Sonce je prehladno za jedrske reakcije. Zakaj torej sveti?

Zgodba iz vesolja

Nazaj

Pogled na nočno nebo.Vir: Evropski južni observatorij.

Če se ponoči ozremo proti nebu, hitro ugotovimo, da gledamo neskončno temo, ki jo prekinjajo le naključno razsute zvezde. Te so trenutno najpomembnejši vir svetlobe v vesolju in vsaka od njih, tudi Sonce, v svoji notranjosti skriva jedrski reaktor, v katerem iz lažjih kemijskih elementov nastajajo težji, pri čemer se sprošča ogromno energije. Brez nje bi bili planeti, ki krožijo okoli zvezd, ledene puščave, na njihovih površjih pa bi vladala popolna tema. Izvor Sončeve energije nam je leta 1920 razkril znameniti angleški astronom Arthur Eddington. Toda, znanstveniki so hitro naleteli na težavo. Prvotni izračuni so namreč pokazali, da je za zlivanje vodika potrebna temperatura približno 1,5 milijarde Kelvinov, medtem ko je dejanska temperatura v Sončevem jedru kar 100 krat nižja. Rešitev paradoksa je sedem let pozneje zmagoslavno prispela na krilih nove, eksotične teorije, ki ji pravimo kvantna mehanika.

Prehladna Sončeva sredica

Zvezde so ogromne krogle iz zelo vročega plina. Več kot 98 % vse snovi, ki sestavlja Sonce, predstavljata le dva najlažja ter najpreprostejša kemijska elementa – vodik in helij. Že površje Sonca je izjemno vroče, saj na njem temperatura znaša kar 6000 Kelvinov, z globino pa ta še naraste, vse tja do 15 milijonov Kelvinov v sami sredici. To je prevroče, da bi snov njej obstajala v obliki nevtralnih atomov in molekul, kot pri nas na Zemlji. V Sončevem jedru atomi razpadejo na elektrone in atomska jedra. V primeru vodika, so ta jedra preprosto protoni. 

Da Sonce sveti, mora nenehno proizvajati energijo. Ta se sprošča med jedrskimi reakcijami v Sončevi sredici. Sosledju treh reakcij, ki vodijo do nastanka jedra helija-4, pravimo cikel proton-proton oziroma pp. Za prvo od njih rabimo hitre protone. Izjemno visoka temperatura v Sončevem jedru pomeni, da je tipična hitrost tamkajšnjih protonov približno 350 kilometrov na sekundo. Trk dveh protonov lahko privede do njunega zlitja, pri čemer se eden izmed protonov spremeni v nevtron. Oba delca, proton in nevtron se med reakcijo zlepita v novo, težjo verzijo vodika, ki mu pravimo devterij.

Za drugo reakcijo je potreben trk jedra devterija s še enim protonom, pri čemer nastane jedro helija-3, ki ga sestavljata en nevtron in dva protona. Šele med to reakcijo se torej vodik spremeni v helij.

Do tretje reakcije pride, ko trčita dve jedri helija-3, pri čemer nastanejo jedro helija-4, sestavljeno iz dveh protonov in dveh nevtronov, ter dva prosta protona.

Če pogledamo le začetne delce ter končni rezultat ugotovimo, da je jedro helija-4 nastalo iz štirih protonov. Toda, masa štirih vodikovih jeder je malenkost večja od mase helijevega jedra. Razlog za to je, da so nevtroni nekoliko lažji od protonov. Kam je šla manjkajoča masa? Odgovor je v stranskih produktih jedrskih reakcij. Med njimi sta dva pozitrona, katerih masa je enaka masi elektronov, dva nevtrina ter dva fotona. Približno 0,7 % mase protonov se spremeni v kinetično energijo omenjenih delcev ter v elektromagnetno sevanje. Da bi Sonce lahko sevalo z močjo 1026 Wattov, se mora vsako sekundo v helijeva jedra zliti kar 1038 protonov! Sliši se ogromno, vendar je Sonce kolosalno veliko telo, sestavljeno iz 1057 protonov, od katerih se jih okoli 10 % nahaja v Sončevem jedru. 1038 protonov na sekundo je dovolj, da lahko naša zvezda nepretrgoma sije približno 1019 sekund, oziroma 10 milijard let.

