16.2: Misa, Nishati, na Nadharia ya Relativity
- Page ID
- 175416
Malengo ya kujifunza
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza jinsi jambo linaweza kubadilishwa kuwa nishati
- Eleza chembe kwamba kufanya juu ya atomi
- Eleza kiini cha atomi
- Kuelewa majeshi ya nyuklia kwamba kushikilia atomi pamoja
- Kufuatilia athari za nyuklia katika mambo ya ndani ya jua
Kama tulivyoona, nishati haiwezi kuundwa au kuharibiwa, lakini inabadilishwa tu kutoka fomu moja hadi nyingine. Moja ya hitimisho la ajabu linalotokana na Albert Einstein (tazama sanduku la Albert Einstein hapa chini) alipoendeleza nadharia yake ya relativity ni kwamba jambo linaweza kuchukuliwa kuwa aina ya nishati pia na inaweza kubadilishwa kuwa nishati. Zaidi ya hayo, nishati pia inaweza kubadilishwa kuwa jambo. Hii ilionekana kupingana na yale wanadamu waliyojifunza zaidi ya maelfu ya miaka kwa kusoma asili. Jambo ni kitu tunaweza kuona na kugusa, ambapo nishati ni kitu ambacho vitu vina wakati wanafanya mambo kama hoja au joto juu. Wazo kwamba jambo au nishati inaweza kubadilishwa katika kila mmoja ilionekana kama outrageous akisema unaweza kuongeza kasi ya gari kwa kugeuza bumper katika kasi zaidi, au kwamba unaweza kujenga kubwa mbele kiti kwa kupunguza kasi ya gari yako. Hiyo itakuwa pretty vigumu kuamini; lakini, ulimwengu kweli kazi kiasi fulani kama kwamba.
Kubadilisha jambo katika Nishati
Ulinganisho wa ajabu kati ya suala na nishati hutolewa katika mojawapo ya equations maarufu zaidi:
\[E=mc^2\label{Eq1}\]
Katika equation hii, E\(m\) inasimama kwa nishati, inasimama kwa wingi\(c\), na, mara kwa mara inayohusiana na mbili, ni kasi ya mwanga (\(3 × 10^8\)mita kwa pili). Kumbuka kuwa wingi ni kipimo cha wingi wa jambo, hivyo umuhimu wa equation hii ni kwamba jambo linaweza kubadilishwa kuwa nishati na nishati inaweza kubadilishwa kuwa jambo. Hebu tulinganishe usawa huu wa kubadili jambo na nishati kwa equations ya kawaida ya uongofu ambayo ina fomu sawa:
\[\text{inches }= \text{ feet} \times 12 \nonumber\]
au
\[\text{cents }= \text{ dollars} \times 100 \nonumber\]
Kama vile kila formula ya uongofu inakuwezesha kuhesabu uongofu wa jambo moja hadi nyingine, tunapobadilisha jambo kuwa nishati, tunazingatia kiasi gani jambo hilo lina. Sababu ya uongofu katika kesi hii inageuka kuwa si 12 au 100, kama ilivyo katika mifano yetu, lakini kiasi kingine cha mara kwa mara: kasi ya mraba wa mwanga. Kumbuka kwamba suala haipaswi kusafiri kwa kasi ya mwanga (au kasi ya mraba wa mwanga) kwa uongofu huu kutokea. Sababu ya\(c^2\) ni namba tu ambayo Einstein ilionyesha lazima itumike kuhusisha wingi na nishati.
Kumbuka kwamba formula hii haina kutuambia jinsi ya kubadilisha molekuli katika nishati, kama formula kwa senti haina kutuambia wapi kubadilishana sarafu kwa muswada wa dola. Fomula tu kutuambia nini maadili sawa ni kama sisi kufanikiwa katika kufanya uongofu. Wakati Einstein kwanza inayotokana formula yake katika 1905, hakuna mtu alikuwa na wazo faintest jinsi ya kubadilisha molekuli katika nishati kwa njia yoyote ya vitendo. Einstein mwenyewe alijaribu kukata tamaa uvumi kwamba uongofu mkubwa wa molekuli ya atomiki katika nishati ingewezekana katika siku za usoni. Leo, kutokana na maendeleo katika fizikia ya nyuklia, sisi mara kwa mara kubadilisha wingi katika nishati katika mitambo ya nguvu, silaha za nyuklia, na high-nishati fizikia majaribio katika accelerators chembe.
Kwa sababu kasi ya mraba wa mwanga (\(c^2\)) ni kiasi kikubwa sana, uongofu wa hata kiasi kidogo cha matokeo ya wingi kwa kiasi kikubwa cha nishati. Kwa mfano, uongofu kamili wa gramu 1 ya suala (takriban 1/28 ounce, au takriban 1 paperclip) ingeweza kuzalisha nishati nyingi kama kuchomwa kwa mapipa 15,000 ya mafuta.
