Почему светят звезды ил проблема термояда

Я первый раз задаю здесь тему и думаю, что она многим будет интересна.
Да простят меня профессора, пребывающие на этом сайте, но не у всех сохранились школьные знания, поэтому некоторые вещи будут рассказаны подробно. Читателей прошу простить меня великодушно за некоторые шероховатости в тексте, но он целиком оригинальный, не скопированный с сайта. Буду благодарен за любое сообщение, особенно за конструктивную критику.

В ХХ веке наибольшее развитие получила физика микромира - ядерная физика. Ею занимались Резерфорд, Кюри, Ферми, Бор, Паули, Томсон, Планк, Эйнштейн, Капица, Тамм, Ландау (тут про каждого несколько дней нужно рассказывать).
И оказалось, что микромир намного сложнее макромира, там были свои законы. Однако Макс Планк и Альберт Эйнштейн обосновали две самые простые, но в тоже время колоссально значимые формулы.
Планк - Энергия кванта (наименьшей частицы света) равна произведению постоянной Планка на частоту кванта E = h*v
Эйнштейн - Каждое тело, благодаря самому факту своего существования обладает энергией покоя, которая равна произведению массы тела на квадрат скорости света (электромагнитных волн) в вакууме E0=m0*c^2
с - самая большая величина скорости, недостижимая современной физикой и она равна 300 000 километров в секунду.
Используя вторую формулу, энергию можно измерять не в общепринятых джоулях или применяемых в ядерной физике электрон-вольтах, а в тоннах (или килограммах)

Если измерять энергию в тоннах, используя формулу Эйнштейна, то получится очень немного, так как квадрат скорости света очень большая величина. Были произведены оценки. Около 10 тонн человечество израсходовало с момента появления homo sapiens до 1900 года. Еще столько же израсходовали с 1900 по 1950 годы. А вот с 1950 года до сегодняшнего дня человечество израсходовало почти в 2 раза больше энергии, чем за все время с момента свого возникновения
Основой энергетики продолжают оставаться нефть, газ и каменный уголь, хотя природа создавала их миллионы лет и они являются невозобновимым сырьем для всей химической промышленности (Менделеев говорил, что сжигать углеводороды равносильно тому, что топить печь ассигнациями). При этом объемы добычи посттоянно возрастали (помню как при Андропове в 1984 советские нефтянники бодро отрапортовали, что добились добычи 1 миллиона тонн нефти в сутки). Но дальше темпы падали и продолжают падать. Промышленная заготовка нефти началась в 19 веке и тогда коэффициент энергетической эффективности (отношение энергии, которую можно получить из добытой нефти к энергии, затраченной на ее добычу) составлял 14-15:1 (нефть лежала на поверхности). Далее он постоянно снижался и сегодня составляет 2-2,5: 1. А далее 1:1 и все. Человеческая цивилизация погибнет.
Как же спасти человечество? Можно использовать ядерную энергию, но запасы урана и тория ограничены, а на территории СССР было 3 крупномасштабных катастрофы - Челябинск 1957, Чернобыль 1986 и Омск 1993 поэтому во многих странах, под давлением Greenpeace, они закрываются
Выход подсказали далекие звезды...
Почему они светят?

Знаменитый философ Томас Гоббс вошел в историю как автор знаменитой фразы Homo homini lupus est
Перевод фразы - человек человеку волк.

Гоббс осуждал такие отношения и считал, что главная причина таких отношений между людьми - прогресс науки и техники (уже тогда сложилось противостояние сциентистов и техницистов с одной стороны и гуманистов с другой, будущий конфликт физиков и лириков). Но силы науки не безграничны, писал Гоббс, человек никогда не узнает из чего состоят звезды.
И вот через несколько лет после такого заявления химик Бунзен (он и физикой много занимался, но это отдельная тема, тогда люди были универсальные и многогранные) делал обыкновенный опыт - нагревал в пламени горелки асбестовую пластинку, смоченную раствором обыкновенной соли - хлорида натрия. Внезапно в пламени вспыхнула ярко желтая полоса - это был натрий выделившийся от высокой температуры. Так был открыт спектральный анализ - универсальный способ без которого не было бы многих отраслей современных наук и по значимости с которым может сравниться только открытие хроматографии Цветом в 1908 году (тема про хромотографию отдельная и очень интересная)

