طاقة الشمس – الاندماج النووي والاتزان الهيدروستاتيكي والطاقة المنبعثة
الفيزياءالجاذبية وعلم الفلك17–18 سنة
جارٍ التحميل…
سجّل الدخول للتشغيلتتبّع خطوة بخطوة سلسلة بروتون–بروتون (أو دورة CNO) في لب الشمس بالبروتونات والنيوترونات والبوزيترونات والنيوترينوات وفوتونات أشعة غاما، واحسب النقص في الكتلة للتفاعل 4 ¹H → ⁴He (26.73 MeV) والكتلة التي تفقدها الشمس في كل ثانية Δm/t = L/c² ≈ 4.3 × 10⁹ kg/s. تتيح شاشة «داخل الشمس» ضبط درجة حرارة اللب وكثافته لمقارنة ضغط الغاز وضغط الإشعاع مع الجاذبية (الاتزان الهيدروستاتيكي)، وتبيّن لماذا يجب أن تعبر البروتونات حاجز كولوم بالنفق الكمي (قمة غاموف). أما شاشة «الطاقة المنبعثة» فتقسم طيف الشمس إلى فوق بنفسجي ومرئي وتحت أحمر، وترسم مسار الشمس على مخطط H–R وتقدّر عمرها.
الدرس: الاندماج النووي في الشمس، والنقص في الكتلة وE = Δmc²، والاتزان الهيدروستاتيكي ودورة حياة الشمس
ماذا تعرض
تسطع الشمس لأن نوى الهيدروجين في لبها تندمج لتكوّن الهيليوم. كتلة أربع ذرات هيدروجين أكبر قليلًا من كتلة ذرة هيليوم واحدة، ويتحول هذا النقص في الكتلة البالغ 0.0287 u إلى طاقة مقدارها 26.7 MeV، فتحوّل الشمس نحو 4.3 مليار كيلوغرام من الكتلة إلى طاقة في كل ثانية. يحتاج الاندماج إلى درجة حرارة تقارب 15 مليون K وكثافة عالية، وحتى عندئذ لا تندمج البروتونات إلا بالنفق الكمي عبر التنافر الكهربائي بينها. ويوازن ضغط الغاز في اللب الساخن الجاذبية، وهذا الاتزان يُبقي الشمس مستقرة نحو 10 مليارات سنة.
طريقة الاستخدام
في شاشة «الاندماج في اللب» اختر «سلسلة بروتون–بروتون» أو «دورة CNO»، واضغط «تشغيل» أو «الخطوة التالية» لمتابعة كل تفاعل وامتلاء شريط الطاقة حتى 26.73 MeV. في «داخل الشمس» اسحب «درجة حرارة اللب T» و«كثافة اللب ρ» وقارن أشرطة الضغط وقمة غاموف؛ واضغط «مركز الشمس» للعودة. في «الطاقة المنبعثة» اسحب «عمر الشمس» أو اضغط أحد أزرار «الانتقال إلى»، وغيّر «نسبة الكتلة المندمجة f».
المعاملات القابلة للتغيير
- الشاشة الاندماج في اللب, داخل الشمس, الطاقة المنبعثة
- تسلسل التفاعلات سلسلة بروتون–بروتون, دورة CNO
- درجة حرارة اللب 5–40 مليون K
- كثافة اللب 10–300 10³ kg/m³
- عمر الشمس 0–12.5 مليار سنة
- نسبة كتلة الشمس التي تندمج 1–100 %
أسئلة للاستكشاف
- كم كيلوغرامًا من الكتلة تفقد الشمس في كل ثانية، وأين تذهب هذه الكتلة؟
- لماذا يمكن أن يندمج بروتونان مع أن متوسط طاقتهما الحركية أصغر من حاجز كولوم بمئات المرات؟
- لو انكمش لب الشمس قليلًا، فكيف تتغير درجة حرارته ومعدل الاندماج والضغط فيه؟
