دیدکلی

منشا انرژی تابشی خورشید و دیگر ستاره‌ها یک سری از واکنش‌های هسته‌ای انرژی‌زا است. اتمهایی که در‌ این واکنش‌ها در درون ستاره شرکت می‌‌کنند کاملا یونیده‌اند ، یعنی تمامی الکترونها از آنها کنده شده است. حیات بر روی زمین به واکنشهایی گرما هسته‌ای وابسته است که در مرکز خورشید روی می‌‌دهد و انرژی آزاد می‌‌کند که در نهایت به صورت گرما و نور از سطح خورشید خارج می‌‌شود. همجوشی خورشیدی نوعی واکنش گرما هسته‌ای است.

واکنش گرما هسته‌ای

برای رسیدن به واکنش همجوشی در مقیاس بزرگ نیاز به گازی در دمای فوق العاده بالا (پلاسما) است. که حرکت گرمایی کاتوره‌ای شدید سبب برخوردهای مکرر در سرعت زیاد می‌‌شود. این گونه واکنشهای همجوشی در پلاسما را واکنشهای گرما هسته‌ای گویند.

واکنش گرما هسته‌ای

مفاهیم پایه

از همجوشی هسته‌ای سبک به هسته‌ای سنگین‌تر ، ممکن است اختلاف انرژی‌های پیوندی آزاد شود. انرژی جنبشی دو هسته‌ای که بخواهند با هم برخورد کنند بایستی به قدر کافی زیاد باشد تا بر نیروی دافعه الکتریکی متقابل بین آنها غلبه کند.

این انرژی جنبشی ممکن است از درجه حرارت بالا همانند داخل ستاره‌ای ، یا از یک منشا غیر گرمایی همانند انرژی حاصل از برخورد ذرات پرتوی کیهانی یا شارهای (Flax) ذرات پرانرژی در جو ستارگان ، ناشی شود. واکنش های هسته‌ای که در دمای بالا انجام می‌شوند ، واکنش‌های گرما - هسته‌ای نام دارند.

واکنش گرما - هسته‌ای در ستارگان

فازهای اصلی تکامل ستاره ، از همجوشی گرما - هسته‌ای پروتونها به هسته‌های هلیوم He ، سپس هسته‌های He به هسته‌های کربن C و غیره ، مشخص می‌شود. برای مثال ، یک ستاره چگال با جرم 10 برابر خورشید ، در حدود 10⁴ مرتبه بیشتر از خورشید ، انرژی گسیل می‌کند.

ستاره ، چنین شارهای عظیمی از انرژی را توسط واکنش‌های گرما هسته‌ای ، در اعماق داخلی خود ، بطور تدریجی با تبدیل هیدروژن H به هلیوم He و سپس عناصر سنگین‌تر تا رسیدن به آهن Fe ، و هم زمان ، انرژی آزاد شده توسط پیوند را تولید می‌کند.

نتایج نوین واکنش گرما - هسته‌ای

واکنش‌های گرما هسته‌ای در نواحی داخلی ستاره ، دارای تاثیر دوگانه‌ای هسته‌اند:

• اتم‌های سنگین‌تر از هیدروژن اولیه ، از آن تولید شده و شوند «هسته سازی Nucleo Synthesis ).

• انرژی پیوندی آزاد شده ، به تابش هسته‌ای تبدیل می‌شود.

• عمر ستارگان و وجود کلیه عناصر شیمیایی (به استثنای عناصر سبک) ، نتیجه روی دادن برهمکنش‌های قوی بین نلکئونها در اعماق داخلی ستارگان است.

• ساختمان و تکامل ستارگان ، و نیز تشکیل عناصر سنگین‌تر به واکنش‌های گرما هسته‌ای مربوط است.

دمای لازم برای شروع همجوشی باید در حدود دمای مرکز خورشید ، 15x10 6 کلوین یا بیشتر باشد.

