Kodolu sintēze

- [Pasniedzējs] Mēs uzskatām, ka pēc Lielā Sprādziena

agrīnajā Visumā galvenokārt bija ūdeņradis,

hēlijs un nelieli daudzumi litija.

Bet kā tad radās pārējie elementi?

Piemēram, no kurienes radās skābeklis,

ko mēs pašlaik elpojam, vai kalcijs mūsu kaulos -

no kurienes tie radās?

Nu, tie tiek veidoti kodoltermiskās sintēzes reakcijās,

kas notiek zvaigžņu kodolā.

Bet kas tieši ir kodoltermiskās sintēzes reakcija?

Kā tā veido smagākus elementus?

Un kas ir vēl svarīgāk, ja tas notiek zvaigznes iekšienē,

kā tie nokļūst ārā un atrod ceļu līdz mums?

Noskaidrosim.

Kodoltermiskā sintēze ir kodolreakcija,

kurā mazāki kodoli apvienojas, lai veidotu lielāku kodolu.

Piemēram, ja tu ņem protonu,

kas ir ūdeņraža kodols,

un apvieno to ar deitēriju,

kas būtībā ir ūdeņraža izotops,

tam ir viens protons, tāpēc tas ir ūdeņradis,

bet tam ir arī viens neitrons.

Labi, tātad tas ir smagāks ūdeņraža izotops.

Ja tu tos apvieno kopā,

tu iegūsi hēlija kodolu,

un šī reakcija nav īsti pilnīga,

un pēc mirkļa tu redzēsi, kāpēc.

Bet vispirms,

tu vari redzēt, kā mēs varam to pierakstīt, pareizi?

Jo tev ir viens plus viens,

tev šeit vajadzētu būt diviem protoniem.

Un tā kā ir divas daļiņas,

piedod, viens plus divi, ir trīs daļiņas,

tev šeit vajadzētu būt trīs daļiņām.

Tātad, vienkārši sekojot līdzi protoniem un neitroniem,

tu vari mēģināt paredzēt, kāds būs gala produkts.

Tātad tu redzi, kā vieglāki kodoli saplūst,

lai veidotu smagāku, lielāku kodolu - kodoltermisko sintēzi.

Apskatīsim vēl vienu piemēru.

Kas notiek, ja mums ir divi hēlija-4 kodoli, kas saplūst kopā?

Vai tu vari paredzēt, kāds būs lielākais kodols,

ko mēs šeit iegūsim?

Kāpēc nepamēģināt pašam?

Labi, tātad tā kā šeit ir divi protoni

un šeit divi protoni, kopā mums vajadzētu būt četriem protoniem.

Un tā kā kopā ir četras un četras daļiņas,

mums vajadzētu būt astoņām daļiņām.

Un tātad izotops, ko es iegūšu, būs ar četriem protoniem,

kas būtībā ir berīlijs,

ja tu paskaties periodiskajā tabulā,

tātad mēs iegūsim berīliju-8 kā mūsu smagāko kodolu.

Un ja tu gribētu parādīt protonus un neitronus,

tas izskatītos apmēram šādi.

Un tu atkal vari redzēt, kā vieglāki kodoli, mazi kodoli

saplūst kopā, lai veidotu smagāku, lielāku kodolu -

kodoltermiskās sintēzes reakciju.

Es izvēlējos tieši šīs reakcijas,

jo produkts šeit izrādās stabils,

bet var būt kodolreakcijas,

kurās produkti nav stabili,

kas nozīmē, ka tie tālāk veiks

kāda veida radioaktīvo sabrukšanu.

Tātad kopumā mēs nevaram tik viegli paredzēt produktu,

bet svarīgi ir tas, ka pareizos apstākļos

un ja tev ir pareizi kodoli,

tu vari iegūt enerģiju.

Un patiesībā abos šajos gadījumos mēs iegūsim enerģiju.

