Model Słońca

Potęga energii słonecznej stanowiła tajemnicę od czasu , gdy człowiek po raz pierwszy spojrzał w rozjaśnione niebo w ciągu dnia i zastanawiał się nad przyczyną pozornie niewyczerpalnego źródła światła i ciepła .

Nie powinno nikogo dziwić , że w jakimś okresie dziejów ludzie wszystkich ras czcili Słońce, naszą najbliższą gwiazdę , która z niezmącona regularnością darzy nas światłem i ciepłem , które umożliwia wzrost plonów i zmienia noc w dzień i ma z pewnością wiele atrybutów boskich . Również cała współczesna wiedza zawiera wiele sugestii dotyczących procesów zachodzących we wnętrzu i na powierzchni Słońca, które są źródłem jego niezwykłej potęgi .

Najłatwiejszym do zaobserwowania rodzajem promieniowania dochodzącego do Ziemi jest światło , jest ono jednak wycinkiem ogromnego strumienia informacji ze Słońca . Przecież odczuwamy promieniowanie podczerwone , które rozpoznajemy jako ciepło , czy też skutki promieni UV odpowiedzialnych za opaleniznę . Stwierdzono doświadczalnie , że do Ziemi docierają fale z praktycznie całego zakresu częstotliwości . Atmosfera ziemska musi wciąż odpierać napór szkodliwego dla organizmów żywych promieniowania rentgenowskiego, a strumienie słonecznej plazmy wywołują w jej górnych warstwach m.in. zjawiska zorzy polarnych .

W roku 1927 Arthur Eddington zasugerował , że źródłem słonecznej energii może być przemiana jednego z pierwiastków w drugi . (Podstawową przesłanką powstałej hipotezy było stwierdzenie , że Słońce składa się głównie z wodoru i helu ). Pod dostatecznie wysokim ciśnieniem i przy odpowiedniej temperaturze atomowe jądra wodoru mogą się łączyć tworząc jądro helu . Skutkiem takiej syntezy jest wyzwalanie się gigantycznych ilości energii . Obliczenia wykazywały , że jeśli wodór będzie " spalany " w ten sposób , wówczas proces ten będzie trwał kilkanaście miliardów lat .

Sformułowana przez Eddingtona teoria syntezy termonuklearnej została udoskonalona przez amerykańskiego fizyka Hansa Bethe , który doszedł do wniosku , że niewielka ilość jąder węgla w Słońcu może działać jako swego rodzaju samopowielający się katalizator , wspomagający syntezę wodoru . Model ten stanowi podstawę współczesnej hipotezy wyjaśniającej wytwarzanie energii wewnątrz gwiazd .

Logiczną konsekwencją takiego opisu słonecznej dynamiki jest model jego wewnętrznej budowy , którego nigdy nie będzie można bezpośrednio zweryfikować . Głęboko we wnętrzu Słońca , przy niezwykle wysokiej temperaturze i pod ogromnym ciśnieniem , odbywa się synteza wodoru . Atomy tego pierwiastka zbliżają się do siebie w temperaturze 15 000 000 o C , tworząc materię dwunastokrotnie gęstszą od ołowiu . W tych niewyobrażalnych warunkach energetycznych nieustannie i w sposób kontrolowany eksploduje coś , co jest w istocie olbrzymią bombą wodorową .

Skąd Słońce bierze paliwo do wytworzenia tego promieniowania ?
Wiadomo że energia nie może powstać z niczego , określono więc , że jej źródłem jest po prostu materia , z której zbudowane jest Słońce .
Jak wiadomo wszystko składa się z atomów , a te z jądra i krążących wokół niego elektronów Zaś jądro składa się z protonów i neutronów . Poza tymi składnikami materii istnieje istnieje jeszcze wiele innych cząstek , a wśród nic tajemnicze neutrino . Najbardziej powszechnym pierwiastkiem we wszechświecie jest wodór . Posiada on trzy izotopy , to znaczy odmiany różniące się ilością neutronów w jądrze . Na przykład : zwykły wodór (H) składa się z protonu i krążącego wokół niego elektronu , to deuter (D) zawiera w jądrze dodatkowy neutron ( elektrycznie obojętny , więc nie zmienia ładunku atomu ) , a tryt aż dwa takie neutrony . Drugim , mniej powszechnym pierwiastkiem jest hel , mający w normalnej postaci dwa neutrony i protony w jądrze , jednak w procesach energetycznych wewnątrz Słońca bierze udział głównie jego izotop z jednym neutronem .

