внутреннее строение Солнца.ppt
















Тема: «Источники энергии и внутренне строение Солнца».
Цель: рассмотреть источник энергии Солнца, термоядерные реакции (протон протонный цикл) и
внутреннее строение звезд.
Оборудование: презентация «внутреннее строение Солнца».
Ход урока.
I.Организационный момент.
II. Проверка домашнего задания.
Диктант:
Что можно увидеть в телескоп на Солнце? [пятна, факелы, протуберанцы].
Каково направление вращения Солнца? [в сторону движения планет].
Чему равен солнечный параллакс?[8,794″=8,8″].
Во сколько раз Солнце больше Земли?[в 109 раз].
Какова эффективная температура Солнца? [5800К].
Почему солнечное пятно темнее фотосферы? [ниже температура].
Какой слой атмосферы мы видим на Солнце? [фотосфера].
Во сколько раз нужно увеличить размер Солнца, чтобы светимость увеличилась в 2 раза? [4 раза].
Каков период солнечной активности? [11 лет].
Яркие гигантские выступы и арки (выбросы вещества на Солнце в хромосферу)-[протуберанцы].
Причина появления гранул на Солнце. [конвенция].
Угловой размер (видимый диаметр) Солнца [≈30/=0,50].
В каком физическом состоянии вещество на Солнце? [плазменное].
Идеальный излучатель - поглотитель энергий [черное тело].
Причина появления пятен? [концентрация магнитного поля].
Задача:Какова мощность излучения, приходящаяся на 1 кг солнечного вещества. (N=L/M =
3,876.1026 / 2.1030 ≈1,94.10-4 Вт)
III. Изучение нового материала.
1. Источник энергии Солнца.
Излучает L=3,876.1026 Дж/с –огромнейшие потери энергии. Светимость Солнца определяется
формулой: L = σT4 ∙ 4πR2. Закон сохранения →откуда восполняется энергия, превращаясь в
излучение. В 1931г Ханс Альбрехт Бете указывает, что источником энергии в звездах является
ядерный синтез. В 1937г открывает термоядерную реакцию, а в 1939г в работе “Генерация энергии в
звездах” строит количественную теорию ядерных процессов внутри звезд, найдя цепочку (цикл)
ядерных реакций, проводимых к синтезу гелия. (Ноб. лауреат). Внутри Солнца (звезд) Н
ионизирован - т.е. в виде ядер протона 11 Н. Двигаясь с очень большими скоростями (при Т>10
млн.К) протоны несколько сближаются, преодолевая электрические силы отталкивания, что
вступают в действия ядерные силы и начинается реакция (термоядерная) с выделением энергии. На
Солнце возможны две группы термоядерных реакций такого типа: протон-протонный (водородный)
цикл и углеродный цикл (цикл Бете). Наиболее вероятно, что на Солнце преобладает протонпротонный цикл:
1Н+1Н→2D+е++ν (позитрон + нейтрино+дейтерий+2,2Мэв).
2D+1H>3He+γ (гамма-квант+тритий+ 5,5Мэв).
3Не+3Не→4Не+1Н+1Н (гелий+протон+протон+12,8Мэв) и все снова, т.е. внутри Солнца (звезд)
водород выгорает, превращаясь в гелий (из 4 ядер 1Н образуется ядро 4Не).
При этом выделяется огромная энергия. Например рассчитаем выделение энергии при "сгорании"
1гр водорода.
Е=∆mc2
Формула
Эйнштейна
,00728 а.е.м- масса протона; 1,00866 а.е.м - масса
нейтрона1
∆m=(mр.Z+mh.N)-
дефект массы
4,0026 а.е.м - масса ядра гелия, 1 а.е.м = 1,6605655·10-27
кг
mядра
N=ν.NА=(m/M).NА
число молекул
NА= 6,022045.1023 моль-1- число Авогадро
N=(m/M).NА=(10-3/4.10-3).6,022045 .1023≈1,5.1023
Е1 =∆mc2=[((2.1,0087+2.1,0073) - 4,0026).1,6605655·10-27].(3.108 м/с)2≈0,44.10-11 Дж
Е=1,5.1023.0,44.10-11=6,6.1012 Дж.
