33-5 Slnečná produkcia tepla

33-5 Slnečná produkcia tepla

Voľakedy si ľudia predstavovali, ale možno mnohí ešte aj dnes si predstavujú Slnko ako niečo, čo horí, podobne ako horí poleno v peci, či petrolej v lampe. Dá sa ale ľahko vypočítať, že aj keby bolo Slnko najúčinnejšou pohonnou hmotou z  raketových motorov, tak energia ich spálením by sotva stačila na pár tisíc rokov. Na konci 19-ho storočia, v podstate hneď po objavení rovnocennosti mechanickej energie a tepla, H. Helmholtz a od neho nezávisle aj Lord Kelvin vyslovili novú teóriu pôvodu tepla Slnka. Podľa ich predpokladu je Slnko ohromná žeravá guľa plynu, ktorá vďaka vyžarovaniu jej povrchu neustále stráca teplo a – veľmi pomaly – sa zmršťuje. Počas zmršťovania gravitačná sila pôsobiaca medzi časticami tvoriacich Slnko koná prácu, ktorá v dôsledku ekvivalencie mechanickej energie a tepla sa postupne mení na teplo. Vypočítali, že tento proces gravitačného kolapsu je schopný produkovať výrazne viac tepla (energie), než aká sa uvoľní pri chemických reakciách (takou reakciou je aj horenie). Dospeli k  výsledku, že pri zachovaní momentálneho tepelného výkonu Slnka (intenzity ako svieti), vydrží až niekoľko stomiliónov rokov. V časoch Kelvina a Helmhotza sa týchto niekoľko stomiliónov rokov považovalo za dostatočne dlhú dobu k tomu, aby sa mohli vysvetliť geologické procesy. Teória sa prijala bez námietok. Dnes vieme, že vek Zeme je prinajmenšom 4,5 miliardy rokov, a vek pevnej kôry je aspoň 4,4 miliardy rokov. Zmršťovanie Slnka by nebolo schopné zabezpečiť dostatok energie k udržiavaniu vyhovujúcej teploty zemského povrchu a oceánov, aby sa tu mohli vyvinúť živé organizmy (tie sa tu objavili prinajmenšom už miliardu rokov po sformovaní Zeme).

Objav rádioaktivity a spoznanie skutočnosti, že pri jedinej jadrovej premene sa uvoľní miliónkrát viac energie než pri vytvorení jedinej chemickej väzby (chemickom horení), problematika Slnka sa ukázala úplne v inom svetle. Ak by Slnko prostredníctvom chemického horenia vystačilo na niekoľko tisíc rokov, potom pomocou jadrových reakcií to budú miliardy rokov. Nebude sa však jednať o  rádioaktívny rozpad ťažkých jadier ako urán. Keby sme chceli produkciu tepla Slnka (0,2 mW/kg) vysvetliť čisto z rozpadu uránu, museli by sme predpokladať, že celé Slnko je zložené z uránu, tória a ich dcériných produktov. Musíme preto predpokladať, že uvoľneniu tepla dochádza vo vnútri Slnka inou cestou, cestou, ktorá sa môže odohrať len pri špecifických podmienkach v jadre Slnka. Tieto špecifické podmienky sú vysoká teplota a vysoký tlak.

Skutočne, kinetická energia z tepelného pohybu jedinej častice pri teplote 15 × 106 K je

Táto energia je výrazne menšia, než akú sme potrebovali v jadrových experimentoch k prekonaniu odpudivej elektrostatickej bariéry medzi jadrami (1 MeV a vyššie). Zoberme však do úvahy aj to, že kým pri bombardovaní jadra bombardujúca častica má len jeden pokus a vypadnú z kola von, jadrá v  strede Slnka stále majú svoju kinetickú energiu a k tomu obrovský počet možných pokusov – môžu sa o preniknutie bariérou pokúšať hodiny, roky, storočia i miliardy rokov. V roku 1929 rakúsky fyzik F.G. Houtermans a anglický astronóm R. Atkinson potvrdili výpočtami, že pri podmienkach vládnucich v  strede Slnka, nukleárna fúzia vodíkových jadier a iných ľahkých jadier môžu uvoľniť toľko energie, ktorou sa dá vysvetliť dnešný stály tepelný výkon Slnka na miliardy rokov.