لقد طرح العلماء العظماء نفس السؤال في الماضي. ويمكن صياغتها بطريقة أخرى: أين سول طاقتك؟
سؤال من ماتيو، 15 عامًا. IES زيدين فيرجيليس (غرناطة).
لقد طرح العلماء العظماء نفس السؤال في الماضي. ويمكن صياغة الأمر بطريقة أخرى: من أين تحصل الشمس على طاقتها؟
حسنًا، عالم فيزياء ورياضيات بريطاني وليام طومسونأصبح رب -اللورد كلفن-، كتب سلسلة من المقالات حول هذا الموضوع في عام 1862. أدرك طومسون أن طاقة نجمنا لا يمكن أن تأتي منه الإحتراقتفاعل كيميائي تتحد فيه مادة (وقود) مع الأكسجين لتكوين مركب جديد، مما يؤدي إلى إطلاق الضوء والحرارة في هذه العملية.
على سبيل المثال، إذا كانت الشمس مصنوعة من الكربون، فسوف يتم استهلاكها خلال 5000 عام فقط، وهي “تنهيدة” بالمصطلحات الفلكية.
لم يتم الافراج عن الحسابات
الحساب بسيط نسبيًا: تستقبل الأرض أكثر من ألف واط لكل متر مربع من الشمس. وتبلغ الطاقة الإجمالية المنبعثة من النجم، مضروبة في مساحة كرة نصف قطرها تساوي مدار الأرض، حوالي 150 مليون كيلومتر.
والآن دعونا نتخيل أن الشمس مصنوعة من الفحم المحترق. ويوفر هذا الوقود حوالي 26 مليون جول لكل كيلوغرام – الوحدة الدولية للطاقة. لذا، يحترق النجم بمعدل 14×10¹⁸ (أي 14 و18 صفرًا) كيلوجرامًا في الثانية. وبما أن كتلة الشمس تبلغ حوالي 2×10³⁰ كجم، فسيتم استهلاك الكربون خلال تلك الخمسة آلاف سنة القصيرة.
الاستنتاج هو أن الاحتراق لا يمكن أن يكون أصل الطاقة الشمسية. لا يهم ما إذا كنا نتحدث عن الفحم أو أي وقود آخر: سنحصل على قيمة أعلى أو أقل قليلاً، ولكن ترتيب الحجم هو نفسه.
كما يمكننا استبعاد أن أي تفاعل كيميائي هو أصل الضوء والحرارة الواصلين إلى الأرض، حيث أن الطاقات المنبعثة من هذه التفاعلات تكون على الأكثر في حدود 100 مليون جول لكل كيلوغرام من التفاعل. الحسابات غير نشطة.
اكتشف اللورد كلفن (أخطأ في الحساب) عمر الشمس ووضع داروين تحت المراقبة.
في النهاية، الإجابة الأكثر وضوحًا على هذا السؤال هي أن الشمس لا تحتاج إلى الأكسجين لتوليد طاقتها لأنه لا يأتي من الاحتراق أو أي تفاعل كيميائي آخر.
نظر طومسون وعلماء آخرون في عصره في احتمالات أخرى. على سبيل المثال، جاءت الطاقة من السقوط المستمر للنيازك على سطح نجمنا. لكن عدد النيازك اللازمة لتوليد كل الحرارة التي تطلقها لا يتطابق مع الملاحظات.
وبعد رفض هذه الآلية، مال طومسون نحو فرضية سبق أن اقترحها زميله الألماني. هيرمان فون هيلمهولتز: تنقبض الشمس تحت تأثير جاذبيتها، ويولد الاحتكاك الحرارة اللازمة.
وبناء على هذه الفكرة، حسب طومسون أن النجم سيكون لديه القدرة على التألق لمدة حوالي 20 مليون سنة. وتتناقض هذه الأرقام مع العمر الذي قدّره الجيولوجيون للأرض بأنه قديم جدًا. كما أبطلوا نظرية ذلك تشارلز دارويناعترض كلفن، لأن 20 مليون نوع لا يبدو أنها سنوات كافية للتطور. وحتى بعد فترة طويلة لم يتم حل الصراع.
تم حل اللغز: الطاقة المنبعثة من الشمس هي من أصل نووي
إذًا، من أين تحصل الشمس على طاقتها الخارجية؟ بينما الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل مع اكتشاف النشاط الإشعاعي (انبعاث الجسيمات دون الذرية من النواة) في عام 1903، ظهرت إمكانية جديدة: الطاقة النووية. لكن الأمر استغرق عقودًا لكشف قوانين الفيزياء النووية.
اليوم نعلم أن الشمس تنتج الطاقة الاندماج النووي. على وجه التحديد، عندما تتحد أربع نوى (بروتونات) من ذرات الهيدروجين لتشكل نواة عنصر آخر: الهيليوم. ينبعث في هذه العملية جسيمان دون ذريان يطلق عليهما البوزيترونات والنيوترينوات، بالإضافة إلى 26.73 ميغا إلكترون فولت من الطاقة (المليون إلكترون فولت هي 1 ميغا إلكترون فولت، وهي الوحدة المستخدمة في الطاقة النووية).
ومع ذلك، فإن هذا التفاعل لا يحدث في خطوة واحدة لأنه من المستبعد جدًا أن تصطدم أربعة بروتونات في وقت واحد. جسم هانز بيث ي كارل فون ويساكر درست المشكلة بشكل مستقل في عام 1938 ووجدت أن ذلك تم على مراحل بفضل آليتين: دورة البروتون-بروتون ودورة الكربون-النيتروجين-الأكسجين. الأول يسمح للشمس أن تشرق، والثاني يهيمن على النجوم الأكبر منها.
إن الطاقة التي ينطوي عليها التفاعل النووي، مثل اندماج الهيدروجين لتكوين الهيليوم، تبلغ مليون مرة طاقة التفاعل الكيميائي، وهي كافية لإضاءة السماء بما يتجاوز خيال الشمس. يقدر عمر النجم الذي يمنحنا الضوء والحرارة اليوم بحوالي 4.6 مليار سنة وسيستمر في التألق لبضعة مليارات من السنين.
المتحف التفاعلي حديقة الأندلس للعلوم يساهم في حوار قسم الناشئين.
ألبرتو توماس بيريز إزكويردوأستاذ الكهرومغناطيسية، جامعة إشبيلية