Wanasayansi hivi karibuni waligundua kwamba uongofu wa wingi kuwa nishati ni chanzo cha joto na mwanga wa Jua. Kwa\(E = mc^2\) equation ya Einstein, tunaweza kuhesabu kwamba kiasi cha nishati kilichomwagika na Jua kinaweza kuzalishwa na uongofu kamili wa takriban tani milioni 4 za suala ndani ya nishati ndani ya Jua kila sekunde. Kuharibu tani milioni 4 kwa sekunde inaonekana kama mengi ikilinganishwa na mambo ya kidunia, lakini kumbuka kwamba Jua ni hifadhi kubwa sana ya suala. Kwa kweli, tutaona kwamba Jua lina zaidi ya wingi wa kutosha kuharibu kiasi kikubwa cha suala hilo na bado linaendelea kuangaza kwa kiwango chake cha sasa kwa mabilioni ya miaka.
Lakini kujua yote ambayo bado hayatuambii jinsi molekuli inaweza kubadilishwa kuwa nishati. Ili kuelewa mchakato ambao kwa kweli unatokea katika Jua, tunahitaji kuchunguza muundo wa atomu kidogo zaidi.
ALBERT EINSTEIN
Kwa sehemu kubwa ya maisha yake, Albert Einstein (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)) alikuwa mmoja wa celebrities wengi kutambuliwa ya siku yake. Wageni walimzuia mitaani, na watu ulimwenguni pote wakamwomba apendekeze, ushauri, na usaidizi. Kwa kweli, wakati Einstein na nyota mkubwa wa filamu Charlie Chaplin walikutana huko California, waligundua walishiriki hisia sawa kuhusu kupoteza faragha iliyokuja na umaarufu. Jina la Einstein lilikuwa neno la kaya licha ya ukweli kwamba watu wengi hawakuelewa mawazo yaliyokuwa yamemfanya awe maarufu.
Einstein alizaliwa mwaka 1879 huko Ulm, Ujerumani. Legend ina kwamba hakufanya vizuri shuleni (hata katika hesabu), na maelfu ya wanafunzi wamejaribu kuhalalisha daraja mbaya kwa kutaja hadithi hii. Ole, kama hadithi nyingi, hii si kweli. Kumbukumbu zinaonyesha kuwa ingawa alijitahidi kuasi dhidi ya mtindo wa mafundisho ya kimabavu katika vogue nchini Ujerumani wakati ule, Einstein alikuwa mwanafunzi mzuri.
Baada ya kuhitimu kutoka Taasisi ya Shirikisho la Polytechnic huko Zurich, Uswisi, Einstein mwanzoni alikuwa na shida ya kupata kazi (hata kama mwalimu wa shule ya sekondari), lakini hatimaye akawa mtahini katika Ofisi ya Patent ya Uswisi. Akifanya kazi wakati wake wa vipuri, bila faida ya mazingira ya chuo kikuu lakini kwa kutumia intuition yake nzuri ya kimwili, aliandika magazeti manne mwaka 1905 ambayo hatimaye yangebadilisha jinsi wanafizikia walivyoangalia ulimwengu.
Moja ya haya, ambayo ilipata Einstein tuzo ya Nobel mwaka wa 1921, iliweka sehemu ya msingi wa mechanics ya quantum - nadharia tajiri, ya kushangaza, na ya ajabu ya eneo la subatomic. Lakini karatasi yake muhimu zaidi iliwasilisha nadharia maalum ya relativity, reexamination ya nafasi, wakati, na mwendo ambayo iliongeza ngazi nzima mpya ya kisasa kwa uelewa wetu wa dhana hizo. Famed equation E = mc 2 ilikuwa kweli sehemu ndogo ya nadharia hii, aliongeza katika karatasi baadaye.
Mwaka 1916, Einstein alichapisha nadharia yake ya jumla ya relativity, ambayo ilikuwa, kati ya mambo mengine, maelezo ya kimsingi ya mvuto (tazama Black Holes na Spacetime Curved). Wakati nadharia hii ilithibitishwa na vipimo vya “kupigwa kwa mwanga wa nyota” wakati wa kupatwa kwa 1919 (kichwa cha habari cha New York Times kilichosoma, “Lights All Askew in the Heavens”), Einstein akawa maarufu duniani.
Mwaka 1933, ili kuepuka mateso ya Nazi, Einstein aliacha professorship yake huko Berlin na kukaa nchini Marekani katika Taasisi mpya ya Mafunzo ya Juu huko Princeton. Alibaki huko hadi kifo chake mwaka 1955, akiandika, kuhadhiri, na kupeleka sababu mbalimbali za kiakili na kisiasa. Kwa mfano, alikubali kusaini barua iliyoandikwa na Leo Szilard na wanasayansi wengine mwaka 1939, akiwaonya Rais Roosevelt kwa hatari za kuruhusu Ujerumani wa Nazi kuendeleza bomu atomiki kwanza. Na mwaka wa 1952, Einstein alipewa urais wa pili wa Israeli. Katika kupungua kwa msimamo huo, alisema, “Najua kidogo kuhusu asili na vigumu chochote kuhusu wanaume.