Звезды находятся далеко, самая ближайшая (proxima) в созвездии Центавра (оно видно только в Южном полушарии)находится на расстоянии 4 световых года (а свет за секунду проходит 300 000 километров), а другие намного дальше. Кроме того свет от звезд сильно ослабляется звездной пылью (происходит его дисперсия - рассеивание, подобно тому как рассеивается свет в мельчайшей водяной пыли после дождя и возникает радуга), что сильно искажает результаты.
В обыкновенный телескоп даже менисковый конструкции Махмутова на звезды смотреть бесполезно - они находятся настолько далеко, что так и остануться светящимися точками (первый телескоп изобрел Галилей и он увеличивал только в 3 раза, а последние его конструкции - около 30 раз, но инквизиция запретила ему этим заниматься, а то бы сожгли как Джордано Бруно или Мигеля Серветта- первооткрывателя малого круга кровообращения. Но с их помощью он рассмотрел поверхность Луны и Марса, открыл пятна на Солнце и установил характер его вращения, исследовал атмосферы Венеры, состоящую из облаков углекислого газа, открыл 2 спутника Марса - Фобос (страх ) и Деймос (ужас), а также 4 самых крупных у Юпитера, в том числе Титан с мощной атмосферой из азота и Ио - с несколькими действующими вулканами, но это все в пределах Солнечной системы)
Для исследования звезд были нужны телескопы на основе параболических зеркал

В аналитической геометрии проходят три кривые второго порядка - эллипс (частный случай окружность) - согласно первому закону Кеплера по эллипсу движутся все планеты вокруг Солнца, причем Солнце, находится в особой точке - фокусе эллипса (этим объясняется смена времен года на Земле) По эллиптической траектории также запускаются спутники, если необходимо, чтобы они не отдалялись от Земли, а находились на геостационарной орбите (все телетрансляции, спутниковая связь и т.п.). Для этого телу нужно придать первую космическую скорость около 8 километров в секунду.
Гипербола - по ней движется тело, которое должно выйти из поля тяготения не только Земли, но и Солнца (космические аппараты, типа американского зонда Хаббл, которые направляются к другим планетным системам) Телу нужно придать 3-ю космическую скорость - здесь очень сложные расчеты, я делал подобные в школе.
Парабола. В школе в курсе алгебры для удобства восприятия ее изучают неправильно. По параболе запускают тела, чтобы они вышли из поля тяготения Земли и отправились к другим планетам Солнечной системы. Здесь нужна вторая космическая скорость. Эта задача простая и она составляет около 11,2 километров в секунду
Но парабола обладает еще одним полезным свойтвом - все параллельные лучи, падающие внутрь ее, собираются в одной точке, называемой фокусом. Звезды находятся очень далеко, поэтому их лучи можно считать параллельными (это известное в геометрии свойство точечного источника света), но света приходит так мало, что собрать его возможно только в фокусе параболы.
Для этого телескопам придают форму параболического зеркала (его модель просто представить - достаточно вращать стакан с раплавленным парафином, пока он не застынет - тогда его внутренняя поверхность и примет форму параболоида вращения). Чем больше зеркало, тем от более далеких звезд можно собрать свет, поэтому диаметр таких зеркал составляет несколько метров, а США построили такой телескоп размером с небольшой остров у берегов Пуэрто-Рико.
В фокусе такого зеркала находится чувствительнейший амперметр с проволокой толщиной в сотые доли микрона. Собирая несколько месяцев или даже лет свет от далекой звезды можно получить мельчайший значения фототока, который изменит сопротивление проволочки.

Ученые долго думали в чем причина такой большой мощности сияния звезд. Выдвигались разные версии. Одной из первых была метеоритная - на звезду сыпятся метеориты, что раскаляет ее поверхность (очевидно - бред, сколько же должно быть этих метеоритов да и сыпаться они должны непрерывно). Далее - терия горения - в недрах звезды горит какое-то вещество. Но ни одно из веществ, выделенных из звездных спектров не может давать такой высокой темперары. С открытием А. Беккерелем в конце 19 века явления радиоактивности, выдвинули радиоактивную теорию горения звезд, но ни уран, ни торий, ни другие трансурановый элементы (в таблице Менделеева это подгруппа актиния - актиноиды) тоже не могли давать таких высоких температур.

Основной элемент во Вселенной - атомарный водород, из которого состоят звезды, и которым заполнено межзвездное пространство. В 20-е годы ХХ века Томсон, изучая инертный газ неон, открыл, что существуют атомы с одинаковыми химическими свойствами, но разной массы 20 атомных единиц массы (в ядерной физике это обозначается а.е.м.) и 22 а.е.м. Вследствие этого у них были разные физические свойства. Томсон назвал их изотопами. Впоследствии было установлено, что атомы почти всех элементов таблицы Менделеева имеют изотопы (некоторые получают искусственно на масс-спектрографах и синхрофазатронах целью изучения новых свойств вещества).

У водорода 2 таких изотопа Дейтерий (D) -2 а.е.м. и тритий (Т)- 3 а.е.м. Так как масса обыкновенного водорода - протия 1 а.е.м. (это эталон массы), то масса изотопов превосходит ее в 2 и в 3 раза. Ни у одного другого элемента таких свойств нет. А без этого Вселенная была бы совсем другой.

