www.ASTROLAB.ru

ASTROLAB.ruВселеннаяЭволюция вселенной и проблемы энергии
ГлоссарийФото космосаИнтернет магазинКосмос видео



Эволюция вселенной и проблемы энергии
Версия для печати

Глинистый Антон Валерьевич

Введение

Энергия никуда не исчезает и ниоткуда не появляется, она лишь переходит из одного вида в другой в равных количествах.

Для любых видов жизнедеятельности на планете, а также деятельности человечества нужна энергия. Она нужна в промышленности, для перемещения, отопления, электрификации и т.д. Солнце - бесплатный источник энергии. Оно поспособствовало зарождению жизни на Земле и . Лучистая энергия солнца частично отражается от атмосферы и поверхности. И небольшая её доля консервируется растениями в виде нефти, углеводов, угля, и т.д. Спустя время люди пользуются ископаемыми органическими энергоресурсами, пользуются энергией солнца законсервированной в них.

В данной статье мы рассмотрим и предположим:

1) Откуда берётся энергия? И что является её первоисточником?

2) Уменьшение с течением времени массы вселенной.

3) Что ожидает вселенную в будущем?

Энергия, излучаемая звёздами

В ходе термоядерных реакций внутри солнца реагирующее вещество теряет часть своей массы и превращается в другое вещество, при этом выделяется колоссальное количество энергии. Основная масса самосветящегося вещества во вселенной состоит из звёзд. Во всех звёздах за вычетом нейтронных и чёрных дыр имеют место реакции такого типа.

Сумма масс нуклонов больше массы ядра. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Энергия покоя частицы связана с её массой соотношением E0=mc2. Следовательно, энергия покоящегося ядра меньше суммарной энергии невзаимодействующих покоящихся нуклонов на величину:

Eсв=c2((Zmp+(A-Z)mn)-mя)

Эта величина и есть энергия связи нуклонов в ядре. Она равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они почти не взаимодействуют друг с другом.

Энергия связи, приходящаяся на 1 нуклон, т.е. Eсв/A называется удельной энергией связи нуклонов в ядре.

Величина ∆=(Zmp+(A-Z)mn)-mя называется дефектом массы ядра.

Дефект массы связан с с энергией соотношением: ∆=Eсв/c2 (чем больше дефект массы, тем стабильней ядро).

Для сравнения приведу массы рассматриваемых частиц в энергетическом эквиваленте (E=mc2), в данном случае это будет удобней.

Протон (р) обладает зарядом +е и массой mp=938,28 МэВ. Масса позитрона(электрона) равна me=0,511 МэВ. Из сопоставления следует, что mp=1386 me.

Нейтрон (n) имеет нулевой заряд, а масса mn=939,57 МэВ очень близка к массе протона.

Разность масс нейтрона и протона mn-mp составляет 1,3 МэВ, т.е. 2,5me.

Вычислим энергию связи нуклонов в ядре 42He, в состав которого входят два протона(Z=2) и два нейтрона(A-Z=2). В этом случае можно взять вместо массы ядра массу атома, т.к. 2 электрона общую картину не исказят. Масса атома 42He равна 4,0026 а.е.м., чему соответствует 3728 МэВ. Масса атома водорода 11H равна 1,00815 а.е.м (938,7 МэВ). Масса нейтрона 939,57 МэВ.

Получаем: Eсв=(2*938,7+2*939,5)-3728=28,4 МэВ

В расчёте на один нуклон энергия связи ядра гелия составляет 7,1 МэВ. Для сравнения - энергия связи валентных электронах в атомах имеет величину в 106раз меньшую (порядка 10эВ). Для других ядер удельная энергия связи имеет примерно такую же величину, как у гелия.

Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами порядка 50-60 (т.е. для элементов от Cr до Zn).С ростом А удельная энергия связи постепенно уменьшается; для самого тяжёлого природного элемента - урана - она составляет 7.5 МэВ/нуклон.