Štirje protoni so masivnejši od jedra helija-4.

Težava, s katero so se soočali znanstveniki leta 1920 je v električni odbojni sili med protoni. Da bi dva protona lahko trčila, morata najprej premagati elektrostatski odboj in se močno približati eden drugemu. Za to je potrebna energija, ki pa je skoraj dva tisočkrat višja od kinetične energije protonov v Sončevem jedru. Temu znanstveniki pravijo znanstveniki pravijo potencialna prepreka. Izračuni so pokazali, da v Sončevi sredici ni niti enega protona, ki bi bil dovolj hiter za zlitje v devterij.

Delci, ki to niso

Leta 1924 je francoski fizik Louis de Broglie presenetil znanstveno srenjo z neverjetno drznim predlogom, po katerem osnovni delci v resnici niso vedno delci v smislu majhnih trdnih kroglic, temveč jih lahko opišemo tudi kot valovanje nečesa, čemur rečemo kvantno polje. Tako naj bi vsak delec bil nekakšen valovni paket, torej prostorsko in časovno omejen sistem valovanja, ki potuje po prostoru kot enota. Vsak delec tako opišemo z valovno funkcijo, s katero lahko izračunamo verjetnost, da ga najdemo na določeni lokaciji. Tipična valovna funkcija ima v danem trenutku maksimum v neki točki v vesolju, njena vrednost pa hitro pada z razdaljo od te točke. Strogo gledano, vednost valovne funkcije nikoli ne pade na nič. Tako vedno obstaja možnost, da se določeni elektron, ki naj bi se v nekem trenutku nahajal v naši bližini, dejansko nahaja na drugem koncu vesolja.

Primer valovne funkcije delca v dveh dimenzijah. Intenzivnost barv je povezana z verjetnostjo, da se delec nahaja v določeni točki v vesolju. Vir: Wikipedia.

Valovna narava delcev je ključnega pomena za pojav jedrskih reakcij v Sončevi sredici. Glede na klasično mehaniko protoni enostavno nimajo dovolj kinetične energije za premostitev potencialne prepreke. Situacijo lahko opišemo s prispodobo o žogi, ki se kotali prepočasi, da bi se povzpela na goro in tako prispela na drugo stran. Toda, kvantna mehanika nam razloži, obstaja majhna verjetnost, da se taista žoga dejansko nahaja na drugi strani gore. Gora, oziroma prepreka, verjetnost za to sicer močno zmanjša, vendar njena vrednost ostane večja od nič. V primeru protonov v Sončevi sredici znaša ta verjetnost le ena proti 1028! Z drugimi besedami, na vsakih 1028 trkov pride le do enega zlitja protonov v devterij. Zaradi velikega števila trkov v Soncu, do katerih pride vsako sekundo, pa je ta izjemno majhna verjetnost dovoljšna, da se v Sončevem jedru vsako sekundo sprosti že omenjenih 1026 Joulov energije.

V kavntni mehaniki pojavu, ko se zgodijo, v klasičnem pogledu, nemogoči dogodki, pravimo tunelski pojav oziroma efekt, njegov obstoj pa je leta 1927 predvidel nemški znanstvenik Friedric Hund. Stvar namreč spominja na omenjeno žogo, ki se je na drugo stran gore prikotalila skozi predor, zaradi česar se ji ni bilo treba povzpeti nanjo.

Razlika med klasično ter kvantno mehaniko: tunelski pojav.

Valovna narava osnovnih delcev, ki je osnova za kvantno mehaniko, je torej razlog, da v zvezdah prihaja do jedrskih reakcij. Svetlobo, ki pri tem nastane, nato čaka trnova pot do površja zvezde, ki v primeru Sonca traja približno milijon let, potem pa v le osmih minutah prispe na Zemljo. Valovna narava delcev nam tako osvetli naše nebo ter tako omogoča življenje na tretjem kamnu od Sonca.

Dodatna čtiva za najbolj radovedne

Komentiraj

Blog at WordPress.com.

Navzgor ↑