Vipande vya msingi
Vipengele vya msingi vya atomi ni protoni, nyutroni, na elektroni (tazama Muundo wa Atom).
Protoni, nyutroni, na elektroni si kwa njia yoyote chembe zote zilizopo. Kwanza, kwa kila aina ya chembe, kuna antiparticle inayofanana lakini kinyume. Ikiwa chembe hubeba chaji, antiparticle yake ina chaji kinyume. Antielectroni ni positron, ambayo ina masi sawa na elektroni lakini ina chaji chanya. Vile vile, antiproton ina malipo hasi. Jambo la ajabu kuhusu antimater hiyo ni kwamba wakati chembe inakuja kuwasiliana na antiparticle yake, chembe za awali zinaharibiwa, na kiasi kikubwa cha nishati kwa namna ya photons huzalishwa.
Kwa kuwa ulimwengu wetu unafanywa pekee ya chembe za kawaida za suala, antimater haiwezi kuishi kwa muda mrefu sana. Lakini antiparticles binafsi hupatikana katika mionzi ya cosmic (chembe zinazofika juu ya anga ya dunia kutoka angani) na zinaweza kuundwa kwa kasi za chembe. Na, kama tutakavyoona kwa muda mfupi, antimater imeundwa katika msingi wa Jua na nyota nyingine.
Sayansi mashabiki wanaweza kuwa ukoo na antimatter kutoka Star Trek televisheni mfululizo na filamu. The Starship Enterprise inaendeshwa na kuchanganya makini ya jambo na antimater katika chumba cha inji cha meli. Kwa mujibu wa\(E=mc^2\), uharibifu wa suala na antimater unaweza kuzalisha kiasi kikubwa cha nishati, lakini kuweka mafuta ya antimater kutoka kugusa meli kabla inahitajika lazima iwe tatizo kubwa. Si ajabu Scotty, mhandisi mkuu katika kipindi cha awali cha televisheni, daima alionekana kuwa na wasiwasi!
Mwaka 1933, mwanafizikia Wolfgang Pauli (Kielelezo) alipendekeza kuwa kunaweza kuwa na aina nyingine ya chembe ya msingi. Nishati ilionekana kutoweka wakati aina fulani za athari za nyuklia zilifanyika, kukiuka sheria ya uhifadhi wa nishati. Pauli alisita kukubali wazo kwamba mojawapo ya sheria za msingi za fizikia ilikuwa sahihi, na alipendekeza “dawa ya kukata tamaa.” Pengine chembe iliyo mbali sana, ambayo ilipewa jina la neutrino (“little neutral one”), ilichukua nishati ya “kukosa”. Alipendekeza kuwa nyutrino zilikuwa chembe zilizo na masi ya sifuri, na kwamba kama fotoni, zilihamia kwa kasi ya nuru.
Neutrino ya ndoto haikugunduliwa hadi 1956. Sababu ilikuwa vigumu sana kupata ni kwamba neutrino huingiliana dhaifu sana na mambo mengine na kwa hiyo ni vigumu sana kuchunguza. Dunia ni wazi zaidi kwa neutrino kuliko kidirisha thinnest na safi ya kioo ni kwa fotoni ya nuru. Kwa kweli, nyutrino nyingi zinaweza kupita kabisa katika nyota au sayari bila kufyonzwa. Kama tutakavyoona, tabia hii ya neutrinos inawafanya kuwa chombo muhimu sana cha kusoma Jua. Tangu utabiri wa Pauli, wanasayansi wamejifunza mengi zaidi kuhusu neutrino. Sasa tunajua kwamba kuna aina tatu tofauti za neutrinos, na mwaka 1998, neutrinos ziligunduliwa kuwa na kiasi kidogo cha wingi. Hakika, ni ndogo sana kwamba elektroni ni angalau mara 500,000 zaidi. Utafiti unaoendelea unalenga kuamua wingi wa neutrinos kwa usahihi, na bado inaweza kugeuka kuwa moja ya aina tatu ni massless. Tutarudi kwenye somo la neutrinos baadaye katika sura hii.