Un šī enerģija var būt kinētiskās enerģijas formā

šiem produktiem,

vai tā var būt sabrukušo daļiņu kinētiskā enerģija,

ja tie bija nestabili,

tā var tikt aiznesta arī kā fotonu enerģija,

gamma starojums.

Patiesībā tieši tas notiek šeit.

Un tāpēc es teicu, ka tas ir nepilnīgs vienādojums,

jo izrādās, ka tu patiesībā

šeit iegūsti gamma starojumu.

Bet negaidi, ka iegūsi enerģiju,

saplūdinot jebkurus divus kodolus kopā.

Tu iegūsi enerģiju tikai tad, ja produkts ir stabilāks

salīdzinājumā ar reaģentiem,

un tā tas ir šajā gadījumā.

Bet tagad tu varētu teikt: "Nu,

vai šī enerģija nav ārkārtīgi maza?"

Un tev ir taisnība, enerģija, ko rada

katra kodoltermiskās sintēzes reakcija, būs ļoti maza.

Bet kas, ja tu ņem vērā miljardiem un miljardiem reakciju,

kas notiek sekundē?

Ak, tagad būs daudz enerģijas.

Un zini ko?

Tieši tas darbina zvaigznes,

tieši tas notiek

mūsu Saules kodolā pašlaik.

No kurienes Saule un visas zvaigznes iegūst savu enerģiju?

No kodoltermiskās sintēzes reakcijām?

Kodolā notiek kodolsprādzieni,

ļoti, ļoti, ļoti daudz sintēzes reakciju

notiek kodolā,

tieši tas darbina mūsu zvaigzni.

Bet tas tagad var radīt citu jautājumu,

kāpēc tas notiek tikai zvaigznes kodolā?

Proti, kāpēc tas nenotiek visapkārt mums?

Nu, par to tu vari pateikties vai vainot pozitīvo lādiņu

protoniem kodola iekšienē.

Tā kā kodoli ir pozitīvi lādēti, tie atgrūžas,

tiem ir elektrostatiskā atgrūšanās vienam no otra,

kas nozīmē, ka kodolu saplūšana nav viegla.

Ja tu vēlies saplūdināt kodolus kopā,

tev vispirms ir jāsaspiež tie ļoti cieši

un jāpārliecinās, ka tiem ir neticami liels ātrums,

lai tie varētu pārvarēt šo atgrūšanos,

nokļūt pietiekami tuvu, lai būtu kodolspēku darbības rādiusā.

Un tad beidzot, ja tie ir tik tuvu,

kodolspēki var pārņemt vadību un tos saplūdināt kopā.

Tātad nepieciešamie apstākļi ir ekstrēmi,

un tie ir tieši tādi apstākļi, kādus tu atrodi

zvaigznes kodolā.

Tur ir ļoti augsta temperatūra

un ārkārtīgi augsts spiediens,

kas saspiež tos un padara tos,

tie traucas ar ļoti lielu ātrumu.

Tāpēc sintēze var notikt zvaigžņu kodolu iekšienē.

Un tas nenotiek nekur citur.

Tāpēc arī ir ārkārtīgi grūti

izveidot sintēzes reakcijas mūsu laboratorijās.

Tomēr tu droši vien jau zini,

ka kodoltermiskā sintēze ir aktīva pētniecības joma,

jo mēs vēlamies noskaidrot, vai mēs kaut kā varam

izmantot šo enerģiju.

Un viens no šīs pētniecības aspektiem

ir paredzēt, cik daudz enerģijas

konkrēta kodoltermiskās sintēzes reakcija varētu dot.

Vai zināt, kas ir forši, draugi?

Tu vari faktiski veikt šo paredzēšanu

tikai ar pildspalvu un papīru.

Tieši tā, to ir iespējams teorētiski paredzēt.

Paskatīsimies, kā.

Ļauj man notīrīt tāfeli.

Labi, šim es vēlos, lai mēs salīdzinām

reaģentu masu ar produktu masu.

