יום רביעי, 15 בדצמבר 2010

מה מפעיל את השמש?

אחד הדברים היפים ביותר באסטרופיסיקה הוא שהעצמים הגדולים ביותר שקיימים, כלומר הכוכבים, מתנהלים על פי החוקים שמכתיבים העצמים הזעירים ביותר, האטומים. אתם מוזמנים להכניס תובנה חברתית כראות עיניכם.

המשך מעבר לקיפול...



Credit: Steve Jurvetson
הכוכבים אינם מה שהם נראים. אלפי שנים התחבטו אנשים במהותן של נקודות האור שבשמיים. האם הם חורים במעטה הליל העוטף את הארץ או שמא נרות המסמלים את הנבחרים שבגיבורים שנספו? במהלך השנים התברר שהכוכבים הם שמשות דומות לשמש שמאירה את יומנו, וכשהחלו תצפיות ספקטרומטריות (שמודדות את אורכי הגל של האור הנקלט) הוכח שהשמש עשויה מאותם חומרים כמו שאר הכוכבים. למרות זאת המנגנון שמפעיל את השמש נותר עלום. שום מקור אור וחום טבעיים לא יכולים ליצור כל כך הרבה אור וחום למשך כל כך הרבה זמן בלי להתכלות לחלוטין.

בתחילת המאה העשרים החלו מדענים להבין את הפיסיקה הגרעינית; עוצמת האנרגיה הגלומה בכוחות המחזיקים את גרעין האטום כמקשה אחת החלה להתברר. רק בשנות השלושים של המאה העשרים, הוצע שתגובת היתוך גרעיני היא הכוח שמניע את השמש והכוכבים. בניגוד לתגובת ביקוע (התגובה המתרחשת בכורים גרעיניים ובפצצות אטום), שבה גרעין של אטום כבד כמו אורניום או פלוטוניום מתפרק לגרעיני אטומים קלים יותר תוך שחרור אנרגיה אדירה, בתגובת היתוך מתמזגים גרעיני אטומים קלים כמו מימן ויוצרים גרעיני יסודות כבדים יותר כמו הליום. בתהליך ההיתוך משתחררת אנרגיה גבוהה הרבה יותר מאשר בתגובת הביקוע.


תהליך ההיתוך הגרעיני התרחש על פני כדור הארץ בניסויי פצצות מימן, ונעשים מאמצים לפתח כור היתוך גרעיני שיהיה מסוגל לשמור על תהליך היתוך יציב לאורך זמן ולהפיק אנרגיה זולה. בליבת השמש מתרחש תהליך של היתוך גרעיני כמו בפצצת מימן, אבל באופן רצוף כבר 4.6 מיליארדי שנים, הודות לכמות המימן העצומה שבה.


המימן הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום. כ- 75% מהאטומים ביקום הם אטומי מימן. 
מימן הוא בסך הכל פּרוֹטוֹן אחד שאלקטרון בודד נע סביבו.
השמש שלנו היא למעשה ערימה ענקית של מימן, שהלכה והצטברה כתוצאה מהכבידה שלה עצמה. ככל שהצטבר יותר חומר, כך גדל כוח הכבידה שלה ויותר חומר נמשך והצטרף אליה. המימן הוא גז*, וכאשר הוא נדחס במעבה השמש (כתוצאה מהכבידה) הוא מתחמם, כדרכו של כל גז דחוס. כשהלחץ עולה, עולה גם הטמפרטורה - אטומי המימן "משתוללים" ומתנגשים יותר ויותר זה בזה.
הפועל "מתנגשים" הוא לא ממש מדוייק. מאחר וגרעיני המימן הם בעלי מטען חשמלי חיובי, מתקיימים כוחות דחייה בין שני גרעיני מימן שמתקרבים זה לזה וההתנגשות נמנעת. כוכב שאוסף לפחות 165,000,000,000,000,000,000 מיליון טונות (165 קוואדריליון טונות) של מימן, מייצר לחץ כל כך גדול במרכזו שהטמפרטורה בליבה תגיע למיליוני קלווין (או מעלות צלזיוס, כבר לא ממש משמעותי במספרים הללו). בטמפרטורה של בערך 10 מיליון קלווין ייכנע כוח הדחייה החשמלי, וגרעיני המימן יוכלו להתקרב מספיק זה לזה כדי שתגובת ההיתוך תתחיל. כך נולד כוכב חדש.