Zatem te dwa pierwiastki są głównymi składnikami Słońca . W wyniku reakcji nuklearnych we wnętrzu gwiazdy atomy zmieniają swój skład . Jądra pierwiastków o wielu protonach i neutronach mogą się rozpadać , a te z mniejszą ich ilością łączyć się w większe jądra .

Podczas zderzenia dwóch jąder atomów wodoru ładunek jednego z nich przekazany zostaje emitowanemu podczas reakcji pozytonowi (cząstka o cechach elektronu , ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego - e+ ) , wskutek czego " staje " się on neutronem i wraz z drugim protonem tworzy jądro deuteru . Dodatkowo podczas reakcji powstaje neutrino (u) .
Jeżeli rozpędzony pozyton napotyka na swej drodze jeden z wielu swobodnie poruszających się elektronów (we wnętrzu gwiazd atomy utraciły prawie wszystkie , więc wraz z jonami przemieszczają się one swobodnie względem siebie ) anihiluje z nim emitując porcję energii .
Z kolei jeśli z powstałym w poprzedniej reakcji deuterem zderzy się kolejny proton , cząstki połączą się w atom 3He (dwa protony i neutron ) , a w przestrzeń zostanie wydzielony kolejny kwant promieniowania .

Atomy izotopu 3He nie występują w Słońcu zbyt licznie . Powodem tego jest to , że prawie natychmiast , zderzając się między sobą łączą się w większe atomy innego izotopu 4He . Wskutek zderzenia wytrącane są w przestrzeń dwa protony . Koło reakcji więc zamyka się ....
Jest to tzw. Proces proton - proton .

Stwierdzono doświadczalnie , że masa jądra 4He jest nieco mniejsza od masy czterech protonów . Zgodnie z równaniem Ensteina łączącym masę i energię , brakująca masa musiała wypromieniować . Jej częścią była masa uciekającego pozytonu , który jednak szybko oddał ją wszechświatowi jako energię przy anihilacji z elektronem . Inna porcja energii została oddana podczas powstawania jądra 3He . Tak więc w ogromnej elektrowni jądrowej , jaką jest Słońce , podczas przemiany wodoru w hel zostaje wypromieniowana na zewnątrz energia powstała z masy cząstek .

W gwieździe zachodzi równolegle wiele innych , bardziej skomplikowanych procesów . Nie mają one większego znaczenia dla bilansu energetycznego , należałoby przedstawić jeszcze jedną , złożona reakcję . Jest to proces , w którym powstają cięższe pierwiastki .
Podczas zderzeń jąder dwóch izotopów helu powstaje izotop berylu 7Be (oraz pewna ilość energii )
Po kolejnym zderzeniu z jądrem pojedynczego atomu wodoru beryl siedem przekształca się w nowy pierwiastek - bor . Ten ostatni z kolei po wyemitowaniu kwantu energii zmienia się z powrotem w beryl (nowy izotop 8Be ) i wydaje w przestrzeń cząstki : pozyton i neutrino
(jest to możliwe dzięki rozpadowi b (beta) .
Oba procesy są bardzo ważne właśnie ze względu na tę ostatnią cząstkę .
Podczas wielu reakcji tego typu produkowane są duże ilości wysokoenergetycznych neutrin , które unoszą ze sobą część energii (masy) Słońca .

Czym jest neutrino ?
Jak powiedział F. Reines jest to " .... najmniejsza ilość rzeczywistości jaka kiedykolwiek wyobraził sobie człowiek " . Dlatego ta cząstka nigdy nie przestanie zadziwiać i przyprawiać o zawrót głowy tych , którzy podejmą się jej detekcji .