Разработка урока "Солнце-звезда"

Г. УРАЛЬСК,2015 Г.

Тема: Солнце-дневная звезда. Основные характеристики, источник энергии и эволюция Солнца.

Цель : О. Знать основные физические характеристики Солнца,

источник его энергии,

эволюционный путь Солнца.

Р. Уметь охарактеризовать условия для осуществления термоядерных реакций на Солнце, исходя из внутреннего строения , записать термоядерную реакцию и её энергетический выход.

В. Навык самостоятельного сбора материала по теме и,умения написать и представить работу в виде ученического проекта.

Тип урока: интегрированный урок физика-астрономия по программе 11 класса;

урок объяснения и закрепления нового материала.

Вид деятельности учеников: метод ученических мини проектов и их представление, тестирование по усвоению материала темы, решение задач по теме с опорой на ранее полученные знания.

Оборудование к уроку: интерактивная доска, тестирующие устройства, презентация по теме урока, видеофрагменты.

План урока: 1) Организация учеников к работе на уроке.

2) Вступительное слово учителя.

3) Объяснение нового материала и представление учениками мини проектов.

4) Обобщение полученных знаний и закрепление материала темы, путём тестирования и решения задач по теме.

Вступительное слово учителя:

Послушайте!

Ведь если звёзды зажигают-

Значит, это кому-нибудь нужно?

В.Маяковский.

Великие астрономы прошлого не раз задумывались, за счёт чего светят звёзды. За счёт чего, нагреваются до высоких температур недра, и миллионы лет испускается огромный световой поток? Вопрос исторически созрел, только после того как был открыт закон сохранения и превращения энергии. Было осознано, что физические явления не происходят «задаром». Для каждого требуется свой источник энергии, и понять природу явления, значит найти его энергетический источник.

Наша задача на уроке изучить путь которым наука пришла к знанию того, что источник энергии звёзд термоядерная реакция, одна из разновидностей ядерных реакций и выяснить при каких условиях протекают термоядерные реакции на Солнце, отразить эволюционный путь Солнца и звёзд.

И так наше Солнце. Каковы его физические характеристики?

Расстояние до Земли- 15000 мл. км.

Тип звезды - жёлтая звезда

Возраст- 4,7млр. лет

Эффективная температура- 6000К

Химический состав: 70% всей массы- «Н», 28% «Не».

При изучении физики атомного ядра мы говорили о источнике энергии который использует человечество для развития цивилизации -ядерной энергии. Но наша Земля существует ,получая энергию Солнца. Что является источником энергии Солнца и звёзд?

Можно ли эту энергию использовать на Земле?

Совершим исторический экскурс, как учёные представляли источник энергии звёзд.

Ю.Майер, первооткрыватель закона сохранения энергии в механических и тепловых процессах, считал, что Солнце и звёзды разогреваются в результате падения на них комет. Позднее когда стала известна частота столкновений комет с Солнцем, этот источник энергии оказался слишком незначительным для объяснения солнечной светимости.

Г.Гельмгольц и У.Томсон предположили, что звёзды разогреваются и излучают вследствие постоянного гравитационного сжатия. Эта модель встретилась с трудностями , видимыми на примере Солнца. Энергия выделившаяся в результате сжатия первичного облака до радиуса Солнца, очевидно равна гравитационному потенциалу V=GM²_с /R _{с ,} где G - гравитационная постоянная, M_с масса R _с радиус Солнца. Так как светимость L- величина постоянная (как утверждает геология), можно определить «гравитационное время» Солнца: t _гр= V/L = 30 мл. лет, что намного меньше его истинного возраста( 4,7 мл. лет), определённого методом радиоактивного анализа. Выходит одно гравитационного источника недостаточно. Его роль очень важна при начальном разогреве облака, что можно показать с помощью теоремы Вириала ( для замкнутой системы тел):

E _P + 2E _k = 0 (1)

Где E _P и E _k потенциальная и кинетическая энергия звезды. Полагая для простоты, что звезда состоит из водородной плазмы и что E _k = 3/2 kT*2N, N = M _C /m _P (k –постоянная Больцмана, m_P – масса протона), E_P =GM ²_C /R_C , из (1) находим температуру T=4*10⁶ К, что близко к средней температуре Солнца. Из теоремы (1) следует и другой важный вывод: излучая, звезда сжимается и в результате ещё больше разогревается, что соответствует ожидаемой эволюции. И всё же должен быть основной источник «включающийся» при высокой температуре, который обеспечивает долгую жизнь звезды.

