Номер 4, страница 49, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Строение и эволюция вселенной. Глава VIII. Звёзды и галактики. Параграф 29. Звёзды - номер 4, страница 49.

Условие.

4. Благодаря каким реакциям в недрах звёзд выделяется энергия?

Решение.

Энергия в недрах звёзд выделяется благодаря реакциям термоядерного синтеза. Это процесс, при котором ядра лёгких химических элементов сливаются, образуя ядра более тяжёлых элементов. Эти реакции могут протекать только при чрезвычайно высоких температурах (порядка 10–15 миллионов кельвинов и выше) и давлениях, которые существуют в звёздных ядрах.

Основным источником энергии для большинства звёзд, включая наше Солнце, является синтез гелия из водорода. Существует два основных механизма такого синтеза:

1. Протон-протонный цикл (pp-цикл). Этот цикл доминирует в звёздах с массой, сравнимой с массой Солнца или меньшей. В ходе этого цикла четыре протона (ядра водорода, $^1H$) последовательно объединяются, образуя одно ядро гелия-4 ($^4He$), два позитрона ($e^+$), два нейтрино ($ \nu_e $) и энергию в виде гамма-квантов ($ \gamma $). Суммарная реакция выглядит так:

$4{_1^1}H \rightarrow {_2^4}He + 2e^+ + 2\nu_e + 2\gamma$

2. Углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл). Этот цикл является основным источником энергии в более массивных и горячих звёздах (с массой более 1,3 массы Солнца). В этом цикле ядра углерода ($\text{C}$), азота ($\text{N}$) и кислорода ($\text{O}$) выступают в качестве катализаторов, то есть они участвуют в промежуточных реакциях, но их количество не изменяется в итоге цикла. Конечный результат тот же, что и в pp-цикле: четыре протона превращаются в ядро гелия.

Источник выделяемой энергии в обоих случаях — так называемый дефект масс. Масса итогового ядра гелия-4 немного меньше, чем суммарная масса четырёх исходных протонов. Эта разница масс ($ \Delta m $) и превращается в колоссальное количество энергии ($ E $) в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна:

$ E = \Delta m c^2 $

где $ c $ — скорость света в вакууме. Выделившаяся энергия разогревает недра звезды, создавая внутреннее давление, которое противодействует силам гравитации и поддерживает звезду в состоянии равновесия.

На более поздних стадиях эволюции, когда водород в ядре заканчивается, в массивных звёздах могут начинаться термоядерные реакции с участием более тяжёлых элементов, такие как синтез углерода из гелия (тройной альфа-процесс) и последующее образование еще более тяжелых элементов вплоть до железа.

Ответ: Энергия в недрах звёзд выделяется благодаря реакциям термоядерного синтеза, в ходе которых из ядер лёгких элементов (в первую очередь, водорода) образуются ядра более тяжёлых элементов (например, гелия). Выделение энергии происходит за счёт превращения части массы исходных ядер (дефекта масс) в энергию в соответствии с формулой $ E = \Delta m c^2 $.