Такая зависимость удельной энергии от массового числа делает энергетически возможными два процесса:

1) Деление тяжёлых ядер на несколько более лёгких

2) Слияние (синтез) лёгких ядер в одно более тяжёлое

Оба процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии.

На графике изображена зависимость удельной энергии связи Eсв/A от массового числа А.



При зарождении звезды из газопылевого облака частицы сталкиваются, притягиваются гравитацией, постепенно масса скопления растёт, растут силы гравитационного притяжения, гравитация сжимает будущую звезду, увеличивается плотность. Из термодинамики известно, что чем больше плотность системы, тем больше её температура. С ростом температуры настаёт такой момент, когда внутри звезды создаются все условия для протекания термоядерных реакций, вещество переходит в состояние плазмы, в этот момент она и вспыхивает. Внутри запускается «термоядерный реактор».

Такие звёзды, как наше солнце в основном состоят из водорода и гелия - самых лёгких химических элементов. Термоядерные реакции проходят двумя способами: посредством водородного(протон-протонного или p-p цикла) и углеродно-азотного цикла(CN). В ходе водородного цикла в ядре звезды водород преобразуется в гелий. Ядра лёгкого изотопа водорода(протия) представляют собой единичные протоны. Ядра гелия - это альфа частицы, то есть соединённые между собой два протона и два нейтрона. В условиях высокой температуры в ядре частицы(например протоны) движутся с очень высокими скоростями и часто сталкиваются. Чтобы преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием, ядра с порядковыми номерами Z1 и Z2 должны обладать энергией E=Z1Z2e2/rя. Где rя- радиус действия ядерных сил, равный ~2*10-13 см. В нашем случае эта энергия E=e2/rя=(4,8*10-10)/2*10-13=0,7 МэВ. При столкновении выделяются 2 частицы: нейтрино и позитрон, один из протонов превращается в нейтрон. Образуется протонно-нейтронная пара - ядро дейтерия. Реакция имеет вид: H+ H = D + e+ + ne, где Н - протон или ядро водорода, D - ядро дейтерия или протонно-нейтронная пара, e+ - позитрон, ne - нейтрино. Нейтрино обладает нулевой массой (или несоизмеримо маленькой по отношению к протонам и позитронам).

Протонно-нейтронная пара может затем соединится ещё с одним протоном и образовать ядро лёгкого гелия, имеющее только один нейтрон, вместо двух: D + H = 32He. Дальше возможны 2 равновероятных пути:

1) Столкновение 2 ядер лёгкого гелия и превращение их в устойчивую альфа частицу (ядро гелия) 42Не, с испусканием двух протонов. 32He + 32He = 42He + 2H

2) И столкновение ядра лёгкого гелия с протоном. В результате появляется такая же устойчивая альфа частица. 32Не + Н = 42Не.

Иначе говоря, солнце может склеивать между собой четыре протона, образуя ядро гелия и одновременно выделяя огромное количество энергии, которая представлена в виде кинетической энергии частиц-продуктов.

В молодых звёздах, состоящих из лёгких элементов водородный цикл преобладает над углеродным. Углеродный цикл возможен и проходит в звёздах, которые преобразовали значительную часть водорода в гелий, затем ядра гелия при высоких температурах объединяются в ядра более тяжёлых элементов (4He+4He=8Be, 8Be+4He=12C), в так называемые элементы углеродного цикла (собственно углерод, кислород, азот и т.д.), они в свою очередь превращаются в еще более тяжелые элементы (магний, кремний и т.д.) вплоть до железа. Так же углеродный цикл очень медленно проходит в коричневых карликах. Коричневые карлики - звёзды внутри которых либо слишком малое давление, чтобы запустить водородный цикл, либо весь водород выгорел, но образование новой звезды со сбросом оболочки не произошло. В белых карликах наоборот идёт интенсивный углеродный цикл, а водородного почти нет, поскольку практически весь водород выбрасывается вместе с оболочкой при взрыве.

