10000528 
منبع انرژی خورشید چیست (2)
 

 در مقاله ی قبلی با ایزوتوپها و اتمهایی که درون خورشید تولید می شود آشنا شدید.
هسته ی هیدروژن (1H) ساده ترین اتم در طبیعت، تنها از یک پروتون ساخته شده است. در حالی که هسته ی هلیوم (4He)، عنصر بعدی در جدول تناوبی، از دو پروتون و دو نوترون تشکیل یافته است. احتمالا شما در میان درس هایتان خوانده اید که «بارهای همانند همدیگر را دفع می کنند»، همین اتفاق بین پروتون ها می افتد. این نیروی دافعه زمانی که پروتونها به هم نزدیک باشند بسیار زیاد می شود. برای ایجاد واکنشهای هسته ای، پروتونها و نوترونها باید خیلی به هم نزدیک شوند. چرا که تنها در فواصل بسیار کم است که نیرویی به نام نیروی جاذبه ی هسته ای عمل می کند. این نیرو قوی ترین نیرو در طبیعت است، چرا که پروتونها را با وجود نیروی دافعه ی قوی ای که بین آنهاست، کنار هم نگه می دارد.
نگاهی به جدول تناوبی نشان می دهد که وزن اتمی (جرمی که بر اساس یک دوازدهم جرم کربن دوازده محاسبه می شود.) هیدروژن 008ر1 است، در حالی که وزن اتمی هلیوم 003ر4 می باشد. نکته ی جالب این است که جرم هلیوم کمتر از مجموع جرم چهار هسته ی هیدروژنی است که در مرکزش قرار دارد! جرم چهار پروتون برابر است با (032ر4 = 4× 008ر1 ) در حالی که جرم هسته ی هلیوم (که از چهار تا هسته ی هیدروژن ساخته شده) 029ر0 کمتر است. این مقدار جرم به انرژی تبدیل شده است. پس اگر بتوان 4 اتم هیدروژن را به یک اتم هلیوم تبدیل کرد، بر اساس فرمول اینشتین، انرژی بدست خواهد آمد. این واکنش واقعا امکان پذیر است و در واقع اساس زنجیره ی واکنشهای همجوشی گرماهسته ای که در مرکز ستارگان رخ می دهد، همین می باشد. تنها در دماهای بسیار بالا است که انرژی و سرعت کافی به پروتونها داده می شود که بتوانند بر نیروی دافعه ی الکتریکی بین خودشان غلبه کنند و آنقدر به هم نزدیک بشوند که واکنش هسته ای بین آنها روی دهد. پس شرط لازم برای این چنین واکنشهایی وجود دمای بسیار بالاست.، و این همان شرایطی است که در مرکز خورشید مهیا است. دما در آنجا 15 میلیون درجه ی سانتی گراد است. این شرایط توسط فشار بسیار زیادی ایجاد شده است، که بخاطر جرم عظیم خورشید و سنگینی بینهایت زیاد آن، در مرکز خورشید بوجود آمده است. جرم خورشید 330000 برابر جرم زمین است، پس ببینید که چه وزن زیادی روی مرکز خورشید سوار است و فشار وارد می کند، و همانطور که می دانید بالا رفتن فشار، دما را افزایش می دهد. در این دمای بسیار بالا، ماده مانند گازی رفتار می کند که چگالیش 20 برابر چگالی آهن باشد! اگر جرم خورشید 10 برابر کمتر بود، آنگاه دمای مرکز خورشید برای ایجاد واکنش های هسته ای کافی نبود. در نتیجه ما هم اینجا نبودیم که درباره ی جرم خورشید صحبت کنیم، چون حیاتی روی زمین نمی توانست شکل بگیرد! پس چون ستارگانی که جرمشان کمتر از یک دهم جرم خورشید باشد، نمی توانند واکنش همجوشی هسته ای هیدروژنی ایجاد بکنند و دیگر نمی توان به آنها ستاره گفت.
ضدماده
زنجیره ی واکنشهای همجوشی گرماهسته ای، همانطور که در تصویر می بینید، در مرحله ی اول یک پروتون را به یک نوترون تبدیل می کند. در این مرحله دو ذره ی دیگر به نام پوزیترون و نوترینو تولید می شود. پوزیترون ذره ای است که به نوعی از ماده به نام «ضد ماده» تعلق دارد. این ذره همانند الکترون است با این تفاوت که بارَش مثبت است. زمانی که ماده و ضد ماده با هم روبرو شوند، هردو نابود و به انرژی تبدیل می شوند. می توان تصور کرد که جهانی تشکیل شده از ضد ماده شاید در جایی در دور دست وجود داشته باشد، ولی تا بحال هیچ شاهد رصدی برای این مطلب یافت نشده است.
هر ذره ای در طبیعت ضد ماده ی خود را دارد. یک کهکشان که از ضد ماده ساخته شده باشد، درست مانند یک کهکشان معمولی به نظر می رسد، زیرا تابش نور از ماده و ضد ماده یکسان است.