Т.к. M  =2.1030 кг, то Н гореть еще 150 млрд.лет, но горит в центре только 0,1Мс, следовательно
еще гореть Солнцу примерно 5-7 млрд. лет. Все виды излучения ежесекундно уносят порядка ~ 4
млн.т. Высвобождаемая энергия превышает недельную выработку электроэнергии на всём земном
шаре и сравнима с энергией землетрясений и ураганов
Нейтрино - элементарная частица, появляющаяся в ходе термоядерной реакции, проникает
свободно через звезды, планеты. Регистрируя их с помощью нейтринных телескопов (глубоко под
землей, над водой) можно “заглянуть” внутрь Солнца. Нейтринные телескопы имеются в шахте
Хоумстейк (штат Южная Дакота, США), в Японии (система "Камиоканде"), на Байкале и другие. В
2001 году в нейтринной обсерватории в Садбери (Sudbury Neutrino Observatory) были
непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов и было показано, что их
полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети
долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными.
2. Внутреннее строение Солнца.
Конвективная зона - происходит перемешивание вещества. нагретые слои поднимаются к фотосфере
и остыв, уступают место нижним более нагретым.
Зона излучения (Зона лучистого переноса) – (от 0,3R до 0,7R) здесь происходит процесс переноса
энергии излучаемой ядром в вышележащие слои путем многократного поглощения и последующего
ее переизлучения с постепенным увеличением длины волны и понижения температуры.
Образовавшиеся в процессе ядерного синтеза фотоны с высокой энергией сталкиваются с
электронами и ионами, порождая повторное световое и тепловое излучение. Лучистый теплообмен –
передача тепла между нагретыми телами, обусловленная процессом испускания, переноса,
отражения, поглощения и пропускания лучистой энергии. Промежуток времени, за который энергия,
произведённая в ядре, достигает конвективной зоны, может измеряться миллионами лет. В среднем
этот срок составляет 170 тысяч лет. Ядро - Центральная часть Солнца с радиусом примерно 150 000
километров, в которой идут термоядерные реакции. Плотность вещества в ядре составляет примерно
150 000 кг/м³ (в 150 раз выше плотности воды и в ~6,6 раз выше плотности самого плотного металла
на Земле — осмия), а температура в центре ядра — более 14 миллионов градусов. Анализ данных,
проведённый миссией SOHO, показал, что в ядре скорость вращения Солнца вокруг своей оси
значительно выше, чем на поверхности. В ядре осуществляется протон-протонная термоядерная
реакция, в результате которой из четырёх протонов образуется гелий-4. При этом каждую секунду в
энергию превращаются 4,26 миллиона тонн вещества, однако эта величина ничтожна по сравнению
с массой Солнца — 2×1027 тонн. В общепринятой теоретической модели Солнца (так называемой
"Стандартной модели") предполагается, что подавляющая часть энергии вырабатывается реакциями
прямого синтеза водорода c образованием гелия, и только лишь 1,5% - реакциями так называемого
цикла CNO, в котором в процессе реакции углерод циклически превращается сначала в азот и
кислород, после чего реакция снова приводит к образованию углерода.
Т=Т
(r)
p=p
(r)
ρ=ρ
функции от глубина. Приближенные расчеты можно выполнить с помощью обычных формул,
выделив условно внутри Солнца столбик площадью S и h=R
F=mg=ρVg=ρSRg. Из закона Всемирного тяготения g=GM/R2. Тогда вес столба P=ρSGM/R.