Исходными составляющими в углеродном цикле являются: ядро углерода-12 (12С), и 5 протонов (ядер протия). Продукты: ядро углерода-12, альфа частица и протон. Углеродный цикл сложней водородного. Вначале к углероду-12 присоединяется протон, в результате появляется углерод-13 и выделяется позитрон:  12С + Н = 13С + е+. Дальше процесс повторяется несколько раз с получением новых изотопов элементов:

13С + Н = 14N + е+

14N + Н = 15O+ е+

15О + Н = 16О+ е+

16О + Н = 17F+ е+

Дальше 17 изотоп фтора распадается на 12 изотоп углерода, альфа частицу и протон.

17F = 12C +42He + H

Можно заметить, что как и в водородном цикле так и в углеродном 4 протона превращаются в альфа-частицу с выделением огромного количества энергии, поэтому углерод в данной схеме можно назвать катализатором. С другой стороны любое из этих ядер (12С, 13С,14N, 15O, 16О,17F) может образоваться каким-либо другим путём и быть задействованным в превращении водорода в гелий. Для протекания углеродного цикла нужна большая концентрация углерода, но требуется меньшая энергия протонов.

Чем массивнее звезда тем жарче она горит, тем сильнее светит и меньше живет. К примеру, каждую секунду солнце перерабатывает 600 млн тонн водорода в 4 млн тонн гелия.

Если масса звезды не превышает 1,3 солнечных масс, то в конце своей эволюции она раздувается в красный гигант. Затем  внешние слои, состоящие из лёгких элементов сбрасываются в окружающее пространство, образуя планетарную туманность, а звезда через некоторое время остынет и станет белым карликом. Планетарные туманности могут принимать различные формы, которые им придаёт магнитное поле звезды-хозяина. В белых карликах имеет место интенсивный углеродный цикл, а водородного почти нет, поскольку практически весь водород выбрасывается вместе с оболочкой при взрыве.

Расчёты моделей звёзд показали, что водорода в ядрах гигантов и сверхгигантов практически уже нет, и что температуры в их недрах достигают сотен миллионов градусов. Источником энергии этих звёзд(их массы в несколько раз превышают массу Солнца) являются реакции превращения гелия в углерод по схеме:

34He=12C

Эта реакция получила название «тройной альфа-процесс» или реакции Солпитера. В этих реакциях на грамм «горючего» выделяется примерно в десять раз больше энергии, чем при реакциях «выгорания» водорода. Расчёт показывает, что звезды этого типа расходует запасы гелия примерно за 10 миллионов лет. После этого, если их масса достаточно велика, ядро звезды сжимается, так что температура достигает в нём 500 млн. кельвинов. На протяжении нескольких сотен тысяч лет происходит реакция синтеза более сложных атомных ядер по схеме:

12C+4He=16O

16O+4He=20Ne

20Ne+4He=24Mg

В этом случае каждый последующий элемент образуется путём прибавления к предыдущему альфа-частицы. Но при температуре больше 3 млрд. градусов происходят реакции между ядрами тяжёлых элементов:

12C+12C=23Na+1H

12C+12C=20Ne+4He

16O+16O=32S

и т.д. вплоть до образования железа. Кроме того, в глубоких недрах звезды происходят также реакции типа:

12C+12C=23Mg+n

16O+16O=31S+n

которые также являются поставщиками свободных нейтронов. Врезультате в недрах звезды создаются условия для протекания так называемого s-процесса (от английского slow - медленный) - процесса захвата нейтронов атомными ядрами. Попадая в ядро, нейтрон превращается в протон раньше чем это ядро захватит ещё один нейтрон и станет устойчивым изотопом. Благодаря этому процессу образуются ядра всё более тяжёлых (после железа) химических элементов вплоть до висмута (209Bi).

