تويت
كيف تُنْتج الشمس الطاقة
تُرسل الشمس إلى الفضاء طاقة ضوئية وحرارية. فهي تفقد من كتلتها على هيئة طاقة مامقداره 3,6 ملايين طن كل ثانية. ولاتستقبل الأرض من هذه الطاقة التي تفقدها الشمس سوى مايقرب من 1,8 كجم في الثانية الواحدة، أو ما يعادل جزءًا من بليونين من الطاقة التي تبثها الشمس في الثانية الواحدة، غير أن هذه الكمية تكفي لجعل الحياة ممكنةً على سطح الأرض.
ولقد تساءل الكثيرون منذ آلاف السنين عن الكيفية التي يمكن للشمس أن ترسل بها ضوءها، وتستمر في ذلك رغم ماتفقده من طاقة هائلة كل ثانية. ولم تتوفر الإجابة عن هذا السؤال إلا عند حوالي عام 1900م.
نظريات الطاقة الشمسية:
حاول الكثيرون التوصل إلى تفسير يوضح الكيفية التي تبث بها الشمس الضوء والحرارة. واعتقد بعض العلماء أنها كرة عملاقة من الفحم المشتعل. وظن آخرون أن تساقط الشهب عليها هو السبب في انطلاق طاقتها. وفي عام 1800م ظن كل من هيرمان فون هيلمولتز الألماني الجنسية واللورد كلفين من بريطانيا، أن الشمس تستمد طاقتها من استمرار عملية الانكماش البطيء فيها. وقد كانت جميع هذه الأفكار والنظريات خاطئة.
يعتقد العلماء أن الشمس تكوَّنت منذ مايقرب من 4,600,000,000 سنة. ولاتوجد وسيلة أخرى تمكّن الشمس من الاستمرار في إضاءتها وحرارتها كل هذه السنين إلا عن طريق الطاقة النووية. ولم يمض عام 1900م حتى تمكن بعض العلماء من صياغة نظريات عن الطاقة النووية.
أوضح الفلكي البريطاني السير أرثر أدنجتون أن درجة حرارة مركز الشمس تبلغ عدة ملايين من الدرجات المئوية. عند هذه الدرجة تتحد نويات الذرات، في عمليات الاندماج الحراري النووي. وجاء عالم الفيزياء هانز بيتي من الولايات المتحدة الأمريكية، وكارل فون فايسكر من ألمانيا في الثلاثينيات من القرن العشرين ليوضحا هذا الرأي. وبيَّنا أن عملية الاندماج الحراري النووي قادرة على إيجاد كمية من الطاقة كافية لأن تظل الشمس في إشعاعها إلى بلايين السنين.
الفرن الحراري النووي:
تنتج عن تَحوُّل الهيدروجين إلى هيليوم داخل الشمس طاقة حرارية وضوئية. وينتج الهيليوم خلال عدة تفاعلات نووية. وعادة مايعبر العلماء عن هذه التفاعلات الحرارية النووية بأنها احتراق لعنصر الهيدروجين. غير أن هذه التفاعلات ليست عملية احتراق بالمعنى الذي نفهمه عن احتراق بعض المواد كالورق أو الخشب مثلاً.
وأهم التفاعلات النووية في الشمس هي سلسلة البروتون ـ بروتون. وهذه التفاعلات تشمل كلاً من البروتونات والنيوترونات، المكونين الرئيسيين الموجودين في الذرة. وتشمل أبسط هذه التفاعلات ثلاث مراحل ؛ في المرحلة الأولى يتحد بروتونان من نواتي هيدروجين أو يندمجان معاً، وفيها يتحول أحد البروتونين مباشرة إلى نيوترون في عملية تعرف بتآكل بيتا (الانحلال البيتاوي). يكوِّن هذا النيوترون مع البروتون الآخر نواة لنوع من الهيدروجين يسمى ديوتريوم. وفي المرحلة الثانية من تفاعل البروتون ـ بروتون تجذب نواة الديوتريوم بروتونًا آخر لتصبح نوعاً خفيفاً من الهيليوم. في المرحلة الثالثة تتحد نواتان من الهيليوم الخفيف لتكونا نواة هيليوم عادي. وعندما يندمجان ينطلق منهما بروتونان. ويكون لنواة الهيليوم الناتجة بروتونان ونيوترونان. وعلى ذلك فإن تفاعل البروتون ـ بروتون تحول أربعة بروتونات إلى نواة هيليوم واحدة. غير أن نواة الهيليوم تحتوي على مادة أقل قليلاً مما كانت تحتويه البروتونات الأربعة منفصلة. فبعض المادة التي تكونت منها البروتونات الأربعة قد أصبح هو الطاقة التي تشعها الشمس.
وهناك تسلسل آخر من التفاعلات النووية، ينتج طاقة شمسية أقل قليلاً مما ينتجه تفاعل البروتون ـ بروتون. وهذه التفاعلات تكون دورة الكربون ـ نيتروجين ـ أكسجين. وفي هذه الدورة تضاف مقادير من البروتونات إلى نويات كل من الكربون والنيتروجين والأكسجين. ويتحول الكربون إلى نيتروجين ويتحول النيتروجين في بعض الأحيان إلى أكسجين، ولكنه غالباً ما يتحول إلى كربون. وتدخل بعض النويات التي تكونت في عملية تآكل بيتا. وبعد إضافة أربعة بروتونات، تنطلق واحدة من نويات الهيليوم.
يُعدّ عنصر الهيدروجين العنصر الأكثر توفرًا في الكون، إذ أنه وحده يكوِّن ثلاثة أرباع كتلة الشمس. وتحتوي الشمس على كمية من الهيدروجين تكفي لأن تبقى مشعة إلى بلايين السنين.