Baadhi ya mali za protoni, elektroni, neutroni, na neutrino zinafupishwa katika Jedwali\(\PageIndex{1}\). (Vipande vingine vya subatomic vimezalishwa na majaribio ya kasi ya chembe, lakini hawana jukumu katika kizazi cha nishati ya jua.)
| Chembe | Misa (kg) | Charge |
|---|---|---|
| proton | 1.67265 × 10 -27 | +1 |
| Neutroni | 1.67495 × 10 -27 | 0 |
| Electron | 9.11 × 10 -31 | -1 |
| Neutrino | <2 × 10 -36 (haijulikani) | 0 |
Kiini Atomiki
Kiini cha atomi sio tu mkusanyiko huru wa chembe za msingi. Ndani ya kiini chembe hushikiliwa pamoja na nguvu yenye nguvu sana inayoitwa nguvu kali ya nyuklia. Hii ni nguvu ya muda mfupi, tu inayoweza kutenda umbali juu ya ukubwa wa kiini cha atomiki. Jaribio la mawazo ya haraka linaonyesha umuhimu wa nguvu hii. Angalia kidole chako na uzingalie atomi zinazoifanya. Miongoni mwao ni kaboni, moja ya mambo ya msingi ya maisha. Kuzingatia mawazo yako juu ya kiini cha moja ya atomi zako za kaboni. Ina protoni sita, ambazo zina malipo mazuri, na neutroni sita, ambazo hazipatikani. Hivyo, kiini kina malipo ya wavu ya chanya sita. Ikiwa tu nguvu ya umeme ingekuwa ikifanya, protoni katika hili na kila atomi ya kaboni ingeweza kupata kila mmoja kusikitisha sana na kuruka mbali.
Nguvu ya nyuklia yenye nguvu ni nguvu ya kuvutia, yenye nguvu zaidi kuliko nguvu ya umeme, na inaendelea chembe za kiini zimefungwa pamoja. Tuliona mapema kwamba ikiwa chini ya nguvu ya mvuto nyota “inapungua” —kuleta atomi zake karibu pamoja—nishati ya mvuto inatolewa. Kwa njia hiyo, ikiwa chembe zinakusanyika chini ya nguvu kali za nyuklia na kuungana ili kuunda kiini cha atomiki, baadhi ya nishati ya nyuklia hutolewa. Nishati iliyotolewa katika mchakato huo inaitwa nishati ya kisheria ya kiini.
Wakati nishati hiyo ya kumfunga inatolewa, kiini kilichosababisha kina kiasi kidogo kidogo kuliko jumla ya raia wa chembe zilizokusanyika ili kuifanya. Kwa maneno mengine, nishati hutoka kwa kupoteza kwa wingi. Upungufu huu mdogo katika wingi ni sehemu ndogo tu ya wingi wa proton moja. Lakini kwa sababu kila kidogo ya molekuli waliopotea inaweza kutoa nishati nyingi (kumbuka, E = mc 2), kutolewa kwa nishati ya nyuklia inaweza kuwa kubwa kabisa.
Vipimo vinaonyesha kuwa nishati ya kisheria ni kubwa zaidi kwa atomi zilizo na masi karibu na ile ya kiini cha chuma (ikiwa na idadi ya pamoja ya protoni na neutroni sawa na 56) na chini kwa viini nyepesi na nzito zaidi. Kwa hiyo, chuma ni kipengele kilicho imara zaidi: kwani kinatoa nishati zaidi wakati inapounda, itahitaji nishati zaidi kuivunja ndani ya chembe zake za sehemu.
Hii inamaanisha kwamba, kwa ujumla, wakati nuclei ya atomiki ya mwanga hukusanyika ili kuunda moja nzito (hadi chuma), wingi hupotea na nishati hutolewa. Hii kujiunga pamoja na nuclei ya atomiki inaitwa fusion nyuklia.
Nishati pia inaweza kuzalishwa kwa kuvunja nuclei nzito ya atomiki kuwa nyepesi (chini ya chuma); mchakato huu huitwa fission nyuklia. Fission ya nyuklia ilikuwa mchakato tuliyojifunza kutumia kwanza-katika mabomu ya atomiki na katika mitambo ya nyuklia iliyotumiwa kuzalisha nguvu za umeme-na inaweza kwa hiyo kuwa ukoo zaidi kwako. Fission pia wakati mwingine hutokea kwa hiari katika nuclei zisizo na uhakika kupitia mchakato wa radioactivity ya asili. Lakini fission inahitaji nuclei kubwa, ngumu, wakati tunajua kwamba nyota zinajumuisha viini vidogo, rahisi. Kwa hiyo tunapaswa kuangalia fusion kwanza kuelezea nishati ya Jua na nyota (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).
Mvuto wa nyuklia dhidi ya kukataa umeme
Hadi sasa, tunaonekana kuwa na dawa ya kuvutia sana ya kuzalisha nishati iliyotolewa na Jua: “roll” baadhi ya viini pamoja na kujiunga nao kupitia fusion nyuklia. Hii itawafanya kupoteza baadhi ya wingi wao, ambayo hugeuka kuwa nishati. Hata hivyo, kila kiini, hata hidrojeni rahisi, ina protoni-na protoni zote zina mashtaka mazuri. Kwa kuwa kama mashtaka yanarudisha kupitia nguvu ya umeme, karibu tunapata nuclei mbili kwa kila mmoja, zaidi ya kurudia. Ni kweli kwamba kama tunaweza kuwafanya ndani ya “umbali wa kushangaza” wa nguvu za nyuklia, watakuja pamoja na kivutio kikubwa zaidi. Lakini umbali huo wa kushangaza ni mdogo sana, kuhusu ukubwa wa kiini. Tunawezaje kupata nuclei karibu kutosha kushiriki katika fusion?
