Номер 3, страница 391 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 104. Внутреннее строение солнца и звёзд. Глава 15. Солнце и звёзды - номер 3, страница 391.

Условие.

3. Какие реакции служат источником энергии Солнца и звёзд?

Решение.

Решение 2.

Источником энергии Солнца и звёзд служат реакции термоядерного синтеза. Это процесс, при котором ядра лёгких химических элементов сливаются в более тяжёлые ядра при чрезвычайно высоких температурах (порядка 10–15 миллионов кельвинов в ядре Солнца) и давлении. Такие условия необходимы для преодоления электростатического отталкивания между положительно заряженными ядрами.

Выделение огромного количества энергии в ходе этих реакций объясняется явлением, известным как дефект масс. Масса образовавшегося более тяжёлого ядра оказывается немного меньше, чем суммарная масса исходных лёгких ядер. Эта "потерянная" масса $\Delta m$ преобразуется в энергию $E$ в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна: $$E = \Delta m c^2$$ где $c$ — скорость света в вакууме.

В звёздах, подобных Солнцу, основным является протон-протонный (pp) цикл. В ходе этого цикла четыре ядра водорода (протона) последовательно превращаются в одно ядро гелия. Суммарную реакцию можно записать так: $$4{_1^1}H \rightarrow {_2^4}He + 2e^+ + 2\nu_e + \text{энергия}$$ где ${_1^1}H$ — протон, ${_2^4}He$ — ядро гелия (альфа-частица), $e^+$ — позитрон, а $\nu_e$ — электронное нейтрино.

Процесс состоит из нескольких стадий. Одна из основных цепочек выглядит следующим образом:
1. Слияние двух протонов с образованием ядра дейтерия ${_1^2}D$, позитрона и нейтрино: $${_1^1}H + {_1^1}H \rightarrow {_1^2}D + e^+ + \nu_e$$ 2. Слияние ядра дейтерия с протоном с образованием ядра гелия-3 ${_2^3}He$ и гамма-кванта $\gamma$: $${_1^2}D + {_1^1}H \rightarrow {_2^3}He + \gamma$$ 3. Слияние двух ядер гелия-3 с образованием ядра гелия-4 ${_2^4}He$ и двух протонов: $${_2^3}He + {_2^3}He \rightarrow {_2^4}He + 2{_1^1}H$$

В звёздах, масса которых значительно превышает массу Солнца (и где температура в ядре выше 15–20 миллионов кельвинов), преобладающим становится другой цикл термоядерного синтеза — углеродно-азотно-кислородный (CNO) цикл. В этом цикле ядра углерода, азота и кислорода выступают в роли катализаторов, то есть участвуют в промежуточных реакциях, но в итоге их количество восстанавливается. Конечный результат тот же, что и в протон-протонном цикле: четыре протона превращаются в ядро гелия.

Таким образом, именно реакции термоядерного синтеза водорода в гелий обеспечивают свечение и выделение энергии звёздами на протяжении миллиардов лет.

Ответ: Источником энергии Солнца и звёзд являются реакции термоядерного синтеза, в ходе которых из ядер лёгких элементов (в основном водорода) образуются ядра более тяжёлых элементов (в основном гелия). Этот процесс сопровождается выделением огромного количества энергии из-за дефекта масс. Для звёзд типа Солнца характерен протон-протонный цикл, для более массивных звёзд — CNO-цикл (углеродно-азотно-кислородный).