Номер 3, страница 142, часть 2 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

3. Почему в звездах термоядерные реакции могут происходить самостоятельно?

Решение

Термоядерные реакции в звездах могут происходить самостоятельно (то есть быть самоподдерживающимися) благодаря уникальному набору условий, которые создаются и поддерживаются в их недрах.

1. Гравитационное сжатие и высокое давление. Звезды — это массивные объекты. Их собственная гравитация стремится сжать все вещество к центру. Это сжатие создает в ядре звезды колоссальное давление, в миллиарды раз превышающее атмосферное давление на Земле. Например, в центре Солнца давление оценивается в $2.65 \times 10^{16}$ Па.

2. Высокая температура и плотность. Работа сил гравитации при сжатии вещества превращается в тепловую энергию, разогревая ядро звезды до сверхвысоких температур — от 10 до сотен миллионов кельвинов. При таких температурах вещество находится в состоянии плазмы: атомы ионизированы и представляют собой смесь быстро движущихся положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Плотность вещества в ядре также становится очень высокой.

3. Преодоление кулоновского барьера. Для слияния (синтеза) двух атомных ядер необходимо, чтобы они сблизились на очень малое расстояние, где начинают действовать мощные, но короткодействующие сильные ядерные силы. Однако ядра заряжены одноименно (положительно) и поэтому испытывают сильное электростатическое (кулоновское) отталкивание. Высокая температура в ядре звезды придает ядрам огромную кинетическую энергию, благодаря которой они могут сближаться на нужное расстояние, преодолевая этот "кулоновский барьер". Кроме того, важную роль играет квантовый эффект туннелирования, который позволяет некоторым ядрам "просочиться" сквозь барьер, даже если их энергии недостаточно для его преодоления "классическим" путем.

4. Самоподдержание реакции. Термоядерные реакции синтеза легких элементов (например, превращение водорода в гелий) являются экзотермическими — они протекают с выделением огромного количества энергии. Эта энергия выделяется за счет так называемого дефекта масс: масса получившегося в реакции ядра оказывается меньше суммы масс исходных ядер. "Потерянная" масса $\Delta m$ превращается в энергию по знаменитой формуле Эйнштейна $E = \Delta m c^2$. Эта выделяющаяся энергия выполняет две ключевые функции:

а) Она создает огромное внутреннее давление, которое направлено из центра звезды наружу и уравновешивает силу гравитационного сжатия. Это состояние, называемое гидростатическим равновесием, обеспечивает стабильность звезды на протяжении миллиардов лет.

б) Она постоянно подогревает ядро, поддерживая в нем экстремально высокую температуру, необходимую для продолжения термоядерных реакций.

Таким образом, гравитация создает "запал" для реакции, а сама реакция, выделяя энергию, поддерживает условия для своего же протекания. Этот процесс продолжается до тех пор, пока в ядре не исчерпается ядерное "топливо".

Ответ: Термоядерные реакции в звездах происходят самостоятельно, потому что колоссальная гравитация звезды создает в ее ядре условия экстремально высокой температуры и давления. Эти условия достаточны для того, чтобы атомные ядра преодолели взаимное отталкивание и вступили в реакцию синтеза. Сама реакция выделяет огромное количество энергии, которая, в свою очередь, поддерживает высокую температуру и давление, необходимые для продолжения реакций, создавая устойчивый и самоподдерживающийся цикл.