Jibu linageuka kuwa joto-joto-kubwa ambalo linaharakisha protoni hadi kutosha kushinda majeshi ya umeme ambayo yanajaribu kuweka protoni mbali. Ndani ya Jua, kama tulivyoona, elementi ya kawaida ni hidrojeni, ambayo kiini chake kina protoni moja tu. Protoni mbili zinaweza kuunganisha tu katika mikoa ambako halijoto ni kubwa kuliko takriban milioni 12 K, na kasi ya protoni wastani wa kilomita 1000 kwa sekunde au zaidi. (Katika vitengo zamani-fashioned, hiyo ni zaidi ya 2 milioni maili kwa saa!)
Katika Jua letu, hali hiyo ya joto kali hufikiwa tu katika mikoa karibu na kituo chake, ambayo ina joto la K. milioni 15 Mahesabu yanaonyesha kuwa karibu nishati yote ya Jua huzalishwa ndani ya kilomita 150,000 za msingi wake, au ndani ya chini ya 10% ya jumla ya kiasi chake.
Hata katika joto hili la juu, ni vigumu sana kulazimisha protoni mbili kuchanganya. Kwa wastani, protoni itaondoka kwenye protoni nyingine katika msingi wa Jua kwa muda wa miaka bilioni 14, kwa kiwango cha migongano milioni 100 kwa sekunde, kabla ya kuunganisha na protoni ya pili. Hii ni, hata hivyo, wakati wa kusubiri wastani tu. Baadhi ya idadi kubwa ya protoni katika eneo la ndani la jua ni “bahati” na huchukua migongano machache tu ili kufikia mmenyuko wa fusion: ni protoni zinazohusika na kuzalisha nishati inayoangazwa na Jua. Kwa kuwa Jua lina umri wa miaka bilioni 4.5, protoni zake nyingi bado hazijahusika katika athari za fusion.
Mitikio ya nyuklia katika mambo ya ndani ya jua
Jua, basi, hupunguza nishati zilizomo katika nuclei ya atomi kupitia fusion ya nyuklia. Hebu tuangalie kile kinachotokea kwa undani zaidi. Kina ndani ya Jua, mchakato wa hatua tatu unachukua nuclei nne za hidrojeni na kuziunganisha pamoja ili kuunda kiini kimoja cha heliamu. Kiini cha heliamu ni kidogo kidogo kuliko viini vinne vya hidrojeni vinavyochanganya ili kuunda, na masi hiyo inabadilishwa kuwa nishati.
Hatua ya awali inayotakiwa kuunda kiini kimoja cha heliamu kutoka viini vinne vya hidrojeni inavyoonekana kwenye Kielelezo\(\PageIndex{4}\). Katika joto la juu ndani ya msingi wa Jua, protoni mbili huchanganya kutengeneza kiini cha deuteriamu ambacho ni isotopi (au toleo) la hidrojeni ambalo lina protoni moja na neutroni moja. Kwa kweli, mojawapo ya protoni za awali zimebadilishwa kuwa neutroni katika mmenyuko wa fusion. Malipo ya umeme yanapaswa kuhifadhiwa katika athari za nyuklia, na imehifadhiwa katika hii. Positron (antimater electron) inatoka kwenye mmenyuko na hubeba malipo mazuri yaliyohusishwa na moja ya protoni.
Kwa kuwa ni antimatter, positron hii itapungua mara moja na elektroni iliyo karibu, na wote wataangamizwa, huzalisha nishati ya umeme kwa namna ya photons za gamma-ray. Ray hii ya gamma, ambayo imeundwa katikati ya Jua, inajikuta katika ulimwengu uliojaa viini vya haraka na elektroni. Ray ya gamma inagongana na chembe za suala na huhamisha nishati yake kwa mmoja wao. Chembe baadaye hutoa photon nyingine ya gamma-ray, lakini mara nyingi photon iliyotolewa ina nishati kidogo kidogo kuliko ile iliyoingizwa.
Uingiliano huo hutokea kwa mionzi ya gamma tena na tena na tena wanapokuwa wanafanya njia yao polepole kuelekea tabaka za nje za Jua, mpaka nishati yao inakuwa hivyo kupunguzwa kuwa wao si tena mionzi ya gamma bali X-rays (kukumbuka yale uliyojifunza katika Spectrum ya sumakuumeme). Baadaye, kama photons zinapoteza nishati zaidi kwa njia ya migongano katika kituo cha Jua kilichojaa, huwa photoni za ultraviolet.