Credit: NASA

בתגובת היתוך מתמזגים ארבעה פרוטונים (ארבעה מימנים) לגרעין הליום אחד (שני פרוטונים ושני נויטרונים)**. בכל תגובה כזאת, כמות קטנה של מסה מומרת לאנרגיה. האנרגיה היא אדירה יחסית למסה, ואת זה מקבלים מהנוסחה המפורסמת E=mc2 בה האנרגיה שווה למכפלת המסה בריבוע מהירות האור, שהוא ערך גדול מאד.
אף על פי כן, המסה שמומרת יחסית למסה של אטום בודד היא כל כך קטנה, שהאנרגיה המתקבלת קטנה אף היא. היתוך של מיליון אטומי מימן לאטומי הליום ייצור אנרגיה השווה בערך לאנרגיה המשתחררת בקפיצת פרעוש.
למזלנו כוכבים הם מצבורים ענקיים של מימן. השמש שלנו מתיכה 700 מיליון טונות של מימן ל- 695 מיליון טונות של הליום כל שניה! האנרגיה המשתחררת בתהליך מספיקה כדי להניע את הכוכב. האור והחום שנוצרים עושים את דרכם אל מעטפת השמש ומוקרנים אל החלל. שבריר קטן מכל האנרגיה הזו מגיע אל כדור הארץ ומאפשר לכל החיים על פני האדמה לשרוד.

גרעיני ההליום מצטברים בליבת השמש. הדחייה החשמלית שלהם חזקה יותר מזו של גרעיני המימן, ולכן דרוש לחץ (וטמפרטורה) רב הרבה יותר כדי לגרום להם לעבור היתוך זה עם זה. גם זה יקרה יום אחד, אבל לא בקדנציה שלנו.


בכוכבים גדולים הרבה יותר מהשמש שלנו מתרחש תהליך היתוך של הליום לפחמן ולחמצן, ואפילו ליסודות כבדים יותר. יסודות כבדים יותר מברזל נוצרים בתהליך שונה אך גם הוא קשור לכוכבים. כאן המסקנה המדהימה באמת - הביטו מסביב: הרהיטים שבביתכם, מכשירי האלקטרוניקה, הבגדים שאתם לובשים, האויר שאתם נושמים, כוכב הלכת עליו אתם חיים, אתם עצמכם, הכל מורכב מאטומים שנוצרו בליבות כוכבים מתישהו ב- 13 מיליארד השנים האחרונות.

גם כאן אתם מוזמנים להכניס תובנות חברתיות כרצונכם.
sunset13 500x375 The Beauty of Sunset
__________________________________________
*המונח המדוייק כאן הוא פלסמה, ולא גז, שכן הטמפרטורות הגבוהות גורמות לאלקטרונים להיפרד מגרעיני המימן.
**לא אפרט כאן את התגובה המלאה, שהיא מורכבת בהרבה על המתואר ברשומה זו.

7 תגובות:

  1. יפה מאוד
    למה יש יותר אנרגיה בהיתוך גרעיני מאשר ביקוע?

    השבמחק
  2. הנה תשובה טובה במאמר על הנושא הזה בדיוק:
    http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?cat=1446&incat=1446&article_id=3955&act=forumPrint

    השבמחק
  3. 13 מיליארד שנים? אתה קורא לי זקנה?

    השבמחק
  4. אם אפשרי שיתרחש התוך גרעיני פתאומי לפי מכניקת הקוונטים שאפשרי לעקוף מחסום אנרגטי

    השבמחק
  5. אם אפשרי שיתרחש התוך גרעיני פתאומי לפי מכניקת הקוונטים שאפשרי לעקוף מחסום אנרגטי

    השבמחק