Номер 5, страница 151 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

5. Каковы источники энергии звёзд?

Источники энергии звёзд меняются на протяжении их жизненного цикла, но основным является термоядерный синтез. Рассмотрим их по порядку.

1. Термоядерный синтез

Это главный источник энергии для звёзд на протяжении большей части их жизни (включая наше Солнце на текущем этапе). Процесс происходит в ядре звезды, где температура и давление достигают экстремальных значений (миллионы градусов и сверхвысокая плотность).

Суть процесса заключается в слиянии лёгких атомных ядер в более тяжёлые. При этом масса получившегося ядра оказывается немного меньше, чем суммарная масса исходных ядер. Эта разница в массе, называемая дефектом масс ($\Delta m$), превращается в огромное количество энергии в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна:

$E = \Delta m c^2$

где $\text{c}$ — скорость света. Поскольку скорость света — очень большая величина, даже крошечная потеря массы приводит к выделению колоссальной энергии.

Основные реакции синтеза:

• Протон-протонный цикл (p-p цикл): Доминирует в звёздах с массой, сравнимой с массой Солнца или меньшей. В ходе этого цикла четыре ядра водорода (протона) в конечном итоге объединяются в одно ядро гелия. Суммарная реакция выглядит так: $4\,^1\text{H} \rightarrow \,^4\text{He} + 2e^+ + 2\nu_e + \text{энергия}$ (где $e^+$ — позитрон, $\nu_e$ — нейтрино).
• Углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл): Является основным источником энергии в звёздах, масса которых превышает массу Солнца примерно в 1.3 раза и более. В этом цикле ядра углерода, азота и кислорода выступают в роли катализаторов, помогая четырём протонам слиться в ядро гелия. Результат тот же, что и в p-p цикле, но процесс протекает при более высоких температурах.

Ответ: Основным источником энергии звёзд является термоядерный синтез — процесс слияния лёгких ядер в более тяжёлые, при котором часть массы превращается в энергию.

2. Гравитационное сжатие (механизм Кельвина — Гельмгольца)

Этот источник энергии важен на начальных и конечных стадиях эволюции звезды.

• При формировании звезды: Когда протозвезда образуется из сжимающегося газопылевого облака, её вещество уплотняется под действием собственной гравитации. При этом гравитационная потенциальная энергия превращается в тепловую. Именно этот процесс разогревает ядро будущей звезды до температур, необходимых для зажигания термоядерных реакций.
• На поздних стадиях: Когда в ядре звезды заканчивается один вид термоядерного "топлива" (например, водород), термоядерные реакции в центре прекращаются. Ядро начинает сжиматься под действием гравитации, что снова приводит к его разогреву. Этот разогрев может запустить следующий этап синтеза (например, горение гелия) или, если масса звезды недостаточна, она просто продолжит сжиматься и остывать (как в случае с белыми карликами).

Ответ: Гравитационное сжатие является важным источником энергии на этапе формирования звезды (разогрев ядра) и в переходные периоды её эволюции, когда исчерпывается топливо для синтеза.

3. Синтез тяжёлых элементов

После того как в ядре звезды главной последовательности выгорает водород, она переходит на стадию красного гиганта (или сверхгиганта). Сжавшееся и разогревшееся ядро достигает температуры около 100 миллионов градусов, что делает возможным синтез более тяжёлых элементов.

Основной процесс на этом этапе — тройной альфа-процесс, при котором три ядра гелия (альфа-частицы) сливаются, образуя ядро углерода.

В очень массивных звёздах (более 8 масс Солнца) по мере выгорания одного вида топлива ядро сжимается, разогревается ещё сильнее, и начинается горение всё более тяжёлых элементов: углерода, неона, кислорода, кремния. Этот процесс продолжается до тех пор, пока в ядре не образуется железо. Синтез элементов тяжелее железа уже не выделяет, а, наоборот, поглощает энергию, что приводит к гравитационному коллапсу ядра и взрыву сверхновой.

Ответ: В звёздах на поздних стадиях эволюции источником энергии служит термоядерный синтез гелия и других, более тяжёлых элементов, вплоть до железа.