ضد خودرو ها همانند خودروهای معمولی به نظر می رسند و ضدشهرها همچون شهرها هستند. ما نمی توانیم بفهمیم که یک ضد انسان یک ضد انسان است! ولی باید مواظب باشیم که اگر با یک ضد انسان دست بدهیم، هر دو نابود و به انرژی تبدیل خواهیم شد! در مرکز خورشید، هر پوزیترونی که تولید می شود سریعا با یکی از الکترونهایی که در دریای الکترون وجود دارد، برخورد کرده و به انرژی تبدیل می شود.
نوترینو ذره ای بسیار فرّار است که به ندرت با ماده واکنش می دهد. در نتیجه بیشتر نوترینوهای تولید شده در مرکز خورشید، به سرعت از آنجا به بیرون فرار می کنند، بدون اینکه حتی با یک اتم درون خورشید برخورد کنند. بیشتر نوترینوهایی که به زمین می رسند بدون کوچکترین برخوردی از درون آن رد می شوند. در واقع، در هر ثاینه 50000 میلیون نوترینو که از خورشید آمده اند از درون بدن شما می گذرند. ولی تعداد کمی از نوترینو ها با ماده واکنش می دهند و این باعث می شود که به سختی بتوانیم آنها را ردیابی کنیم. آزمایشهایی در این رابطه انجام شده است، و تعدادی نوترینو توسط روشهایی خاص به دام افتاده اند.
همجوشی هسته ای درون خورشید
مرحله ی دوم واکنش همجوشی هسته ای
مرحله ی اول واکنش همجوشی بسیار بیشتر از مرحله ی بعدی طول می کشد: حدود 1018 برابر بیشتر، در نتیجه تمام زنجیره ی واکنش کند تر خواهد بود. اگر این طور نبود، ستارگان و خورشید سالیان سال پیش همگی منفجر می شدند.
نوترونها، بعد از واکنش کندی که آنها را تولید کرد، می توانند سریعا با پروتونها ترکیب شوند و دوتریوم، یک ایزوتوپ سنگین تر هیدروژن، را بسازند. دوتریوم به سرعت با یک پروتون دیگر واکنش داده و ایزوتوپ سبک هلیوم تولید می کند. این ایزوتوپ خود با یک ایزوتوپ هلیوم دیگر که در همان نزدیکی ها تولید شده است، واکنش داده و در نهایت هسته ی هلیوم معمولی را می سازد.
بمب هیدروژنی از همان واکنشهایی که در خورشید روی می دهد، استفاده می کند با این تفاوت که در بمب هیدروژنی واکنش توسط ایزوتوپهای سنگین تر هیدروژن شروع می شود و بطور انفجاری پیش می رود. برای تولید دمای بالای مورد نیاز، یک بمب هسته ای اورانیومی، بعنوان چاشنی استفاده می شود.
جایزه ی نوبل سال 1967 در فیزیک به یک آلمانی به نام هانس آلبرخت بیته (1906- 2005) بخاطر سهمی که وی در تئوری تولید انرژی در ستارگان داشت اعطا گردید.
یک نکته ی قابل توجه در مورد نیروی هسته ای قوی این است که این نیرو به اندازه ای نیست که بتواند دو پروتون را در کنار هم بچسباند. برای اینکه چنین چیزی اتفاق بیوفتد، یک نوترون اضافی نیز نیاز است تا در نیروی هسته ای شرکت کند. این بدان معنی است که ایزوتوپ سبک هلیوم (3He) پایدار است ولی ایزوتوپ سبکتر آن (2He) در طبیعت وجود ندارد. این باعث خوشحالی است چون اگر چنین نبود، سرعت واکنشهای همجوشی در یک ستاره برای دستیابی به یک نوترون، کند نمی شد. چیزی که قابل توجه است، این است که اگر نیروی هسته ای فقط 4 درصد قویتر بود، 2He پایدار می شد و واکنشهای درون خورشید به این شکل امروزی روی نمی داد و در نتیجه، دیگر شما وجود نداشتید که چنین چیزی را بخوانید! مثالهای زیادی در طبیعت وجود دارد که اگر یک کمیت بنیادی فیزیکی، فقط دارای مقداری، کمی متفاوت با مقداری که اکنون دارد، بود، جهان ما بگونه ای دیگر می بود. آنقدر متفاوت که داستانی که برای شما گفته ام اتفاق نمی افتاد. شاید این تنظیمهای فوق العاده دقیق، نتیجه ی قوانین پایه ای تری باشند که بشر هنوز به آنها دست نیافته است. ولی به هر حال، خالق عالم، جهان را به گونه ای آفرید که ما در آن باشیم، نه اینکه هیچ چیز و هیچ ساختاری در آن نباشد. ذهن و روح کنجکاو انسانی نمی تواند تمامی این نظم و هماهنگی حیرت انگیز را بی هیچ هدف و مقصودی ببیند. هرچند این مفهومی ابطال پذیر یا آزمودنی نباشد. ولی مشاهده ی درونی ما را به سوی خالق بی مثال عالم رهنمون می شود.