تُرسل الشمس إلى الفضاء طاقة ضوئية وحرارية. فهي تفقد من كتلتها على هيئة طاقة مامقداره 3,6 ملايين طن كل ثانية. ولاتستقبل الأرض من هذه الطاقة التي تفقدها الشمس سوى مايقرب من 1,8 كجم في الثانية الواحدة، أو ما يعادل جزءًا من بليونين من الطاقة التي تبثها الشمس في الثانية الواحدة، غير أن هذه الكمية تكفي لجعل الحياة ممكنةً على سطح الأرض.
ولقد تساءل الكثيرون منذ آلاف السنين عن الكيفية التي يمكن للشمس أن ترسل بها ضوءها، وتستمر في ذلك رغم ماتفقده من طاقة هائلة كل ثانية. ولم تتوفر الإجابة عن هذا السؤال إلا عند حوالي عام 1900م.
نظريات الطاقة الشمسية:
حاول الكثيرون التوصل إلى تفسير يوضح الكيفية التي تبث بها الشمس الضوء والحرارة. واعتقد بعض العلماء أنها كرة عملاقة من الفحم المشتعل. وظن آخرون أن تساقط الشهب عليها هو السبب في انطلاق طاقتها. وفي عام 1800م ظن كل من هيرمان فون هيلمولتز الألماني الجنسية واللورد كلفين من بريطانيا، أن الشمس تستمد طاقتها من استمرار عملية الانكماش البطيء فيها. وقد كانت جميع هذه الأفكار والنظريات خاطئة.
يعتقد العلماء أن الشمس تكوَّنت منذ مايقرب من 4,600,000,000 سنة. ولاتوجد وسيلة أخرى تمكّن الشمس من الاستمرار في إضاءتها وحرارتها كل هذه السنين إلا عن طريق الطاقة النووية. ولم يمض عام 1900م حتى تمكن بعض العلماء من صياغة نظريات عن الطاقة النووية.
أوضح الفلكي البريطاني السير أرثر أدنجتون أن درجة حرارة مركز الشمس تبلغ عدة ملايين من الدرجات المئوية. عند هذه الدرجة تتحد نويات الذرات، في عمليات الاندماج الحراري النووي. وجاء عالم الفيزياء هانز بيتي من الولايات المتحدة الأمريكية، وكارل فون فايسكر من ألمانيا في الثلاثينيات من القرن العشرين ليوضحا هذا الرأي. وبيَّنا أن عملية الاندماج الحراري النووي قادرة على إيجاد كمية من الطاقة كافية لأن تظل الشمس في إشعاعها إلى بلايين السنين.
الفرن الحراري النووي:
تنتج عن تَحوُّل الهيدروجين إلى هيليوم داخل الشمس طاقة حرارية وضوئية. وينتج الهيليوم خلال عدة تفاعلات نووية. وعادة مايعبر العلماء عن هذه التفاعلات الحرارية النووية بأنها احتراق لعنصر الهيدروجين. غير أن هذه التفاعلات ليست عملية احتراق بالمعنى الذي نفهمه عن احتراق بعض المواد كالورق أو الخشب مثلاً.
وأهم التفاعلات النووية في الشمس هي سلسلة البروتون ـ بروتون. وهذه التفاعلات تشمل كلاً من البروتونات والنيوترونات، المكونين الرئيسيين الموجودين في الذرة. وتشمل أبسط هذه التفاعلات ثلاث مراحل ؛ في المرحلة الأولى يتحد بروتونان من نواتي هيدروجين أو يندمجان معاً، وفيها يتحول أحد البروتونين مباشرة إلى نيوترون في عملية تعرف بتآكل بيتا (الانحلال البيتاوي). يكوِّن هذا النيوترون مع البروتون الآخر نواة لنوع من الهيدروجين يسمى ديوتريوم. وفي المرحلة الثانية من تفاعل البروتون ـ بروتون تجذب نواة الديوتريوم بروتونًا آخر لتصبح نوعاً خفيفاً من الهيليوم. في المرحلة الثالثة تتحد نواتان من الهيليوم الخفيف لتكونا نواة هيليوم عادي. وعندما يندمجان ينطلق منهما بروتونان. ويكون لنواة الهيليوم الناتجة بروتونان ونيوترونان. وعلى ذلك فإن تفاعل البروتون ـ بروتون تحول أربعة بروتونات إلى نواة هيليوم واحدة. غير أن نواة الهيليوم تحتوي على مادة أقل قليلاً مما كانت تحتويه البروتونات الأربعة منفصلة. فبعض المادة التي تكونت منها البروتونات الأربعة قد أصبح هو الطاقة التي تشعها الشمس.
وهناك تسلسل آخر من التفاعلات النووية، ينتج طاقة شمسية أقل قليلاً مما ينتجه تفاعل البروتون ـ بروتون. وهذه التفاعلات تكون دورة الكربون ـ نيتروجين ـ أكسجين. وفي هذه الدورة تضاف مقادير من البروتونات إلى نويات كل من الكربون والنيتروجين والأكسجين. ويتحول الكربون إلى نيتروجين ويتحول النيتروجين في بعض الأحيان إلى أكسجين، ولكنه غالباً ما يتحول إلى كربون. وتدخل بعض النويات التي تكونت في عملية تآكل بيتا. وبعد إضافة أربعة بروتونات، تنطلق واحدة من نويات الهيليوم.
يُعدّ عنصر الهيدروجين العنصر الأكثر توفرًا في الكون، إذ أنه وحده يكوِّن ثلاثة أرباع كتلة الشمس. وتحتوي الشمس على كمية من الهيدروجين تكفي لأن تبقى مشعة إلى بلايين السنين.