แหล่งกำเนิดพลังงานของดวงอาทิตย์

          ก๊าซไฮโดรเจนเป็นธาตุซึ่งมีปริมาณมากที่สุดในเอกภพ และมีมากที่สุดบนดวงอาทิตย์ด้วยเมื่ออะตอมของไฮโดรเจนรวมตัวกันเข้าเป็นอะตอมของธาตุฮีเลียม ในปฏิกิริยาเรียกว่า ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์นั้น มวลสารของไฮโดรเจน  ๑  กรัมจะสูญหายไป  ๐.๐๐๗  กรัม โดยการแปรรูปเป็นพลังงานและจะได้พลังงาน  =  ๐.๐๐๗  x  (๓  x  ๑๐^๑๐)^๒  เอิร์กต่อทุกๆ  ๑  กรัมของไฮโดรเจนที่เข้าทำปฏิกิริยา ถ้าสมมุติว่ามวลของดวงอาทิตย์ทั้งหมดประมาณ ๒  x  ๑๐^๓๓ กรัม นั้นเป็นธาตุไฮโดรเจน ดังนั้น พลังงานทั้งหมดที่จะได้จากการแปรธาตุไฮโดรเจนทั้งหมดบนดวงอาทิตย์เป็นธาตุฮีเลียมจะเป็น ๐.๐๐๗  x  (๓  x  ๑๐^๑๐)^๒  x  ๒  x  ๑๐^๓๓ เอิร์ก  เท่ากับ ๑.๒๖ x ๑๐^๕๒ เอิร์ก  เอาปริมาณพลังงานที่อาจเกิดขึ้นได้จากการแปรธาตุไฮโดรเจนทั้งหมดนี้ หารด้วย พลังงานที่ดวงอาทิตย์คายออกในการแผ่รังสี  ๓.๙  x  ๑๐^๓๓ เอิร์กต่อวินาที จะได้อายุหรือเวลาที่ดวงอาทิตย์จะแผ่รังสีเช่นนี้ได้  ๓.๒๓  x  ๑๐^๑๘  วินาที หรือเท่ากับประมาณ  ๑๐^๑๑  ปี (หนึ่งแสนล้านปี)
          อายุของเอกภพ ตามการคำนวณทางดาราศาสตร์ จากอายุของดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดมีค่าประมาณ ๑ ถึง ๓ หมื่นล้านปี ดังนั้นการคำนวณอย่างหยาบๆ ดังกล่าวชี้ให้เห็นว่าแนวคิดเรื่องแหล่งพลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์ของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ต่างๆ คงจะเป็นแนวคิดที่ถูกต้อง นักฟิสิกส์ชื่อ เอช เบเธ (H. Bethe) ได้เป็นคนแรกที่ให้ความคิดเห็นว่า ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์อันเป็นแหล่งเกิดพลังงานของดวงอาทิตย์ อาจเป็นปฏิกิริยาสองชนิดดังต่อไปนี้