Un mana intuīcija saka, ka tām vajadzētu būt tieši vienādām,

jo mums ir divi protoni un viens neitrons

kreisajā pusē,

un tev ir divi protoni un viens neitrons labajā.

Bet izrādās, ka tas nav tā.

Produkta masa patiesībā ir mazāka

nekā reaģenta masa šeit.

Kā tas var būt jēdzīgi?

Ja tu prātoji.

Nu, mums ir jāizmanto viena no slavenākajām fizikas formulām:

E = mc kvadrātā.

Vai tu zini, ko šis vienādojums mums patiesībā saka?

Tas mums saka, ka enerģija

un masa ir ekvivalentas viena otrai.

Lūk, ko es ar to domāju.

Redzi, kad tu mēri masas,

tu nemēri tikai vielas daudzumu.

Izrādās, saskaņā ar šo vienādojumu,

tu mēri arī enerģijas daudzumu,

kas piemīt šai sistēmai.

Tagad, šajā reakcijā,

daļa no šīs enerģijas izgāja ārā, pareizi?

Tāpēc enerģijas saturs ir samazinājies,

un tāpēc masa ir samazinājusies.

Tātad, lai gan vielas daudzums paliek tāds pats,

tā kā enerģija ir samazinājusies,

masa ir samazinājusies.

Un tagad tu vari redzēt,

ka ja šajā reakcijā tiktu atbrīvots vairāk enerģijas,

šī masa būtu vēl mazāka,

un tāpēc masas starpība būtu lielāka.

Tātad tu vari redzēt,

ka vienkārši nosakot masas starpību,

tu vari paredzēt, cik daudz enerģijas tiek atbrīvots.

Patiesībā, ja tu ņem masas starpību

un reizini ar c kvadrātā,

bums, tu iegūsi atbrīvotās enerģijas daudzumu.

Es to uzskatu par tik neticamu.

Tas nozīmē, ka ja tu ņem jebkuras kodoltermiskās sintēzes reakcijas

un vēlies zināt, cik daudz enerģijas tās atbrīvo,

vienkārši meklē internetā reaģentu un produktu masas,

skaties uz atšķirību

un reizini ar c kvadrātā,

un, bums, tu iegūsti atbrīvoto enerģiju.

Tagad, kā minēts iepriekš,

ja kodoltermiskās sintēzes reakcija dod produktu,

kas ir mazāk stabils nekā pats reaģents,

tad tam būs vairāk enerģijas.

Šajā gadījumā tu atradīsi, ka produkta masa,

piedod, produkta masa

būtu lielāka nekā reaģenta masa.

Un tu teiktu: "Labi, tā nav kodolreakcija,

ko mums vajadzētu izmantot, jo tā nedod enerģiju,

tā patiesībā absorbē enerģiju."

Tagad, pirms mēs ejam tālāk, aplūkosim dažus jautājumus,

kas man bija par E = mc kvadrātā, kad es to mācījos.

Pirmkārt, es domāju: "Pagaidi,

kāpēc tas neattiecas uz ķīmiskajām reakcijām?

Tu teici, ka ja enerģija tiek zaudēta vai absorbēta,

vai tam nevajadzētu arī radīt atšķirību

produktu un reaģentu masās?"

Izrādās, tas notiek,

bet enerģijas, ar kurām mēs saskaramies

tur ir tik neticami mazas, ka mēs tās vienkārši ignorējam.

Tātad E = mc kvadrātā tiek izmantots,

un pat ķīmiskajās reakcijās

produkta masa un reaģentu masa

nav vienādas,

bet tā ir tik maza, ka mēs to neņemam vērā,

mēs par to nerunājam.

E = mc kvadrātā ir universāls,

tas tiek pielietots visur.

Vienkārši tas kļūst redzamāks

kad runa ir par kodolreakcijām.

Un tāpēc, kad runa ir par kodolreakcijām,

mēs par to runājam.

Otrkārt, es mēdzu domāt: "Gaismai ir enerģija,

bet tai nav masas, gaismai ir nulle masa.

