا؟
    14. لماذا لا يعد الانشطار مصدرًا مهمًا للطاقة في الشمس؟
    15. لماذا تفترض أن جزءًا كبيرًا من طاقة الشمس يأتي من مناطقها المركزية؟ في أي جزء من نصف قطر الشمس ينشأ تقريبًا كل لمعان الشمس (انظر الشكل\(16.3.7\) في القسم 16.3)؟ في أي نصف قطر من الشمس تم استخدام الهيدروجين الأصلي جزئيًا؟ ناقش العلاقة التي تربط الإجابات على هذه الأسئلة ببعضها البعض.
    16. اشرح كيف تسمح لنا نماذج الكمبيوتر الرياضية بفهم ما يحدث داخل الشمس.

    اكتشاف نفسك

    1. قدِّر مقدار الكتلة التي يتم تحويلها إلى طاقة عندما يتحد البروتون مع نواة الديوتيريوم ليتشكل\(^3 \text{He}\).
    2. ما مقدار الطاقة المنبعثة عندما يتحد البروتون مع نواة الديوتريوم لإنتاجه\(^3 \text{He}\)؟
    3. تقوم الشمس بتحويل\(4 \times 10^9 \text{ kg}\) الكتلة إلى طاقة كل ثانية. كم عدد السنوات التي تستغرقها الشمس لتحويل كتلة تساوي كتلة الأرض إلى طاقة؟
    4. افترض أن كتلة الشمس هي 75٪ هيدروجين وأن كل هذه الكتلة يمكن تحويلها إلى طاقة وفقًا لمعادلة أينشتاين\(E = mc^2\). ما مقدار الطاقة الإجمالية التي يمكن أن تولدها الشمس؟ \(m\)إذا كان بالكيلوغرام\(c\) ومتر/ثانية،\(E\) فسيتم التعبير عنه بـ J. (كتلة الشمس موضحة في الملحق E.)
    5. في الواقع، فإن تحويل الكتلة إلى طاقة في الشمس ليس فعالًا بنسبة 100٪. كما رأينا في النص، يؤدي تحويل أربع ذرات هيدروجين إلى ذرة هيليوم واحدة إلى تحويل حوالي 0.02862 مرة من كتلة البروتون إلى طاقة. ما مقدار الطاقة بالجول التي ينتجها أحد هذه التفاعلات؟ (انظر الملحق E لمعرفة كتلة ذرة الهيدروجين، والتي، لجميع الأغراض العملية، هي كتلة البروتون.)
    6. لنفترض الآن أن جميع ذرات الهيدروجين في الشمس تم تحويلها إلى هيليوم. ما مقدار الطاقة الإجمالية التي سيتم إنتاجها؟ (لحساب الإجابة، سيتعين عليك تقدير عدد ذرات الهيدروجين الموجودة في الشمس. سيعطيك هذا تدريبًا جيدًا في الترميز العلمي، نظرًا لأن الأرقام المعنية كبيرة جدًا! انظر الملحق C لمراجعة الترميز العلمي.)
    7. تشير نماذج الشمس إلى أن حوالي 10٪ فقط من إجمالي الهيدروجين في الشمس سيشارك في التفاعلات النووية، حيث أن الهيدروجين فقط في المناطق الوسطى هو الذي يكون في درجة حرارة عالية بما يكفي. استخدم إجمالي الطاقة التي تشعها الشمس في الثانية، 3.8 × 10 26 واط، جنبًا إلى جنب مع التمارين والمعلومات الواردة هنا لتقدير عمر الشمس. (تلميح: تأكد من تتبع الوحدات: إذا كان اللمعان هو الطاقة المشعة في الثانية، فستكون إجابتك أيضًا في ثوانٍ. يجب عليك تحويل الإجابة إلى شيء أكثر أهمية، مثل السنوات.)
    8. أظهر أن العبارة الواردة في النص صحيحة: أي أنه يجب تحويل ما يقرب من 600 مليون طن من الهيدروجين إلى هيليوم في الشمس كل ثانية لشرح إنتاجها من الطاقة. (تلميح: تذكر الصيغة الأكثر شهرة لأينشتاين، وتذكر أنه مقابل كل كيلوغرام من الهيدروجين، يتم تحويل 0.0071 كجم من الكتلة إلى طاقة.) ما المدة التي سيستغرقها تحويل 10% من الهيدروجين إلى هيليوم؟ هل تتفق هذه الإجابة مع العمر الذي قمت بحسابه في التمرين السابق؟
    9. في كل ثانية، تقوم الشمس بتحويل 4 ملايين طن من المادة إلى طاقة. ما المدة التي تستغرقها الشمس لتقليل كتلتها بنسبة 1% (كتلة الشمس هي 2 × 10 30)؟ قارن إجابتك مع عمر الشمس حتى الآن.
    10. احتوى كاشف النيوترينو الخاص بريموند ديفيس جونيور على حوالي 1030 ذرة كلور. خلال تجربته، وجد أن نيوترينو واحد يتفاعل مع ذرة الكلور لإنتاج ذرة أرجون واحدة كل يوم.
    1. كم يومًا سيتعين عليه إجراء التجربة حتى يمتلئ 1% من خزانه بذرات الأرجون؟
    2. حول إجابتك من A. إلى سنوات.
    3. قارن هذه الإجابة بعمر الكون، الذي يبلغ حوالي 14 مليار سنة (1.4 × 10 10 y).
    4. ماذا يخبرك هذا عن مدى تكرار تفاعل النيوترينوات مع المادة؟