Wakati wanapofika uso wa Jua, fotoni nyingi zimeacha nishati ya kutosha kuwa nuru ya kawaida na ni jua tunayoona inatoka katika nyota yetu. (Ili kuwa sahihi, kila photon ya gamma-ray hatimaye inabadilishwa kuwa photons nyingi za nishati ya chini ya jua.) Hivyo, mwanga wa jua uliotolewa na Jua leo ulikuwa na asili yake kama ray ya gamma iliyotengenezwa na athari za nyuklia ndani ya msingi wa Jua. Urefu wa muda ambao photoni zinahitaji kufikia uso inategemea umbali gani fotoni kwa wastani husafiri kati ya migongano, na muda wa kusafiri unategemea mfano gani wa mambo ya ndani ya jua tata tunayokubali. Makadirio ni kiasi fulani haijulikani lakini yanaonyesha kwamba chafu ya nishati kutoka kwenye uso wa Jua inaweza kukosa uzalishaji wake ndani ya mambo ya ndani kwa miaka 100,000 hadi miaka 1,000,000.
Mbali na positron, fusion ya atomi mbili za hidrojeni kuunda matokeo ya deuterium katika chafu ya neutrino. Kwa sababu neutrino huingiliana kidogo sana na jambo la kawaida, zile zinazozalishwa na athari za fusion karibu na kituo cha Jua husafiri moja kwa moja kwenye uso wa Jua halafu nje angani, pande zote. Neutrinos huhamia karibu kasi ya nuru, na huepuka Jua takriban sekunde mbili baada ya kuundwa.
Hatua ya pili katika kutengeneza heliamu kutoka hidrojeni ni kuongeza protoni nyingine kwenye kiini cha deuteriamu kuunda kiini cha heliamu ambacho kina protoni mbili na neutroni moja (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)). Katika mchakato huo, molekuli fulani hupotea tena na mionzi zaidi ya gamma hutolewa. Kiini hicho ni heliamu kwa sababu elementi hufafanuliwa na idadi yake ya protoni; kiini chochote chenye protoni mbili huitwa heliamu. Lakini aina hii ya heliamu, ambayo tunaiita helium-3 (na kuandika kwa kifupi kama\(^3 \text{He}\)) si isotopi tunayoiona katika angahewa ya Jua au duniani. Heliamu hiyo ina nyutroni mbili na protoni mbili na hivyo inaitwa helium-4 (\(^4 \text{He}\)).
Ili kufikia helium-4 katika Jua, helium-3 lazima iunganishe na helium-3 nyingine katika hatua ya tatu ya fusion (iliyoonyeshwa kwenye Mchoro\(\PageIndex{6}\)). Kumbuka kuwa protoni mbili za juhudi zimeachwa kutoka hatua hii; kila mmoja hutoka katika mmenyuko tayari kugongana na protoni nyingine na kuanza hatua ya 1 katika mlolongo wa athari tena.
Mifano hizi za athari za protoni-protoni zinaonyesha hatua zinazohitajika kwa fusion ya hidrojeni kuwa heliamu katika Jua.
Ziara Tokamak Fusion Reactor katika General Atomics Lab katika San Diego, CA, kwa ziara ya dakika 8.
Mlolongo wa protoni-proton
Athari za nyuklia katika Jua ambazo tumekuwa tukizungumzia zinaweza kuelezewa kwa ufupi kupitia njia zifuatazo za nyuklia:
\[\begin{aligned} ^1 \text{H}+ ~ ^1 \text{H} \rightarrow ~ ^2 \text{H}+ \text{e}^++v \\ ^2 \text{H}+ ~ ^1 \text{H} \rightarrow ~ ^3 \text{He}+ \gamma \\ ~ ^3 \text{He}+ ~ ^3 \text{He} \rightarrow ~ ^4 \text{He}+ ~ ^1 \text{H}+ ~ ^1 \text{H} \end{aligned} \nonumber\]
Hapa, nakala zinaonyesha jumla ya idadi ya nyutroni pamoja na protoni katika kiini,\(\text{e}^+\) ni positron,\(v\) ni neutrino, na\(\gamma\) inaonyesha kwamba mionzi ya gamma imetolewa. Kumbuka kuwa hatua ya tatu inahitaji viini viwili vya helium-3 kuanza; hatua mbili za kwanza lazima zifanyike mara mbili kabla ya hatua ya tatu kutokea.
Ingawa, kama tulivyojadiliwa, hatua ya kwanza katika mlolongo huu wa athari ni ngumu sana na kwa ujumla inachukua muda mrefu, hatua nyingine hutokea kwa haraka zaidi. Baada ya kiini cha deuterium kuundwa, kinaendelea wastani wa sekunde 6 tu kabla ya kugeuzwa\(^3 \text{He}\). Karibu miaka milioni baada ya hayo (kwa wastani),\(^3 \text{He}\) kiini kitachanganya na mwingine kuunda\(^4 \text{He}\).