زنجیر پروتون – پروتون

خورشید راکتور هسته‌ای عظیمی است که در آن هسته‌های هیدروژن موجود به هم جوش می‌‌خورند ، تا هسته‌های هلیوم حاصل شوند. این سوخت گرما هسته‌ای هیدروژن ، فرایندی سه مرحله‌ای را می‌‌پیماید که به آن زنجیره پروتون - پروتون می‌‌گویند.

مراحل مختلف زنجیره پروتون - پروتون

مرحله اول

مرحله اول شامل همجوشی دو پروتون است که به تشکیل یک دوتریوم و بیرون انداختن همزمان یک پاد الکترون و یک نوترینو ختم می‌‌شود. پاد الکترون تقریبا بلافاصله با یکی از بیشمار الکترونها موجود در پلاسما برخورد می‌‌کند و با آن الکترون نابود می‌‌شود و به گسیل دو پرتو گاما می‌‌انجامد.

(H + ¹H →²H+e+γ (1.19mev¹

مرحله دوم

مرحله بعدی شامل همجوشی هیدروژن با دوتریوم و تولید هلیوم 3 است.

(H + ²H →³H+e+γ (1.19mev¹

مرحله سوم

عبارت است از همجوشی دو هسته هلیوم 3 که به تشکیل هلیوم معمولی (هلیوم4) و بیرون اندازی همزمان دو پروتون پر انرژی ختم می‌‌شود. چون در مرحله پایانی به دو دسته هلیوم 3 نیاز است ، برای آنکه مرحله پایانی بتواند یکبار روی دهد، لازم است که مراحل پیشین دوبار قبلا روی داده باشند. به ‌این ترتیب زنجیره پروتون – پروتون چهار پروتون مصرف می‌‌کند تا یک هسته هلیوم 4‌ ایجاد کند.

نوترینو حاصل در مرحله اول

در مرحله اول زنجیره پروتون - پروتون نوترینو آزاد می‌‌شود. به این ترتیب ، مرکز خورشید نه تنها منبع گرماست، بلکه چشمه شار فراوانی از نوترینو‌ها هم هست. چون بر همکنش نوترینوها با ماده خیلی ضعیف است ، ماده موجود در خورشید (و در زمین) برای نوترینوها تقریبا شفاف است ، واین ذرات بدون هیچ مانعی از مرکز خورشید به خارج جاری می‌‌شوند.

چرخه کربن

سوزاندن گرما هسته‌ای هیدروژن داخل خورشید ممکن است از طریق یک فرآیند شش مرحله‌ای که به آن چرخه کربن گویند، انجام پذیرد.

(¹H+¹²C ¹³N+γ (1.95MeV

(¹³N→¹³C+-e+r(2.22 MeV

(¹H+¹³C→¹⁴N+γ (7.54 MeV

(¹H+¹⁴N→¹⁵O+ (7.35 MeV

(¹⁵O→¹⁵N+-e+γ (2.71 MeV

(¹¹H+¹⁵N→¹⁴C+⁶He (4.96 MeV

فرآیند غالب در خورشید

در خورشید ، فرایند همجوشی غالب همانا زنجیره پروتون – پروتون است ، اما در ستارگان داغتر از خورشید ، فرایند غالب چرخه کربن است. دلیل تغییر فرایند غالب این است که در دماهای معمولی بالاتر (و سرعتهای بالاتر) برای پروتون تسلط برسد قوی کولنی کربن 12 ساده تر می‌‌شود ، و این امر منجر به این می‌‌شود که واکنش در مرحله اول چرخه کربن ، با آهنگ سریعتری انجام پذیرد.

در آخرین مرحله مجددا کربنی تولید می‌‌شود که در مرحله اول تخریب شده است. به این ترتیب کربن یک چرخه را از سر می‌‌گذراند ، کربن صرفا به عنوان یک کاتالیزور عمل می‌‌کند که مقدار متوسط آن ثابت می‌‌ماند. انرژی آزاد شده به ازای هر پروتون مصرفی تقریبا برابر زنجیر پروتونی است.