Переход от одного источника энергии к другому сопровождается гравитационным сжатием ядра звезды, при котором его температура повышается. Выход энергии (в расчёте на один грамм вещества за секунду) по мере роста температуры непрерывно возрастает.

Когда достаточно массивная (с массой больше 1,3 масс Солнца) звезда завершает свою эволюцию она также увеличивается в размере(и классифицируется как красный сверхгигант), в ее центре образуется ядро, состоящее из тяжелых элементов. Его структура похожа на луковицу: самые тяжелые находятся внутри и окружены оболочками из более легких элементов.

Если температура в недрах звезды меньше миллиона градусов, то перенос энергии от ядра звезды к её поверхности осуществляется главным образом фотонами. При более высоких температурах основную часть энергии уносят нейтрино. Это приводит к потере устойчивости и всё ускоряющемуся сжатию ядра звезды - коллапсу. Начавшееся сжатие ядра массивной звезды всё ускоряется во времени и, в конечном итоге, приводит к взрыву звезды - явлению, которое называется «вспышкой сверхновой». Во время самой вспышки синтез ядер химических элементов продолжается: происходят реакции r-типа (от rapid - быстрый). Это быстрые цепные реакции, при которых происходит захват атомными ядрами нейтронов и образование ядер более тяжёлых химических элементов с атомной массой до 270(в том числе урана и тория). Продолжительность процесса в каждом случае не превышает 100 секунд.

Одновременно с этим воболочках сверхновых, где плотность вещества составляет около 100г/см3, а температура - несколько миллионов градусов, происходит и так называемый p-процесс - захват протонов ядрами тяжёлых элементов с возможным «излучением» нейтронов. После взрыва сверхновой центральная часть ядра превращается в сверхплотный объект - нейтронную звезду, а оболочка звезды и внешние части ядра с высокой скоростью выбрасываются в пространство (часть оболочки может оказаться захваченной гравитационным полем ядра, и затем выпадет обратно, потеряв около 50% своей массы, которая излучится в виде рентгеновского излучения, немного увеличив массу нейтронной звезды и изменив химический состав внешних слоев). Такой сброс оболочки, сопровождается чрезвычайно сильным и быстрым увеличением светимости звезды (некоторое время она одна светит как целая галактика).

Потеря массы в двойных звёздных системах. Аккреционное свечение. «Новые» звёзды.

Около половины звёзд главной последовательности и около 70% верхней части диаграммы Герцшпрунга-Рессела объединено в кратные(двойные и тройных звёздные системы) звёздные системы, где две звезды вращаются вокруг общего центра масс. Если в двойной звёздной системе одна из звёзд вырастает(захватывая околозвёздное вещество или переходя в стадию гиганта) настолько, что заполняет свою полость роша. То часть вещества с её поверхности начинает перетекать на звезду-напарника через точку L1 (внутреннюю лагранжеву точку), а часть уходит в межзвёздное пространство через L2 (внешнюю точку лагранжа). Перетекающий на вторичную компоненту газ имеет вращательный момент, поэтому вещество падает не прямолинейно а закручивается по спирали в диск называемый аккреционным. При соприкосновении падающего вещества с поверхностью около половины его массы теряется, переходит в излучение(преимущественно рентгеновское) по схеме mc2=hnvср, где m - масса “исчезнувшего” вещества, c - скорость света, h - постоянная Планка, vср - усреднённая частота излучения, n - количество квантов(то же явление наблюдается при падении вещества на чёрную дыру).

Укладывание на вторичную компоненту дополнительных слоёв вещества приводит к повышению температуры её недр и всё возрастающему выделению энергии, заканчивающееся взрывом. Во время вспышки новой, светимость системы увеличивается в 100-1000000 раз, естественно “исчезает” часть массы системы.

Гравитация, как первоисточник энергии.

