ŹRÓDŁA ENERGII SŁONECZNEJ

Słońce jest oddalone od Ziemi o około 150 milionów kilometrów. Masa Słońca wynosi około 1,99 x 10³⁰ kilograma i stanowi 99,87% masy całego układu słonecznego. Temperatura efektywna powierzchni Słońca wynosi 5780 K. Z powierzchni Słońca emitowana jest ogromna ilość energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego. Przez wiele lat wysuwano hipotezy dotyczące źródeł energii promieniowanej przez Słońce. Dopiero rozwój fizyki jądrowej w latach 30-tych XX wieku przyniósł rozwiązanie tej zagadki. Stwierdzono, że promieniowana energia pochodzi z reakcji termojądrowych zachodzących we wnętrzu Słońca. Reakcje te mogą zachodzić ze względu na bardzo wysoką temperaturę i panujące tam ciśnienie. Reakcje te polegają na syntezie wodoru w hel. Są to reakcje wielostopniowe (rys. 1), każda taka reakcja powoduje wyzwolenie energii 3,9 x 10 ^-12 J, która jest około 10 milionów razy większa od jednostkowej reakcji powstającej w wyniku spalania w tlenie.

+e

+

¹H ¹H ²D v

+ γ

²D ¹H ³He

¹H

+

³He ³He ⁴He

¹H

- proton (p) - neutron (n)

Rys.1 . Schemat typowej reakcji termojądrowej, zachodzącej we wnętrzu

Słońca

Jeżeli przyjmiemy, że Słońce w momencie powstania składało się wyłącznie z wodoru i że przez cały czas emitowało na jednostkę czasu tyle energii co dziś, to całkowita zamiana wodoru w tlen nastąpi po stu miliardach lat. Jądra helu które powstają w wyniku syntezy pozostają we wnętrzu Słońca co powoduje stopniową zmianę jego składu chemicznego.

REAKCJE SYNTEZY JĄDROWEJ (drugi rodzaj reakcji egzoenergetycznych)

• W odróżnieniu od niezbyt zasobnych i trudno dostępnych złóż uranu składniki reakcji syntezy występują na Ziemi w nieograniczonej ilości (niezbędny izotop wodoru dostępny jest w wodzie oceanicznej);

• Produktami reakcji syntezy na ogół nie są nuklidy promieniotwórcze;

Rys. 2. Przemiany energetyczne w Słońcu

REAKCJE SYNTEZY W WARUNKACH ZIEMSKICH

Do zajścia reakcji syntezy na dużą skalę niezbędna jest temperatura równa rzędu milionów Kelwinów, materia w której zachodzi synteza musi być całkowicie zjonizowana, tworząc tak zwaną plazmę. Stan plazmy materiału, w którym ma przebiegać reakcja syntezy uzyskuje się powodując wybuch bomby uranowej, działającej jako zapalnik bomby wodorowej. Bardzo trudno jest przeprowadzić taką reakcję termojądrową w sposób kontrolowany. Obecne prototypy reaktorów termojądrowych nie spełniają warunków opłacalności eksploatacji.

+

+

Rys. 3. Schemat reakcji syntezy

Najważniejsze pojęcia:

Ciepło spalania - ilość energii uzyskanej z 1 kg masy danej substancji w reakcji spalania.

Fotosfera - najbardziej wewnętrzna część atmosfery słonecznej, od niej dociera promieniowanie do Ziemi.

Granule - niewielkie obszary powierzchni Słońca (średnica do 200 km) o temperaturze wyższej niż średnia temperatura powierzchni.

Konwekcja - sposób przekazywania energii wewnętrznej w cieczach i gazach, odbywający się poprzez przepływ energii.

Plama słoneczna - obszar na powierzchni Słońca o temperaturze niższej niż średnia temperatura powierzchni.

Protuberencje - wybuchy na powierzchni Słońca prowadzące do wyrzucenia gorącego gazu poza jego powierzchnię.

Reakcje termojądrowe (syntezy) - reakcje jądrowe polegające na łączeniu się lekkich jąder atomowych w cięższe.

Stała słoneczna - wartość strumienia energii dochodzącej ze Słońca do górnych warstw atmosfery ziemskiej.

Strumień energii - ilość energii przechodzącej na jednostkę czasu przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku jej rozprzestrzeniania się.

Temperatura efektywna - temperatura powierzchni ciała obliczona na podstawie obserwowanego strumienia emitowanej energii oraz prawa promieniowania ciała doskonale czarnego.

Wiatr słoneczny - strumień cząsteczek, w większości protonów, pochodzących ze Słońca i oddalających się od niego we wszystkich kierunkach.

Akcelerator - urządzenie służące do przyspieszania cząstek naładowanych elektrycznie.

Deuter, D - izotop wodoru, jego jądro składa się z neutronu i protonu.

Plazma - mieszanina zjonizowanych atomów i elektronów.

Tryt, T - izotop wodoru, jego jądro składa się z dwóch neutronów i jednego protonu.

Podręcznik strony 194 - 199;

Zadanie 1, strona 198 oraz zadanie 1, 2, 3 , strona 199;

Proszę przemyśleć w jaki sposób należy rozwiązać w/w zadania (omówimy je na chacie).

Energia jądrowa

Energia wewnętrzna

Energia promieniowania

---