Tunaweza kukokotoa kiasi cha nishati athari hizi kuzalisha kwa kuhesabu tofauti katika raia ya awali na ya mwisho. Misa ya atomi za hidrojeni na heli katika vitengo vinavyotumiwa kwa kawaida na wanasayansi ni\(1.007825u\) na\(4.00268u\), kwa mtiririko huo. (Kitengo cha molekuli\(u\),, hufafanuliwa kuwa 1/12 wingi wa atomu ya kaboni, au takriban wingi wa protoni.) Hapa, tunajumuisha masi ya atomu nzima, si kiini tu, kwa sababu elektroni zinahusika pia. Wakati hidrojeni inabadilishwa kuwa heliamu, positroni mbili zinaundwa (kumbuka, hatua ya kwanza hutokea mara mbili), na hizi zinaangamizwa na elektroni mbili za bure, na kuongeza nishati zinazozalishwa.
\[ \begin{aligned} 4 \times 1.007825 & =4.03130u \text{ (mass of initial hydrogen atoms)} \\ ~ & −4.00268u \text{ (mass of final helium atoms)} \\ ~ & =0.02862u \text{ (mass lost in the transformation)} \end{aligned} \nonumber\]
Uzito uliopotea\(0.02862u\), ni 0.71% ya wingi wa hidrojeni ya awali. Hivyo, kama kilo 1 ya hidrojeni inabadilishwa kuwa heliamu, basi uzito wa heliamu ni kilo 0.9929 tu, na kilo 0.0071 ya nyenzo hubadilishwa kuwa nishati. Kasi ya nuru (\(c\)) ni mita 3 × 108 kwa pili, hivyo nishati iliyotolewa na uongofu wa kilo 1 tu ya hidrojeni kuwa heliamu ni:
\[\begin{array}{l} E=mc^2 \\ E=0.0071 \text{ kg} \times \left( 3 \times 10^8 \text{ m/s} \right)^2=6.4 \times 10^{14} \text{ J} \end{array} \nonumber\]
Kiasi hiki, nishati iliyotolewa wakati kilo moja (2.2 paundi) ya hidrojeni inakabiliwa na fusion, ingekuwa ugavi umeme wote unaotumiwa na kaya ya kawaida ya Marekani kwa takribani miaka 17,000.
Ili kuzalisha mwanga wa jua wa watts 4 × 10 26, tani milioni 600 za hidrojeni lazima zibadilishwe kuwa heliamu kila pili, ambazo tani milioni 4 zinabadilishwa kutoka kwa suala kuwa nishati. Kwa kiasi kikubwa kama idadi hizi ni, hifadhi ya hidrojeni (na hivyo ya nishati ya nyuklia) katika Jua bado ni kubwa zaidi, na inaweza kudumu kwa muda mrefu—mabilioni ya miaka, kwa kweli.
Katika joto ndani ya nyota na raia ndogo kuliko karibu mara 1.2 wingi wa Jua letu (jamii ambayo inajumuisha Sun yenyewe), nishati nyingi huzalishwa na athari ambazo tumeelezea tu, na seti hii ya athari inaitwa mlolongo wa protoni-protoni (au wakati mwingine, p-p mnyororo). Katika mlolongo wa protoni-protoni, protoni hugongana moja kwa moja na protoni nyingine ili kuunda viini vya heliamu.
Katika nyota za moto, seti nyingine ya athari, inayoitwa mzunguko wa kaboni-nitrojeni-oksijeni (CNO), inakamilisha matokeo sawa ya wavu. Katika mzunguko wa CNO, viini vya kaboni na hidrojeni hugongana ili kuanzisha mfululizo wa athari zinazounda nitrojeni, oksijeni, na hatimaye, heliamu. Nuclei za nitrojeni na oksijeni haziishi lakini huingiliana ili kuunda kaboni tena. Kwa hiyo, matokeo ni sawa na katika mlolongo wa protoni-protoni: atomi nne za hidrojeni hupotea, na mahali pao, atomi moja ya heliamu imeundwa. Mzunguko wa CNO una jukumu dogo tu kwenye Jua lakini ni chanzo kikuu cha nishati kwa nyota zenye raia mkubwa kuliko kuhusu masi ya Jua.