          ๑. วัฎจักรคาร์บอน ปฏิกิริยาชุดนี้มีธาตุคาร์บอนเป็นตัวชักนำ หรือคะตะลิสต์ (catalyst)คาร์บอนเข้าร่วมในปฏิกิริยาในขั้นต้น และกลับคืนออกมาในขั้นสุดท้าย จึงไม่สูญเสียปริมาณไปปฏิกิริยามี ๖ ขั้นด้วยกัน สมการที่แสดงต่อไปนี้ใช้อักษรสัญลักษณ์ของธาตุ โดยมีตัวเลขนำหน้าข้างล่างเป็น อะตอมิกนัมเบอร์ (atomic number) และตัวเลขตามหลังข้างบนเป็นแมสนัมเบอร์(mass number) ของธาตุ สัญลักษณ์ r แทน รังสีแกมมา ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (พลังงาน)และเครื่องหมาย e⁺ แทนอนุภาคโพสิตรอน ซึ่งมีมวลเท่าอิเล็กตรอน แต่มีประจุบวก
          (๑) ₆C¹² + ₁H¹ ฎ ₇N¹³ + r
(คาร์บอน ๑๒ ทำปฏิกิริยารวมกับใจกลางอะตอม ไฮโดรเจน คือ โปรตอน เกิดเป็น ไนโตรเจน ๑๓และมีพลังงานเกิดขึ้นในรูปรังสีแกมมา)
          (๒) ₇N¹³ ฎ ₆C¹³ + e⁺ + neutrino
(ไนโตรเจน ๑๓ สลายตัวให้คาร์บอน ๑๓ กับโพสิตรอน และนิวตริโน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีมวลสูญไม่มีประจุไฟฟ้า และมีความเร็วสูง)
          (๓) ₆C¹³ + ₁H¹ ฎ ₇N¹⁴ + r
(คาร์บอน ๑๓ เข้ารวมกับโปรตอนอีกหนึ่งตัว เกิดเป็นไนโตรเจน ๑๔ และได้พลังงานอีกในรูปของรังสีแกมมา)
          (๔) ₇N¹⁴ + ₁H¹ ฎ ₈ O¹⁵ + r
(ไนโตรเจน ๑๔ รวมกับโปรตอนหนึ่งตัว เกิดเป็น ออกซิเจน ๑๕ ได้พลังงานในรูปรังสีแกมมาอีก)
          (๕) ₈O¹⁵ ฎ ₇N¹⁵ + e⁺
(ออกซิเจน ๑๕ สลายตัวได้ไนโตรเจน ๑๕ กับ โพสิตรอนหนึ่งตัว)
          (๖) ₇N¹⁵ + ₁H¹ ฎ ₆C¹² + ₂He⁴
(ไนโตรเจน ๑๕ รวมเข้ากับโปรตอน ตัวที่สี่เกิดเป็นคาร์บอน ๑๒ กับ อนุภาคแอลฟา หรือแก่นกลางอะตอมธาตุฮีเลียมหนึ่งตัว)

          จะเห็นได้ว่าในสมการปฏิกิริยาหกขั้นข้างบนนี้ อะตอมคาร์บอน ๑๒ เริ่มเข้าทำปฏิกิริยาในขั้นต้น และกลับคืนออกมาจากปฏิกิริยาในขั้นสุดท้าย โปรตอนหรือแก่นกลางอะตอมไฮโดรเจนเข้าสู่ปฏิกิริยาในขั้นที่หนึ่ง สาม สี่ และ หก ที่ละตัว รวมสี่ตัวด้วยกัน เกิดเป็นแก่นกลางอะตอมของธาตุฮีเลียมขึ้นมาในปฏิกิริยาขั้นที่หก ส่วนไนโตรเจน ๑๓ ไนโตรเจน ๑๔ ไนโตรเจน ๑๕ คาร์บอน ๑๓ และออกซิเจน ๑๕ นั้น เกิดมาชั่วระยะหนึ่ง แล้วก็สลายตัวหรือเข้าร่วมปฏิกิริยาขั้นต่อไปจนหมด โพสิตรอนนั้น ทันทีที่เกิดขึ้นก็จะเข้าทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนที่มีอยู่มากมายทั่วไป ทำลายซึ่งกันและกัน แปรมวลของทั้งคู่ให้เป็นพลังงานในรูปรังสี สำหรับนิวตริโนนั้นก็จะเล็ดลอดวิ่งออกไปจากดวงอาทิตย์โดยสะดวกเพราะเป็นของเล็ก เบา ไม่มีประจุไฟฟ้า และมีความเร็วสูง