Tātad, vai šis vienādojums netiek pārkāpts?"

Nu, tieši tad es sapratu, ka šis vienādojums

patiesībā nedarbojas gaismai.

Patiesībā šis vienādojums,

šajā vienādojumā E apzīmē miera enerģiju,

nevis kopējo enerģiju.

Ja tu vēlies ņemt vērā kopējo enerģiju,

tad vienādojums patiesībā ir garāks.

Tātad, kad runa ir par gaismu,

tai nav miera enerģijas,

jo gaisma nekad nevar būt miera stāvoklī,

un tāpēc E = mc kvadrātā nedarbojas gaismai.

Nu labi, atgriežoties pie mūsu sākotnējā jautājuma,

kā zvaigznes veido smagākus elementus?

Nu, mūsu Saule pašlaik pārvērš protonus hēlijā,

bet tu varētu skatīties uz šo un domāt: "Nu,

pagaidi, pagaidi.

No kurienes mūsu Saulē radās deitērijs?

Un vai mums nevajadzētu iegūt hēliju-4?

Kāpēc mēs iegūstam hēliju-3?"

Tas ir labs jautājums,

jo izrādās, ka šī nav vienīgā reakcija.

Tātad, lai novērtētu, kas notiek

mūsu Saules iekšienē tieši tagad, jo tā dod mums dzīvību,

ieskatīsimies Saulē.

Tātad, acīmredzot ir jābūt reakcijai,

kam jānotiek pirms tam,

lai radītu deitērija kodolu, pareizi?

Un šī reakcija ir tā, ka tev ir tikai divi protoni,

kas saplūst kopā,

lai iegūtu kodolu ar diviem protoniem. (smejas)

Bet tu vari sajust savos kaulos,

ka tas ir ārkārtīgi nestabils.

Šeit nav neitronu.

Šis kodols nepaliks kopā,

tas nekavējoties sadalīsies atpakaļ divos protonos.

Tātad šeit nav veiksmes.

Tātad vairumā gadījumu tas ir tas, kas notiks,

tie saplūdīs un sadalīsies atpakaļ,

tie saplūdīs un sadalīsies atpakaļ.

Bet ir ļoti, ļoti, ļoti, ļoti, ļoti maza iespēja,

ka kad tie saplūst kopā,

šis protons var patiesībā veikt beta sabrukšanu

un pārvērsties par neitronu.

Mēs esam runājuši par beta sabrukšanu iepriekš,

tas ir veids, kā protoni un neitroni

var pārvērsties viens otrā.

Un kad tas notiek, tas ir ļoti rets brīdis,

bet ja tas notiek, tad tu iegūsti deitērija kodolu.

Un ja tu uzraksti vienādojumu šim,

nu, tas izskatīsies šādi.

Tev ir divi protoni, ūdeņraža kodoli,

kas saplūst, lai iegūtu deitēriju.

Un šis ir beta sabrukšanas produkts,

ko tu esi redzējis iepriekš,

neuztraucies par to pārāk daudz tagad.

Bet tagad būs saprotams,

ka lai deitērija kodols varētu veidoties,

tev ir jāgaida ilgs laiks, pareizi?

Patiesībā aprēķini rāda,

ka tev ir jāgaida vidēji miljardiem gadu,

lai tas notiktu.

Tomēr, kas ir vēl interesantāk,

ir tas, ka tiklīdz deitērija kodols ir izveidojies,

tas nekavējoties apvienosies

ar vienu no tuvumā esošajiem protoniem

minūšu vai sekunžu laikā, lai iegūtu hēlija kodolu.

Tātad šīs ir vidējās vērtības,

bet padomā par laika mērogu kontrastu šeit,

tas ir neprātīgi.

Nu labi, abos gadījumos mēs iegūstam enerģiju,

bet tiklīdz hēlijs-3 ir izveidojies,

Saule arī saplūdinās hēlija-3 kodolus kopā.

