Номер 5, страница 252 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 68. Образование астрономических структур. Глава 9. Эволюция Вселенной - номер 5, страница 252.

5. Каковы источники энергии звёзд?

Источники энергии звёзд меняются на протяжении их жизненного цикла. Основными механизмами, генерирующими энергию, являются термоядерный синтез и гравитационное сжатие. Их роль и значимость меняются в зависимости от массы звезды и стадии её эволюции.

Термоядерный синтез

Это доминирующий источник энергии для подавляющего большинства звёзд, находящихся на так называемой главной последовательности — наиболее длительном этапе жизни звезды, на котором находится и наше Солнце. Процесс происходит в ядре звезды, где из-за огромной гравитации создаются экстремальные условия: температура в миллионы кельвинов и высочайшее давление. При таких условиях протоны и атомные ядра преодолевают силы электростатического отталкивания и сливаются, образуя более тяжёлые ядра.

Энергия в этих реакциях выделяется благодаря дефекту массы: масса образовавшегося ядра оказывается меньше суммы масс исходных частиц. Эта разница в массе, $\Delta m$, преобразуется в колоссальное количество энергии $E$ согласно уравнению Эйнштейна:

$E = \Delta m c^2$

где $c$ — это скорость света. Поскольку $c^2$ является очень большой величиной, даже незначительная потеря массы приводит к выделению огромной энергии. Основные реакции синтеза водорода в гелий:

• Протон-протонный цикл (pp-цикл): Преобладает в звёздах с массой, равной или меньшей массы Солнца. В ходе нескольких последовательных реакций четыре ядра водорода ($^1H$) превращаются в одно ядро гелия ($^4He$).
• Углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл): Является основным в звёздах, масса которых превышает 1,3 массы Солнца. В этом цикле углерод, азот и кислород выступают в качестве катализаторов, помогая четырём протонам слиться в ядро гелия.

После исчерпания водорода в ядре, массивные звёзды могут последовательно «сжигать» более тяжёлые элементы: гелий (в тройном альфа-процессе), углерод, неон, кислород и кремний, вплоть до образования железа.

Гравитационное сжатие (механизм Кельвина — Гельмгольца)

Этот механизм является ключевым источником энергии на двух этапах жизни звезды:

1. На стадии формирования: Когда звезда представляет собой протозвезду, она сжимается под действием собственной гравитации. При этом её гравитационная потенциальная энергия превращается во внутреннюю тепловую энергию, которая разогревает звезду и заставляет её светиться ещё до начала термоядерных реакций.
2. На поздних стадиях эволюции: Когда в ядре звезды заканчивается один вид ядерного топлива (например, водород), термоядерные реакции в нём прекращаются. Гравитация вновь начинает преобладать, и ядро сжимается. Это сжатие приводит к его разогреву до температур, необходимых для начала следующего цикла термоядерных реакций (например, горения гелия).

Исторически гравитационное сжатие считалось главным источником энергии звёзд, однако оно могло бы поддерживать светимость Солнца лишь в течение нескольких десятков миллионов лет, что противоречит данным о возрасте Солнечной системы.

Ответ:

Основными источниками энергии звёзд являются термоядерный синтез (слияние лёгких атомных ядер в более тяжёлые с выделением энергии за счёт дефекта масс, $E = \Delta m c^2$) и гравитационное сжатие (преобразование гравитационной потенциальной энергии в тепловую). Термоядерный синтез является главным источником энергии на протяжении большей части жизни звезды (на главной последовательности), в то время как гравитационное сжатие доминирует на этапе формирования (протозвезда) и в переходные периоды её эволюции.