Jaderná fúze ve hvězdách: Co, rovnice, kroky, příčiny

Aplikace vazebné energie ilustruje jadernou fúzi ve hvězdách, protože produkce hvězdné energie je způsobena procesem jaderné fúze.

Rozdíl ve vazebné energii mezi lehčími atomovými jádry vede k procesu jaderného štěpení jejich spojením. Během toho dochází buď k absorpci nebo uvolnění energie a hvězdy mají energii hlavně díky fúzi. Na základě této teorie je v tomto příspěvku uvedena krátká poznámka o jaderné fúzi ve hvězdách a jejích důsledcích.

Co je jaderná fúze ve hvězdách?

Sloučení více než dvou lehčích jader dohromady za vytvoření jediného těžkého jádra se nazývá fúze. Studie předpovídá, že jádro hvězd se skládá z lehčích jader, která jsou připravena ke spojení.

Hvězdy se skládají z obrovského množství vodíku ve svém jádru a jádra vodíku se spojují a vytvářejí jádro deuteria. Takto vytvořená jádra deuteria se spojila a vytvořila jádro helia. Kombinovaná hmotnost jádra helia je menší než původní hmotnost jader vodíku, což vytváří rozdíl v hmotnosti, což vede k uvolnění určitého množství energie. Celková reakce se nazývá jaderná fúze ve hvězdách.

Soubor:Pict--proton-proton-chain-reaction-diagram-proton-proton-chain-reaction-diagram.png - Wikimedia Commons
Jaderná fúze v lehčí hvězdě
Obrázek kreditů: Wikimedia commons
  • Tento jaderná fúze posiluje slunce a další hvězdy do zářícího konce vyzařují energii.
  • Jaderná fúze iniciuje generování supernov.
  • Jaderná fúze ve hvězdách také umožňuje odhadnout dobu života hvězd.

Co spouští jadernou fúzi ve hvězdách?

Víme, že jádro hvězdy obsahuje velké množství vodíku a hélia. Množství těchto lehčích jader spouští jadernou fúzi ve hvězdách.

Jádra vodíku a helia jsou uvnitř hvězd nabalena velmi těsně jako obrovský mrak plynu. Gravitační síla mrak smrští při velmi vysoké teplotě. Vodíková jádra se spojí a projeví se jako jádro helia, když teplota vyskočí na dostatečnou hodnotu. Jádra helia také tvoří hustý mrak, takže je vyvinut určitý tlak k zahájení jaderné fúze nazývané termonukleární fúzní reakce ve hvězdách.

K zahájení fúze vodíkových jader musí být zapotřebí teplota asi 15 milionů stupňů.

Soubor: Massive star cutaway pre-collapse (připnuto).png - Wikimedia Commons, jaderná fúze ve hvězdách
Struktura hvězdy obsahující fúzní vodík a helium ve vnitřním jádru
Obrázek kreditů: Wikimedia commons

Jaderná fúze v rovnici hvězd

Vzhledem k tomu, že hvězda se v samém počátečním stádiu skládá pouze z vodíku ve svém jádru, dojde tedy v počáteční fázi pouze k proton-protonovému reakčnímu cyklu.

H+H→D+p++v při Q = 1.44 MeV

Q je hodnota anihilace pozitronu elektronem ve hvězdě.

Reakce deuterium-deuterium nenastává, protože stále zbývá velké množství vodíkového jádra pro proces fúze; deuterium tedy podléhá fúzi s vodíkovým jádrem dostupným pro fúzní reakci.

H+D→3He+γ; Q = 5.49 MeV

Takto vyrobený izotop helia se spojí s dalším izotopem helia za vzniku normálního hélia a vodíku.

3On+3On→4He+2H; Q = 12.8 MeV.

Výše uvedené rovnice předpovídají celek proces jaderné fúze ve hvězdách.

Kroky jaderné fúze ve hvězdách

Tři hlavní kroky provádějí jadernou fúzi ve hvězdách; proton vodíku je základní částicí dostupnou pro proces.

  • Zpočátku se dva protony z vodíku spojí. Ve většině případů se fúzované protony rozpadnou, ale někdy se proton sám přemění na neutron prostřednictvím slabé jaderné interakce určené k vytvoření pozitronu a neutrina. To vytváří proton-neutronovou bolest uvnitř hvězdy, která má produkovat deuterium.
  • Existuje třetí proton dostupný pro fúzi. Tento proton se sráží s deuteriem za vzniku izotopu helia-3. Spolu s tím se uvnitř hvězd generuje také gama záření. Takto uvolněné gama paprsky vystupují z jádra ven a uvolňují se ve formě světla.
  • Všechny izotopy helia-3 vzniklé fúzní reakcí se navzájem srazí za vzniku obyčejného hélia a spolu s tím se také uvolní dva protony ve formě vodíku.
Soubor:FusionintheSun sv.svg - Wikimedia Commons
Fáze jaderné fúze ve hvězdách
Obrázek kreditů: Wikimedia commons

Před vytvořením helia z fúze jader helia-3 se vytvoří jádra beryllia-6, která je značně nestabilní. Be-6 tedy prochází procesem dezintegrace za vzniku stabilního jádra helia-4. Jádro helia-4 má hmotnost menší než původní hmotnost 4-protonu, který trval na fúzní reakci. Tento rozdíl v hmotnosti se uvolňuje jako teplo a světlo.