Отсюда давление p=F/S=ρGM/R. Применяя уравнение Менделеева-Клапейрона (pV=(m/μ)RT)
можно вычислить один из параметров: давление, среднюю плотность, температуру если
(r)
известны другие.
Если считать среднюю плотность для средины (R/2), то получим давление p=4ρGM/R.
Звёзды находятся на главной последовательности 90 % времени своей «жизни – активного
энерговыделения». Горение водорода – самая длительная стадия в жизни звезды, так как в молодой
звезде водорода до 70 % от всей массы. При превращении водорода в гелий выделяется большое
количество энергии. Вес вышележащих звездных слоев уравновешивается на стадии главной
последовательности давлением звездного газа.
В звезде примерно 70 % водорода (по массе), а при синтезе гелия выделяется большая часть
ядерной энергии, запасенной в веществе, поэтому можно говорить, что основную часть своей жизни
звезды светят, сжигая водород. Последующие стадии термоядерного синтеза в звёздах также
важны, например, слияние трех альфа-частиц в ядро 12C , но уже не с точки зрения энергетики.
После того, как звезда израсходует свое водородное топливо, его заменяет гелий, а сама звезда
раздувается до размеров красного гиганта. Но эта фаза продлится недолго по космическим меркам,
примерно 10 % от своей «жизни». Как только звезда начнет испытывать недостаток гелиевого
топлива, она станет «переходить» на более тяжелые элементы, вплоть до углерода. Размеры звезды
резко уменьшатся, и она превратится небольшой тусклый звездоподобный объект под названием
белый карлик. В стадии белого карлика звезда будет находиться очень долго, для звезд массой 1
более 25 млрд лет, за это время температура звезды сравнивается сМ температурой окружающей
среды.
Белые карлики – результат эволюции звезд, похожих на Солнце. Они имеют массу, не превышающую
1,4 M (в среднем 0,6 M) , радиус в 100 раз меньше солнечного, и, следовательно, плотность в
миллион раз больше солнечной, порядка 106 г/см3. Светимость белых карликов в 100 или 1000 раз
меньше светимости Солнца (L ~ 10–2–10–3L ).
Красные гиганты – это холодные звёзды с температурой поверхности около Т = 3000К, большого
радиуса с высокой светимостью L ~ 1010–200 R2–104 ). Красные гиганты имеют маленькое ядро,
состоящее из гелия. Термоядерный синтез происходит в слое, а не в центре.
В процессе превращения из красного гиганта в белый карлик звезда может сбросить свои наружные
слои, как легкую оболочку, обнажив при этом ядро. Газовая оболочка ярко светится под действием
мощного излучения звезды.
Нейтронная звезда обладает значительным магнитным полем. Скорее всего, поле имеет дипольный
характер, а его ось наклонена к оси вращения нейтронной звезды. Система силовых линий
магнитного поля вращается с огромной угловой скоростью, с какой вращается сама нейтронная
звезда. На поверхности нейтронной звезды нейтроны могут распадаться на протоны и электроны.
Сильное магнитное поле подхватывает заряженные частицы и разгоняет их до околосветовых
скоростей. Частицы высоких энергий, отрываемые от поверхности нейтронной звезды и ускоряемые
сильным электрическим полем, создают поток, исходящий от нейтронной звезды и похожий на
солнечный или звездный ветер. Магнитное поле увлекает этот поток во вращение вместе о
нейтронной звездой. Так вокруг нее возникает расширяющаяся и вращающаяся магнитосфера.
Движущиеся электроны генерируют электромагнитные волны, которые излучаются узким
быстровращающимся пучком. Таким образом, источником энергии служит быстрое вращение
нейтронной звезды, которая совершает около 30 оборотов/с. Крабовидная туманность является
мощным источником синхротронного радиоизлучения.
Конечный этап развития звезды, масса которой больше 3m☼, поскольку масса нейтронной звезды не
может превышать указанное значение. Высказывают допущение, что такие звезды после перехода в
стадию сжатия продолжают его, превращаясь, наконец, в черные дыры.