Un kad tas notiek,

mēs atkal iegūsim nestabilu kodolu

ar četriem protoniem un diviem neitroniem šeit.

Bet tā kā tas ir neticami nestabils,

tas vienkārši atbrīvos divus protonus.

Un skaties, mēs beidzot iegūstam mūsu hēlija-4 kodolu.

Šis solis arī atbrīvo lielu daudzumu enerģijas,

un tieši tā mūsu Saule, kamēr mēs runājam,

pārvērš protonus hēlija kodolos.

Tagad mēs arī domājam, ka ir citas

kodoltermiskās sintēzes reakcijas, kas notiek,

bet šī ir dominējošā.

Pēdējais jautājums, ko mēs varētu uzdot, ir:

kas notiek, kad Saulei beidzas visi protoni,

kad tā ir pārvērtusi visus protonus hēlijā?

Nu, notiek vairākas lietas,

bet svarīgi ir tas, ka kodola temperatūra paaugstināsies

un tad tā sāks pārvērst hēliju smagākā kodolā.

Patiesībā, tā pārvērš hēliju ogleklī,

bet pēc tam

mūsu Saulei vienkārši nebūs pietiekami augsta temperatūra,

lai pārvērstu oglekli smagākos kodolos,

tā vienkārši apstāsies tur.

Bet ja tev ir karstākas, lielākas, karstākas zvaigznes,

tad sintēzes process vienkārši turpināsies.

Ogleklis saplūdīs kopā, lai iegūtu vēl smagākus elementus,

un šis process turpināsies,

bet ne mūžīgi.

Ne mūžīgi, jo tiklīdz mēs sasniedzam dzelzi,

tas iezīmē sintēzes ķēdes beigas.

Jo zini ko?

Dzelzs ir viens no stabilākajiem elementiem Visumā,

kas nozīmē, ka ja tu mēģini saplūdināt divus dzelzs elementus,

dzelzs kodolus kopā,

produkts būs mazāk stabils,

kas nozīmē, ka tas vairs nedos enerģiju,

tas absorbēs enerģiju.

Tas nozīmē, ka tiklīdz tev ir dzelzs kodols,

zvaigzne paliek bez enerģijas avota.

Nu, kas notiek tā rezultātā?

Nu, ir neprātīgs gravitācijas spiediens

zvaigznes milzīgās masas dēļ.

Līdz šim kodoltermiskās sintēzes reakcija

spēja to līdzsvarot.

Bet tiklīdz kodoltermiskā sintēze apstājas,

jo tu nevari saplūdināt dzelzi, lai iegūtu vairāk enerģijas,

gravitācija uzvar.

Un tā rezultātā visa zvaigzne sabrūk pati sevī

un eksplodē pārnovas sprādzienā.

Un tieši tā visi smagie elementi,

kas jebkad tika radīti šīs zvaigznes kodolā,

beidzot tiek atbrīvoti,

un tie tagad var doties cauri kosmosam

un tie var galu galā nonākt uz planētas kā Zeme

un galu galā atrast ceļu uz tavu ķermeni un manu ķermeni.

Tagad, tā kā pārnova rada

vienu no karstākajām vietām mūsu Visumā,

es domāju, temperatūra, par kuru mēs runājam,

ir tāda, ka mēs pat vairs nevaram par to runāt,

tā ir tik neticami augsta, ka tajā laikā

pat smagākie kodoli tiek spiesti saplūst kopā.

Tas ir viens no veidiem, kā mēs varam iegūt kodolus,

kas ir pat smagāki par dzelzi.

Protams, izrādās, ir arī citi veidi,

bet pārnova ir viens no veidiem, kā tas notiek.

Bet jebkurā gadījumā, es domāju, ka tas ir viens no iemesliem,

kāpēc mēs bieži sakām, ka tu, es un mēs visi

esam veidoti no zvaigžņu putekļiem,

jo elementi, kas mūs veido,

reiz bija daļa no mirstošas zvaigznes.