Energie uvolněná z procesu fúze ve hvězdách musí projít mnoha vrstvami, aby se dostala do vesmíru.

Co se uvolňuje při jaderné fúzi ve hvězdách?

Výskyt jaderné fúze ve hvězdách indukuje uvolnění energie z jádra ve formě tepla nebo světla, nebo někdy v nějakém jiném jádru. Říká se tedy, že jaderné štěpení ve hvězdách uvolňuje všechny prvky virtuálně.

Když vodíková jádra indukují proton-protonový cyklus, uvolňuje deuterium spolu s β+ částice s určitým množstvím energie. Při fúzi deuteria s protonem se uvolňuje izotop helia a gama záření. Po vzájemné reakci izotopů helia uvolněte helium-4 a jádro vodíku. Ty jsou hlavním produktem uvolňovaným během jaderné fúze ve hvězdách.

Soubor:Proton-Proton II chain reaction.svg - Wikimedia Commons
Uvolňování prvků a subatomární částice při jaderné fúzi ve hvězdách
Obrázek kreditů: Wikimedia commons

Uvolňují se některá subatomární jádra, jako je pozitron a neutrino. Některé z prvků, jako je lithium, berylium, dusík a uhlík, se také uvolňují jako vedlejší produkt reakce. Na konci světelné fáze se hvězdicové železo uvolní a je k dispozici pro další fúzní reakci. Výroba prvků z jaderné fúze se prakticky nazývá "Nukleosyntéza."

Několik zajímavých faktů o jaderné fúzi ve hvězdách

  • Jaderná fúze je hlavním zdrojem hvězdné energie; tato teorie trvá na stanovení hypotézy kontrakce ohledně příčiny rotace hvězdy. Říká, že rychlost rotace je charakterizována zachováním momentu hybnosti ve hvězdách. Ale některá pozorování hvězdné energie popírají předpověď hypotézy.
  • Zachování hmoty na energii ve hvězdách poskytuje cestu k vysvětlení teorie, jak malé množství hmoty může generovat velké množství energie dané Einsteinem.
  • V nedávné studii je vypočtená kombinovaná hmotnost helia ve hvězdách o 0.8 % menší než hmotnost 4-protonů, které iniciovaly fúzi za vzniku helia. Je zřejmé, že i malý rozdíl v hmotnosti může uvolnit obrovskou energii.
  • Pokud hvězdu tvoří pouze 5 % vodíku dostupného pro fúzi, stačí uvolnit dostatečné množství energie ve formě tepla a světla.

Často kladené otázky

Jaký je důležitý význam jaderné fúze ve hvězdách?

Jaderná fúze je hvězdy vysvětlující původ hvězdy a svítivost a životnost hvězdy. Je to hlavní význam jaderné fúzní reakce ve hvězdách.

Jaderná fúze ve hvězdách také dokládá vznik a výskyt dalších prvků přírody. Jaderná fúze pomáhá udržovat vysokou teplotu vnitřního jádra hvězdy, což má dále tendenci zabránit fúzi.

Ovlivňují další fúzi další prvky uvolněné během jaderné fúze ve hvězdách?

Pokud jsou do procesu fúze zapojeny i další prvky generované, bude to dále ovlivněno. Tato situace ale nikdy nenastane.

Protože jaderná fúze ve hvězdách uvolňuje gama paprsky, které ničí ostatní vytvořené prvky; tedy vyvažuje ostatní prvky, které se procesu neúčastní. V některých případech se prvek takto vyrobený během reakce rozpadne, aby poskytl požadovaný proton a neutron pro proces fúze.

Zastaví se jaderná fúze ve hvězdách?

Dokud se helium-4 generuje ve vnitřním jádru hvězd, fúzní reakce se nezastaví.

Předpokládejme, že produkce helia-4 ve vnitřním jádru se zastaví, pak nebude k dispozici žádný proton, který by způsobil další fúzní reakci. V tom případě se jaderná fúze ve hvězdách zastaví, což vede ke kolapsu hvězd nazývaných bílý trpaslík.

Zahrnuje gravitace jadernou fúzi ve hvězdách?

Ano, zapojení gravitace hraje zásadní roli v procesu fúze ve hvězdách.

V počáteční fázi, kdy jsou dva protony připraveny k fúzi, gravitace stlačí vnitřní jádro, takže teplota jádra se zvýší a vytvoří prostředí pro proces fúze. A také vnitřní tah gravitace se vyrovnává, aby vytlačil energii uvolněnou fúzí směrem ven, dokud nedosáhne vnějšího jádra hvězdy.

Také čtení: