14,486 Views
Favorite
ก๊าซไฮโดรเจนเป็นธาตุซึ่งมีปริมาณมากที่สุดใน "เอกภพ" และมีมากที่สุดบนดวงอาทิตย์ด้วย เมื่ออะตอมของไฮโดรเจนรวมตัวกันเข้าเป็นอะตอมของธาตุฮีเลียม ในปฏิกิริยาเรียกว่า "ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์" นั้น มวลสารของไฮโดรเจน ๑ กรัมจะสูญหายไป ๐.๐๐๗ กรัม โดยการแปรรูปเป็นพลังงาน และจะได้พลังงาน = ๐.๐๐๗ x (๓ x ๑๐๑๐) ๒ เอิร์กต่อทุก ๆ ๑ กรัมของไฮโดรเจน ที่เข้าทำปฏิกิริยา ถ้าสมมุติว่ามวลของดวงอาทิตย์ทั้งหมดประมาณ ๒ x ๑๐๓๓ กรัมนั้นเป็นธาตุไฮโดรเจน ดังนั้นพลังงานทั้งหมดที่จะได้จากการแปรธาตุไฮโดรเจนทั้งหมดบนดวงอาทิตย์เป็นธาตุฮีเลียม จะเป็น ๐.๐๐๗ x (๓ x ๑๐๑๐) ๒ x ๒ x ๑๐๓๓ เอิร์ก เท่ากับ ๑.๒๖ x ๑๐๕๒ เอิร์ก เอาปริมาณพลังงานที่อาจเกิดขึ้นได้จากการแปรธาตุไฮโดรเจนทั้งหมดนี้หารด้วยพลังงานที่ดวงอาทิตย์ คายออกในการแผ่รังสี ๓.๙ x ๑๐๓๓ เอิร์กต่อวินาที จะได้อายุหรือเวลาที่ดวงอาทิตย์จะแผ่รังสีเช่น นี้ได้ ๓.๒๓ x ๑๐๑๘ วินาที หรือเท่ากับประมาณ ๑๐๑๑ ปี (หนึ่งแสนล้านปี)
"อายุของเอกภพ" ตามการคำนวณทางดาราศาสตร์จากอายุของดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดมีค่าประมาณ ๑ ถึง ๓ หมื่นล้านปี ดังนั้นการคำนวณอย่างหยาบ ๆ ดังกล่าว จะชี้ให้เห็นว่าแนวคิดเรื่องแหล่งพลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์ของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ต่างๆ คงจะเป็นแนวคิดที่ถูกต้อง นักฟิสิกส์ ชื่อ "เอช เบเธ" (H. Bethe) ได้เป็นคนแรกที่ให้ความคิดเห็นว่า "ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์" อันเป็นแหล่งเกิดพลังงานของดวงอาทิตย์ อาจเป็นปฏิกิริยาสองชนิดดังต่อไปนี้
ปฏิกิริยาชุดนี้มีธาตุคาร์บอนเป็นตัวชักนำ หรือ "คะตะลิสต์" (catalyst) คาร์บอนเข้าร่วมในปฏิกิริยาในขั้นต้น และกลับคืนออกมาในขั้นสุดท้าย จึงไม่สูญเสียปริมาณไป ปฏิกิริยามี ๖ ขั้นด้วยกัน สมการที่แสดงต่อไปนี้ใช้อักษรสัญลักษณ์ของธาตุ โดยมีตัวเลขนำหน้า ข้างล่างเป็นอะตอมิกนัมเบอร์ (atomic number) และตัวเลขตามหลังข้างบนเป็นแมสนัมเบอร์ (mass number) ของธาตุสัญลักษณ์ r แทน "รังสีแกมมา" ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (พลังงาน) และเครื่องหมาย e+ แทน "อนุภาคโพสิตรอน" ซึ่งมีมวลเท่า "อิเล็กตรอน" แต่มีประจุบวก
