Охарактеризуйте химический состав Солнца, его свойства и происходящие процессы

Солнце состоит главным образом из водорода (75 %) и гелия (25 %) по массе. Это соотношение меняется от поверхности к ядру. В верхних слоях водорода содержится 90 %, а гелия – 10 %. Соотношение между водородом и гелием с течением времени изменяется в пользу гелия, поскольку уже в течение 4,5 млрд. лет на Солнце протекают термоядерные реакции, превращающее ядро водорода в ядро гелия. Все остальные химические элементы содержат только 1 % общей массы (О₂, С, Ne, N₂, Fe, Mg, Si, Ni, Na, Ca).

Глубоко под наружным покровом светила температура равная 13 миллионов градусов. При таких условиях солнечное вещество не может быть похожим на обычный газ. Бешено мчащиеся и сталкивающиеся атомы вдребезги разбиваются. Получается плотное скопление осколков атомов – атомных ядер и электронов. Эту смесь называют плазмой. В глубинах Солнца ядра атомов водорода – протоны – нередко налетают друг на друга. Иногда они сталкиваются с сильного разгона. Но, несмотря на огромную температуру и, следовательно, высокие скорости теплового движения, лишь в редчайших случаях (раз в несколько миллиардов лет) столкнувшиеся протоны получают способность пробить броню взаимного электрического отталкивания.

По законам квантовой механики, атомные ядра приобретают способность как бы «проскальзывать» через электрическую броню, преодолевать ее, даже не имея для этого достаточного, согласно представлениям классической физики, запаса энергии.

Рассмотрим реакции, протекающие в недрах Солнца. Под влиянием высокой температуры в ядре Солнца водород превращается в гелий с выделением большого количества тепла; это удерживает Солнце от сжатия под воздействием собственной силы тяжести. Основным источником энергии в недрах Солнца является цепочка протон протонных термоядерных реакций. Примерно в 70 % случаев водородная цепочка состоит из трех основных реакций. Первая из них начинается с бета-распада ядра атома водорода (протона ¹Н), который в свободном состоянии необычайно устойчив. Распад может произойти в краткий миг в результате столкновения двух протонов. Тогда возможно превращение одного из них в нейтрон с испусканием позитрона е⁺ и электронного нейтрино ν_е. Объединяясь с другим протоном, этот нейтрон образует ядро изотопа водорода – дейтерия (тяжелого водорода) с атомным весом 2 (²Н). 

¹Н+¹Н → ²Н+e⁺+ ν_е

В среднем раз в 14 миллиардов лет одни из протонов такой пары преобразуется в нейтрон.

Нейтрино уносят значительную часть энергии Солнца. На их долю приходится около 5 % энергии солнечного излучения. Движущиеся со скоростью света, они слабо взаимодействуют с веществом и практически беспрепятственно проходят через все Солнце, покидая его.

 Во второй реакции дейтроны ²Н, возникшие в результате первой реакции, за считанные секунды захватывают новые протоны, образуя ядра изотопа ³Не с испусканием фотона

²Н+¹H → ³He+γ

Благодаря третьей реакции, в течение времени, порядка миллиона лет, ядра изотопа ³Не могут слиться и, высвободив два протона, образовать ядро обычного гелия ⁴Не.

³Не+³Не → ⁴Не+ 2¹Н

Кроме того, в недрах Солнца идут и другие реакции – так называемого углеродного цикла. Такие реакции обеспечивают не более 1-2 % светимости Солнца. Они происходят только в самом центре светила, где температура и плотность достигают наибольших значений. По мере удаления от центра Солнца температура и плотность становятся меньше, выделение энергии за счет углеродного цикла быстро прекращается и вплоть расстояния 0,2-0,3 радиуса от центра существенной остается только протон-протонная цепочка реакций. В составе солнечного вещества присутствует ничтожное количество атомных ядер углерода с атомным весом 12. Они могут служить своего рода посредниками преобразования протонов в ядра гелия. В среднем раз в 13 миллионов лет быстрый протон проникает в ядро углерода-12 (¹²С) и образует ядро азота-13 (¹³N):                              ¹²С+¹H→¹³N+ γ

¹³N через 14 мин. претерпевает радиоактивный распад, излучая позитрон и нейтрино и превращаясь в ядро углерода-13 (¹³С) захватывает второй протон, что приводит к возникновению устойчивого ядра азота -14 (¹⁴N):

¹³N→¹³С+ е⁺ + ν_е, ¹³С+¹H→¹⁴N+ γ

Это ядро в среднем через 32 миллиона лет способно захватить третий протон и преобразоваться в ядро кислорода-15 (¹⁵О):          ¹⁴N+¹H→¹⁵О+ γ

, которое очень быстро (в среднем через 3 мин.) выбрасывает позитрон и нейтрино, чтобы превратиться в ядро азота-15 (¹⁵N) захватывает четвертый протон, выбрасывает ядро гелия и превращается в ядро углерода-12 (¹²С), с которого и началась вся цепочка реакций:

¹⁵О→¹⁵N + е⁺ + ν_е,   ¹⁵N+¹H→¹²С+⁴Не

Можно убедиться, что углеродные ядра в данной последовательности реакций не расходуются. Зато в результате цикла четыре протона превращаются в ядро гелия.