Kwa hiyo unaweza kuona kwamba tumetatua puzzle ambayo wanasayansi wasiwasi mwishoni mwa karne ya kumi na tisa. Jua linaweza kudumisha joto lake la juu na pato la nishati kwa mabilioni ya miaka kupitia fusion ya kipengele rahisi katika ulimwengu, hidrojeni. Kwa sababu sehemu kubwa ya Jua (na nyota nyingine) hutengenezwa kwa hidrojeni, ni “fueli” bora ya kuimarisha nyota. Kama itakavyojadiliwa katika sura zifuatazo, tunaweza kufafanua nyota kama mpira wa gesi inayoweza kupata msingi wake moto wa kutosha kuanzisha fusion ya hidrojeni. Kuna mipira ya gesi ambayo inakosa masi inayotakiwa kufanya hivyo (Jupiter ni mfano wa kienyeji); kama wenye matumaini wengi huko Hollywood, hawatakuwa nyota kamwe.
Fusion duniani
Je, si ajabu kama tungeweza kurudia utaratibu wa nishati ya Jua kwa njia ya kudhibitiwa duniani? (Tayari tumeipiga kwa njia isiyo na udhibiti katika mabomu ya hidrojeni, lakini tunatarajia maghala yetu ya haya hayatatumiwa kamwe.) Nishati ya fusion ingekuwa na faida nyingi: ingetumia hidrojeni (au deuterium, ambayo ni hidrojeni nzito) kama mafuta, na kuna hidrojeni tele katika maziwa na bahari za Dunia. Maji yanasambazwa sawasawa duniani kote kuliko mafuta au uranium, maana yake ni kwamba nchi chache hazitashikilia tena faida ya nishati juu ya wengine. Na tofauti na fission, ambayo inacha byproducts hatari, nuclei kutokana na fusion ni salama kabisa.
Tatizo ni kwamba, kama tulivyoona, inachukua joto la juu sana kwa nuclei kushinda repulsion yao ya umeme na kupitia fusion. Wakati mabomu ya kwanza ya hidrojeni yalipolipuka katika vipimo katika miaka ya 1950, “fuses” ili kuzipata moto wa kutosha zilikuwa mabomu ya fission. Ushirikiano katika joto vile ni vigumu kuendeleza na kudhibiti. Kufanya nguvu ya fusion duniani, baada ya yote, tunapaswa kufanya kile Jua linalofanya: kuzalisha joto na shinikizo juu ya kutosha kupata nuclei ya hidrojeni kwa maneno ya karibu na kila mmoja.
Umoja wa Ulaya, Marekani, Korea ya Kusini, Japan, China, Urusi, Uswisi, na India wanashirikiana katika Reactor International Thermonuclear Experimental (ITER), mradi wa kuonyesha uwezekano wa fusion kudhibitiwa (Kielelezo). Kituo hiki kinajengwa nchini Ufaransa. Ujenzi utahitaji vipengele zaidi ya 10,000,000 na wafanyakazi 2000 kwa ajili ya kusanyiko. Tarehe ya kuanza kwa shughuli bado haijatambuliwa.
ITER inategemea muundo wa Tokamak, ambapo chombo kikubwa cha donut kinazungukwa na sumaku za superconducting ili kuzuia na kudhibiti viini vya hidrojeni katika uwanja wenye nguvu wa magnetic. Majaribio ya awali ya fusion yamezalisha watts milioni 15 za nishati, lakini kwa pili au mbili tu, na wamehitaji watts milioni 100 kuzalisha hali muhimu ili kufikia fusion. Lengo la ITER ni kujenga kifaa cha kwanza cha fusion kinachoweza kuzalisha watts milioni 500 za nishati ya fusion kwa sekunde 1000. Changamoto ni kuweka deuterium na tritium-ambayo itashiriki katika majibu ya fusion - moto wa kutosha na mnene wa kutosha, kwa muda mrefu wa kutosha kuzalisha nishati.
Dhana muhimu na Muhtasari
Nishati ya jua huzalishwa na mwingiliano wa chembe—yaani protoni, nyutroni, elektroni, positroni, na nyutrino. Hasa, chanzo cha nishati ya Jua ni fusion ya hidrojeni kuunda heliamu. Mfululizo wa athari zinazohitajika kubadili hidrojeni kuwa heliamu huitwa mnyororo wa protoni-protoni. Atomu ya heliamu ni takriban 0.71% chini kubwa kuliko atomi nne za hidrojeni zinazochanganya ili kuifanya, na ile masi iliyopotea inabadilishwa kuwa nishati (pamoja na kiasi cha nishati kinachotolewa na formula\(E = mc^2\)).
faharasa
- ugawanyaji
- kuvunja juu ya nuclei nzito ya atomiki ndani ya nyepesi
- mchanganyiko
- kujenga nuclei nzito ya atomiki kutoka kwa nyepesi
- neutrino
- chembe ya msingi ambayo haina malipo na molekuli ambayo ni ndogo jamaa na elektroni; mara chache huingiliana na suala la kawaida na huja katika aina tatu tofauti
- positron
- chembe na molekuli sawa na elektroni, lakini chanya kushtakiwa
- mlolongo wa protoni-proton
- mfululizo wa athari za nyuklia ambazo nuclei ya hidrojeni hujengwa ndani ya nuclei ya heliamu