จะเห็นได้ว่าในสมการปฏิกิริยาหกขั้นข้างบนนี้ "อะตอมคาร์บอน ๑๒" เริ่มเข้าทำปฏิกิริยาในขั้นต้น และกลับคืนออกมาจากปฏิกิริยาในขั้นสุดท้าย "โปรตอนหรือแก่นกลางอะตอมไฮโดรเจน" เข้าสู่ปฏิกิริยาในขั้นที่หนึ่ง สาม สี่ และ หก ที่ละตัว รวมสี่ตัวด้วยกัน เกิดเป็น "แก่นกลางอะตอมของธาตุฮีเลียม" ขึ้นมาในปฏิกิริยาขั้นที่หก ส่วน "ไนโตรเจน ๑๓" "ไนโตรเจน ๑๔" "ไนโตรเจน ๑๕" "คาร์บอน ๑๓" และ "ออกซิเจน ๑๕" นั้น เกิดมาชั่วระยะหนึ่งแล้วก็สลายตัวหรือเข้าร่วมปฏิกิริยาขั้นต่อไปจนหมด 'โพสิตรอน' นั้นทันทีที่เกิดขึ้นก็จะเข้าทำปฏิกิริยากับ "อิเล็กตรอน" ที่มีอยู่มากมายทั่วไป โดยทำลายซึ่งกันและกัน จนแปรมวลของทั้งคู่ให้เป็นพลังงานในรูปรังสี สำหรับ "นิวตริโน" นั้นก็จะเล็ดลอดวิ่งออกไปจากดวงอาทิตย์โดยสะดวก เพราะเป็นของเล็ก เบา ไม่มีประจุไฟฟ้า และมีความเร็วสูง
---------------------------------------------------------------------------------------
"แผนภาพวัฏจักรคาร์บอน" แสดงปฏิกิริยาของอนุภาคใจกลางของอะตอมของธาตุ ซึ่งเป็นผลให้โปรตอนสี่ตัวรวมกันเข้าไปใจกลางอะตอมฮีเลียมหนึ่งตัว โดยอาศัยใจกลางอะตอมคาร์บอน ๑๒ หนึ่งตัวเป็นคะตะลิสต์ กล่าวคือ เข้าทำปฏิกิริยาร่วมด้วยในตอนต้น แล้วกลับออกมาจากปฏิกิริยาโดยตัวเองไม่เปลี่นแปลง ตัวเลขและอักษรที่เขียนไว้ในวงกลมแทนอะตอมนั้น แสดงจำนวนโปรตอนและนิวตรอน เช่น คาร์บอน ๑๒ มีโปรตอนหกตัวและนิวตรอนหกตัว
เมื่อพิจารณาสรุปรวมผลแล้ว จะเห็นว่าสิ่งที่เข้าสู่ปฏิกิริยาวัฏจักรนี้ คือ คาร์บอน ๑๒ หนึ่งตัว โปรตอนสี่ตัว กับอิเล็กตรอนสองตัว สิ่งที่เกิดจากปฏิกิริยา คือ นิวตริโนสองตัว รังสีพลังงานหกควอนตา หน่วยของรังสีพลังงานอนุภาคแอลฟาหรือฮีเลียม ๔ และคาร์บอน ๑๒ ซึ่งกลับออกมาจากปฏิกิริยา พร้อมที่จะใช้ได้อีกในวัฏจักรต่อๆ ไป
---------------------------------------------------------------------------------------
การใช้โปรตอน (ซึ่งเป็นใจกลางอะตอมไฮโดรเจน) ไปสี่ตัว และเกิดฮีเลียม ๔ ขึ้นนี้ นับว่าธาตุไฮโดรเจนรวมกันเข้าเป็นฮีเลียมและคายพลังงานออกมาในรูปของรังสี และการเคลื่อนที่ของอนุภาคต่างๆ
พลังงานที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาในรูปรังสีแกมมาจะแผ่กระจายออกจากบริเวณต้นกำเนิดในใจกลางของดวงอาทิตย์ และเนื่องจากเนื้อสารของดวงอาทิตย์ประกอบด้วยอะตอมของธาตุต่างๆ มีปริมาณมากมาย ห่อหุ้มส่วนใจกลางอยู่ รังสีแกมมาจึงไม่สามารถไชทะลุผ่านออกมาถึงพื้นผิวได้ แต่ก็จะมีการถ่ายทอดและแปรสภาพเป็นรังสีธรรมดา ซึ่งมีขนาดคลื่นและพลังงานน้อย กล่าวคือ กลายเป็นแสงสว่างและความร้อนแผ่กระจายจากผิวดวงอาทิตย์ออกไปในอวกาศโดยรอบ
_______________________________________________________________________________________________________
ในปฏิกิริยาแบบนี้มีโปรตอนหกตัว เข้าสู่วงปฏิกิริยาซึ่ง ทำให้เกิดฮีเลียม ๔ ขึ้นหนึ่งตัว มีโปรตอนสองตัว เหลือและกลับเข้าทำปฏิกิริยาในรอบต่อไป
ทั้งนี้เพราะสมการ (๑) และ (๒) จะต้องเกิดขึ้นสองครั้งเมื่อมี ฮีเลียม ๓ จำนวนสองตัว มาทำปฏิกิริยาขั้นที่ (๓) ครั้งหนึ่ง