          พลังงานที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาในรูปรังสีแกมมาจะแผ่กระจายออกจากบริเวณต้นกำเนิดในใจกลางของดวงอาทิตย์ และเนื่องจากเนื้อสารของดวงอาทิตย์ประกอบด้วยอะตอมของธาตุต่างๆมีปริมาณมากมาย ห่อหุ้มส่วนใจกลางอยู่ รังสีแกมมาจึงไม่สามารถไชทะลุผ่านออกมาถึงพื้นผิวได้แต่ก็จะมีการถ่ายทอดและแปรสภาพเป็นรังสีธรรมดา ซึ่งมีขนาดคลื่นและพลังงานน้อย กล่าวคือกลายเป็นแสงสว่างและความร้อนแผ่กระจายจากผิวดวงอาทิตย์ออกไปในอวกาศโดยรอบ
          แต่ก่อนเคยคิดว่าปฏิกิริยาให้พลังงานของดวงอาทิตย์ ส่วนใหญ่เป็นแบบวัฏจักรคาร์บอนในปัจจุบันข้อมูลทางวิชานิวเคลียร์ฟิสิกส์บ่งให้เห็นว่า ในกรณีของดวงอาทิตย์ ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอน ซึ่งจะกล่าวต่อไปตามข้อ ๒ มีความสำคัญกว่าวัฏจักรคาร์บอนซึ่งเกิดเป็นส่วนใหญ่ในดาวฤกษ์ ที่มีอุณหภูมิที่ใจกลางสูงกว่าดวงอาทิตย์ของเรา
[กลับหัวข้อหลัก]

          ๒. ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอน ในปฏิกิริยาแบบนี้มีโปรตอนหกตัว เข้าสู่วงปฏิกิริยาซึ่งทำให้เกิดฮีเลียม ๔ ขึ้นหนึ่งตัว มีโปรตอนสองตัว เหลือและกลับเข้าทำปฏิกิริยาในรอบต่อไป
          (๑) ₁H¹ + ₁H¹ ฎ ₁H² + e⁺ + neutrino
(โปรตอนสองตัวเข้ารวมกันเป็น ดิวทีรอน ซึ่งเป็นแก่นกลางของอะตอมไอโซโทปของธาตุไฮโดร-เจน เกิดโพสิตรอนและนิวตริโนขึ้นอย่างละตัว)
          (๒) ₁H² + ₁H¹ ฎ ₂He³ + r
(ดิวทีรอนเข้ารวมกับโปรตอนได้ฮีเลียม ๓ กับพลังงานในรูปรังสีแกมมา)
          (๓) ₂He³ + ₂He³ ฎ ₂He⁴ + 2₁He¹
(ฮีเลียม ๓ สองตัวรวมกันเข้าเป็นฮีเลียม ๔ ตัวหนึ่ง และเกิดโปรตอน ขึ้นสองตัว)เราอาจเขียนสมการทั้งสามขั้นรวมกันได้เป็น 4₁H¹ ฎ ₂He⁴ + 2e⁺ + 2r +2 neutrino
          ทั้งนี้เพราะสมการ (๑) และ (๒) จะต้องเกิดขึ้นสองครั้งเมื่อมี ฮีเลียม ๓ จำนวนสองตัวมาทำปฏิกิริยาขั้นที่ (๓) ครั้งหนึ่ง
          ปฏิกิริยาทั้งสองชนิดจะเกิดได้ก็ต่อเมื่อโปรตอนและอนุภาคแก่นกลางปรมาณูอื่นๆ นั้น มีความหนาแน่นสูง (กล่าวคือมีจำนวนมากในปริมาตรจำกัด) และต่างมีความเร็วสูงพอที่จะวิ่งฝ่าแรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้าเข้าชนกันได้ สภาพเหมาะสมดังกล่าว คือความหนาแน่นและอุณหภูมิสูงมากนั้น มีอยู่ในบริเวณใจกลางของดวงอาทิตย์ ซึ่งคำนวณกันว่ามีอุณหภูมิ ๑๓.๖ ล้านองศาสัมบูรณ์ และมีความกดดัน ๒  x  ๑๐^๑๑ ต่อตารางเซนติเมตร หรือประมาณ ๒ แสนล้านเท่าของความกดดันของบรรยากาศที่พื้นผิวโลกของเรา
ดูเพิ่มเติม เรื่อง ท้องฟ้ากลางคืน และ อุปราคา
[กลับหัวข้อหลัก]