Возможность существования черных дыр научно обосновал, лишь в начале XX века Альберт
Эйнштейн — один из создателей современной физики. А название — “черные дыры” — ученые
придумали еще позже, всего лет сорок назад (Дж. Уиллер – 1968 г.). В истории астрономии немало
открытий, сделанных сначала “на кончике пера” (то есть сначала вычислено и предсказано
теоретиками, а потом это открытие подтвердили астрономы-наблюдатели). Так были открыты
планеты Нептун (1846 год), Плутон (1930 год), маленькие сверхплотные нейтронные звезды (в конце
60-х годов нашего столетия). Вероятно, так же со временем будут открыты и черные дыры. О том,
что такие небесные объекты могут существовать во Вселенной, ученые догадывались давно. Почти
200 лет назад об этом писал французский физик, астроном и математик Пьер Лаплас. Ведь уже
тогда было известно, что для того, чтобы покинуть Землю, какое-либо тело, например космический
корабль, должно иметь скорость не менее 11 км/с. Это так называемая “вторая космическая
скорость”. Ее величина на Земле — 11,2 км/с, на Луне — 2,4 км/с, на Солнце — 600 км/с, на звездах
— белых карликах — 6000 км/с, на нейтронных звездах — 100000 км/с. Небесное тело, для
которого вторая космическая скорость будет не меньше скорости света (300000 км/с, эту скорость
сейчас принято считать самой большой из достижимых в природе), и есть черная дыра.
Теоретически ученые уже доказали, что они должны существовать, но их пока еще не нашли. По
мнению специалистов, черных дыр во Вселенной может быть очень много. Это выяснилось после
того, как стало понятно, что звезды рождаются, живут, стареют и умирают. Нет таких фотографий
черные дыры, потому что до сих пор никто из астрономов ни одной черной дыры не видел и не мог
их сфотографировать. И дело не в том, что у астрономов недостаточно хороши для этого телескопы,
а в том, что черные дыры... вообще увидеть невозможно. В отличие от Солнца и звезд, планет и их
спутников черные дыры — это небесные тела-невидимки. Они, словно заколдованные, обречены на
вечную невидимость. А “заколдовала” их одна из самых могущественных сил Вселенной — сила
тяготения. Эта сила удерживает планеты на орбитах вокруг Солнца, не дает Солнцу и звездам
рассыпаться на мелкие частички, не пускает Луну улететь прочь от Земли, заставляет брошенный
камень падать на Землю... Оказывается, сила тяготения в некоторых случаях, способна превращать в
черные дыры большие звезды или огромные массы вещества, скапливающиеся в центральных
областях галактик и черные дыры обладают способностью притягивать к себе окружающие их тела.
Но силы тяготения черных дыр сказочно, чудовищно велики: все, что окажется рядом с ними, они
притягивают к себе, и оторваться от них уже невозможно. Даже лучи света не могут вырваться из их
цепких объятий. И именно поэтому черные дыры невидимы.
IV. Закрепление изученного материала.
А). Решение задач.
1. Задача: На сколько худеет Солнце за 1 минуту?
2. Задача: Какая энергия поступает в оз. Песчаное, имеющее площадь 1,2 кв.км, в течение 1 минуты в
ясную погоду, если высота Солнца над горизонтом 45о, а через атмосферу проходит 80% солнечной
энергии? Когда Солнце на этой высоте?
3. Задача: Сравните количество энергии, которое выделяется при вспышке, с количеством энергии,
выделяющимся при взрыве мегатонной бомбы (410 Дж).
Б). Беседа по вопросам.
1. Откуда Солнце черпает неиссякаемый источник энергии?
2. Что такое протон-протонный цикл?
3. Как вычислить излучаемую Солнцем энергию, дефект массы?
4.Что представляет собой внутреннее строение Солнца?
5. Как происходит перенос энергии из недр на поверхность?
V. Домашнее задание: § 122.