Энергия, проявления которой наблюдает и использует человечество - энергия преобразованная из энергии большого взрыва, энергия “исчезнувшей” в дальнейшем массы. В начальный момент(до взрыва) всё вещество вселенной находится в точке с очень малым объёмом, имеет массу и обладает только потенциальной энергией (численно очень большой). Предположительно первоматерия состояла целиком из водорода, с течением времени под действием именно гравитации из неё сформировались первые звёзды, предположительно состоящие из водорода и выделящие энергию подобно солнцу.

Лучистая энергия звёзд выделяется в термоядерных реакциях. В результате реакции теряется часть массы системы, в нашем случае - звезды. Так как масса и гравитация прямо пропорциональны, то очевидно, что первоисточником лучистой энергии звёзд является гравитация.

Далее эта энергия распространяется во всех направлениях в виде электромагнитного, нейтринного и др видов излучения. Такая энергия, выработанная солнцем достигает земли, частично отражаясь атмосферой. На земле она расходуется на нагрев поверхности, а что самое важное - способствует фотосинтезу. Солнечный свет - обязательное условие для жизни большинства растений, эти растения в свою очередь посредством фотосинтеза выделяют кислород, необходимый для существования иных организмов. Также они под воздействием излучения синтезируют из простых неорганических веществ более сложные органические. После гибели этих растений энергия - запасённая в химических связях молекул этих веществ энергия “складируется” в виде нефти, угля и т.д. Нефть, уголь и газ в свою очередь сжигаются людьми для получения тепловой энергии, которую при необходимости можно превращать в механическую, электрическую и любую другую. Также если растения употребляются в пищу какими-либо другими организмами, иными словами это обмен веществ и энергообмен.

Рассмотрим ещё один пример использование человеком энергии преобразованной из гравитационной, “путь” энергии от момента рождения в звезде до высвобождения её человеком в ядерном реакторе. В ядерных реакторах чаще всего “сжигают” уран, реже торий и плутонийвзамен получая энергию. Уран в небольшом количестве содержится в земной коре. Он в небольших количествах содержался в веществе, из которого сформировалась солнечная система. Это вещество - ничто иное как остатки сверхновой, из этих остатков и сформировалось солнце и солнечная система. Взрыв сверхновой и синтезировал уран и прочие тяжёлые элементы. Можно сказать что часть энергии взрыва запечаталась в атоме урана, и потом в реакторе эта энергия высвобождается.

Энергия приливов-отливов - прямое воздействие на воду гравитации(лунной). Тепловая энергия - энергия преобразованная из лучистой(солнечной), а солнечная - из гравитационной. И так далее...

Заключение

Все проявления энергии, нами наблюдаемые и используемые в результате многих преобразований получены из потенциальной энергии (гравитационной). Масса вселенной непрерывно уменьшается, вещество превращается в излучение, происходит металлизация вселенной. Масса убывает в звёздах, также при падении раскалённого газа на поверхностьзвезды(аккреционное свечение), вспышках новых. Возможно Вселенная целиком будет состоять из нейтронных звёзд, белых карликов, чёрных дыр или их скоплений, в которых прекратятся какие-либо реакции. С момента большого взрыва вселенная расширяется. Если её плотность больше некой «критической», то процесс расширения будет замедляться под действием гравитации, и вселенная снова сожмётся в сверхплотный объект. Рассмотрев процессы исчезновения массы и их интенсивность, всё менее вероятным кажется, что вселенная достаточно плотная для обратного сжатия. Это значит что линейные размеры её постоянно увеличиваются, что в будущем попрепятствует освоению дальнего космоса.

Литература:

1) Савельев И.В. - Курс общей физики

2) Климишин И.А. - Астрономия наших дней

3) Шкловский И.С. - Звёзды, их рождение и смерть

4) Агекян Т.А. - Звёзды, галактики, метагалактика



Visotsky Consulting. Информация о компании. Новости.



??????.???????