А.Эддингтон и Джеймс, каждый по – своему, искали главный источник: первый – в реакциях аннигиляции вещества, в которых масса превращается в энергию (в соответствии с соотношением E = mС²), второй в реакции радиоактивного распада. Аннигиляционный источник энергии даёт звезде огромный запас энергии, снимая противоречия с возрастом. Однако реакция аннигиляции между частицами и античастицами , а плазма солнца состоит только из частиц (протоны и электроны), аннигилировать «не имеют права». И всё же Эддингтон угадал , температурную зависимость источника звёздной энергии- и является идейным отцом термоядерных звёздного термоядерного синтеза. «Распадный» механизм недостаточно быстрый. За счёт энергии, выделяемой в радиоактивных распадах, внутренние части планет разогреваются до тысяч градусов(например- расплавленное ядро Земли), эта энергия мала для сообщения температур порядка 10⁶-10⁹ К.

Молодой Ландау предложил в 1937 году идею аккреционного источника: каждая звезда имеет плотную нейтронную сердцевину, падение вещества (аккреция) на которую, является эффективной тепловой машиной преобразующей в энергию- 30 % массы. Такой механизм снимал трудности звёздной энергетики, но уступил место более простому термоядерному источнику.

Верная гипотеза термоядерного источника, высказанная в 1929 г., подхваченная и развитая многими физиками (Г.Гамов, Э.Теллер, К.Вейтцзеккер…), нашла окончательное выражение в работах Х.Бете.

Термоядерные реакции.

Мы говорили, что ядерные реакции осуществляются двумя путями - один из них это реакция синтеза лёгких ядер.

Первым указанием на реакции синтеза, в которых выделяется энергия, было то ,что масса 4 ядер водорода ₁Н¹ больше суммы масс ядер гелия ₂Не⁴ и двух позитронов ₊₁е , так как возможен процесс ( согласно законам сохранения энергии и электрического заряда)

4 ₁Н¹ -› ₂Не⁴ + 2₊₁е + 2v + Q (2)

где Q = 4m_P – m _НE - 2m_е = 26,8 МэВ – выделяющаяся энергия, m_P ,m _НE ,m_е – массы протона, гелия, электрона. Удельное энерговыделение процесса очень высокое – почти на порядок больше ,чем в реакции деления урана в атомном реакторе. По сравнению с органическими (нефть, газ) ,ядерное водородное топливо калорийнее в миллионы раз. Но чтобы начать реакцию на звезде надо температуру порядка - 10⁷К, которая заставляет атомы водорода (протоны) быстро двигаться и сближаться до расстояний действия ядерных сил. Энергия ,выделяющаяся за счёт перестройки ядер: вместо свободных протонов образуются ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, и часть их массы (около 1%) высвобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции.

Как осуществить реакцию (2)?

Радиус действия ядерных сил очень мал (2*10^-13 см), и вероятность нахождения четырёх протонов в столь малом объёме ничтожна даже в центре звёзд. Сближаясь до столь малых расстояний, преодолевая кулоновские силы отталкивания, частицы могут лишь попарно за счёт своей большой кинетической энергии. Стало ясно почему при высокой температуре осуществляются термоядерные реакции ,а при низкой работает гравитационный источник. Бете предложил два термоядерных цикла - протоно-протонный и углеродно-азотный (СN)- и загадка звёздной энергии была решена.

Трудности осуществления термоядерного синтеза.

Трудности осуществления термоядерного синтеза таковы. Известно, что объединению положительно заряженных лёгких ядер препятствуют кулоновские силы отталкивания. Чтобы преодолеть это, нужно придать частицам в плазме огромные кинетические энергии путём разогрева плазмы до высокой температуры. При сближении на расстояние 10^-14м ядра, вошедшие в сферу влияния ядерных сил, объединяются, образуя новое ядро, в результате чего высвобождается огромная энергия.

Где в недрах Солнца- звезды существуют условия для протекания термоядерных реакций?

Основываясь на данных о массе, светимости, радиусе Солнца, физических законах можно получить данные о температуре, давлении, плотности, химическом составе на разных расстояниях от центра Солнца. Первые три параметра возрастают с глубиной, достигая максимального значения в центре Солнца. Содержание же водорода наибольшее в фотосфере и атмосфере Солнца.

Рассмотрим строение Солнца:

Зона ядерных реакций

Зона переноса лучистой энергии

Конвективная зона.

Термоядерные реакции происходят только в самом центре Солнца. Эта зона ядерных реакций простирается на 0,3 радиуса от центра. Значительная энергия передаётся в зоне переноса лучистой энергии ( от 0,3 до 0,7 радиусов Солнца) от более низкого слоя к более высокому путём «просачивания» энергии излучения. Каждый последующий слой излучает кванты меньшей энергии, чем предыдущий. Поэтому, вырабатываемые в центральной области Солнца гамма кванты ,превращаются сначала в кванты рентгеновского, ультрафиолетового а у поверхности видимого излучения. Примерно на расстоянии 0,3 радиуса Солнца от его поверхности основным процессом переноса энергии из глубин наружу становится, конвекция. Конвекционная зона простирается до верхних слоёв Солнца- фотосферы ,о чём свидетельствует грануляция фотосферы.

Равновесие Солнца обеспечивается тем, что силы тяготения стремящиеся сжать газовый шар, уравновешиваются силами внутреннего газового давления. Это позволяет оценить физические параметры зоны ядерных реакций.

Физические характеристики зоны ядерных реакций:

Температура Т=1,4*10⁷К.

Давление р=2*10¹⁶Па

Плотность 14000 кг/м³

И так в зоне ядерных реакций Солнца созданы условия для протекания термоядерных реакций.

В 1938 году Х.Бете предложил два термоядерных цикла протоно - протонный и углеродно-азотный ,что объяснило природу источника энергии звёзд.

Р-р цикл – основная ветвь состоит из трёх последовательных реакций: первая при столкновении двух протонов образование дейтрона ₁Н² .Она идёт с малой вероятностью и только благодаря огромному числу реакция осуществляется. Как только возникнет дейтрон вторая и третья реакции идут без затруднений ( за время 10с и 106) Подводя итог, для чего надо избавиться от промежуточных частиц(₁Н² , ₂Не³) Получаем: 4 ₁Н¹ -› ₂Не⁴ + 2₊₁е + 2v + Q (3), где энергия гамма кванта входит в Q ) Этот процесс как процесс (2),но исправленный на закон сохранения лептонного заряда- лептоны всегда рождаются парами (электрон-антинейтрино и позитрон-нейтрино). Масса нейтрино крайне мала 1МзВ/ с² то Q не меняется. В физическом плане добавление нейтрино крайне важно- Солнце испускает не только видимое, но и нейтронное излучение.

Кроме основной ветви этой реакции ,есть две побочные в которых образуются изотопы лития(3/7), бериллия(4/8), бора (5/8)

Углеродо-азотный цикл: происходит на ядрах углерода, азота, кислорода посредством реакции синтеза и радиоактивного распада. Ядро ₆С¹² является катализатором, которого начинается и заканчивается цикл.

Реакции углеродо-азотный цикла идут при более высоких температурах, чем реакции р-р цикла. Энергия Солнца на 95% вырабатывается за счёт р-р цикла и только 5% углеродо-азотный цикла. В более массивных звёздах ,таких как Сириус (голубой гигант) идёт на 100% за счёт углеродо-азотный цикла.

Просмотр видеофрагмента из диска «Открытая физика».

Доказательство термоядерного источника энергии Солнца.

Работы мини проекты учеников .

Подтверждение расчёта моделей звёзд-всех типов.

Проблема фиксации и изучения солнечного нейтрино.

Изотопно-углеродный след в спектре Солнца.

Эволюционный путь Солнца. Анализ диаграммы Герцшпрунга – Рассела.

Обобщение материала изученного на уроке учителем, оценка за мини проекты.

Д/З.§10.4

Закрепление изученного материала – выполнение теста «Термоядерные реакции» с применением тестирующих устройств.

Решение задачи № 1272 по задачнику А.П.Рымкевича.

Итог урока.