Было установлено, что при очень высокой температуре, атомы легких элементов могут сливаться между собой с образованием атомов более тяжелых элементов. Для водорода это назвали реакцией термоядерного синтеза - 1 атом дейтерия сливается с одним атомом трития и образуется альфа-частица (ядро атома гелия) и нейтрон (частица не имеющая электрического заряда). Масса альфа-частицы и нейтрона несколько меньше масс вступивших в реакцию дейтерия и трития на величину так называемого дефекта масс. Но согласно формуле Эйнштейна о взаимосвязи массы и энергии его величину нужно умножить на квадрат скорости света - 90000000000000000 (16 нулей), поэтому величина энергии, выделяемой при термоядерной реакции огромна. Именно она является источником энергии звезд. (правда далее две альфа-частицы сливаются между собой, но при этом энергии выделяется намного меньше). У Солнца за 5 миллиардов лет с момента его возникновения примерно половина водорода уже превратилась в гелий, поэтому еще через 5 миллиардов лет оно потухнет (это естественный этап эволюции звезды желтого карлика, к классу которых относится Солнце)

Ученые подумали как научиться спользовать это огромное количество энергии на Земле. (я в 11 классе решал задачу на эту тему - при слиянии 0,6 граммов трития и 0,4 грамма дейтерия дейтерия - всего 1 грамм выделяется около 350 000 000 000 джоулей энергии для этого необходимо сжечь около 40 тонн каменного угля, а его нужно добыть, привезти, да еще и атмосфера будет загрязнена сернисты ангидридом, который является основной причиной кислотных дождей и гибели растений)
Но ядра состоят из нуклонов - протонов и нейтронов причем протоны будут отталкиваться по закону Кулона - обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. А для того, чтобы ядерная реакция осуществилась, ядра нужно подвести на расстояния сопоставимое с их размерами. При этом кулоновская сила отталкивания возрастает до таких значений, что преодолеть ее практически невозможно. Для этого нужна огромная температура около 100000-1000000 кельвинов. Это температура высокотемпературной плазмы, которая существует внутри звезд. Но первыми эту проблему "преодолели" советские ученые в военных целях.
США с осознанием могущества Гитлера в начале 40-х годоа резко активизировали работы по созданию ядерного оружия. В 1938 году туда эмигрировал один из величайших физиков ХХ века итальянец Энрико Ферми (именно он запустит в декабре 1942 года первый ядерный реактор на медленных нейтронах для производства оружейного плутония) Еще раньше в США перебрался Эйнштейн, а в 1945 году во время наступления союзников в Германии был захвачен знаменитый конструктор Вернер фон Браун, создатель первых баллистических ракет ФАУ-1 и ФАУ-2, с помощью которых Гитлер хотел обстреливать территорию Великобритании в конце войны. Усилиями почти всех своих нобелевских лауреатов по физике был создан Лос-Аламосский (или Манхетенский) проект - результатом которого стало создание первой атомной бомбы в начале 1945 года (а в августе 1945 ее уже "успешно" испытают в Хиросиме и Нагасаки. США также разработали план "Дропшот" - нанесения ядерного удара по 100-150 крупным городам СССР и ввода армий союзников на оставшуюся территорию (это было после знаменитой Фултоновской речи Черчилля, провозгласившей начало холодной войны).
СССР сильно отставали от США и если бы не деятельность одного из участников Лос-Аламосского проекта коммуниста Клауса Фукса, передавшего советской агентуре всю документацию по атомной бомбе, Курчатов бы ничего не успел сделать (этот случай описан у Солженицина в романе "В круге первом" - там все правда)

Курчатов торопился и выбрал путь воссоздания американской атомной бомбы, которую успешно испытали уже в 1949 году. США испытали страшный шок и даже несмотря на превосходство в бомбах в количестве 270: 1, не решились напасть на СССР.
Основу атомной бомбы составляют изотопы урана 235 или плутония. Для них справедливо понятие критической массы, которая составляет около 1,5 килограммов, то есть плутониевый шар таких размеров претерпевает мгновенный ядерный взрыв (это примерно размером с апельсин - известна история как Курчатов и Харитон носили Сталину бериллиевый шар с плутонием (бериллий хорошо отражает нейтроны с их всепроникающей способностью), послуживший основой для первой советской атомной бомбы.
Поэтому в атомной бомбе куски урана или плутония с докритической массой в момент разрыва сближаются (в первых бомбах с помощью обыкновенного тротила) возникает критическая масса и ядерный взрыв.
При этом из ядер выделяется колоссальная энергия, а так же возникают основные последствия, наносящие урон противнику - ударная волна, световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение территрии (самое страшное, особенно если изотопы долгоживущие с длительным периодом полураспада) и электромагнитный импульс.
Но этого оказалось мало. СССР должны были быть впереди США и всего мира по вооружениям, что привело к разработке еще более страшного оружия - термоядерного - водородной бомбы (кстати США с приходом Буша младшего в Белый Дом в 2001 выделили десятки миллиардов долларов на разработку самого страшного оружия,которое когда-либо создавало человечество - гафниевой бомбы, в которой будут использоваться высокорадиоактивные изотопы гафния. До этого наибольшую радиацию давала кобальтовая бомба, а изотопы кобальта используются в "кобальтовой пушке" при проведении лучевой терапии раковых заболеваний)
Известно, что в начале 1953 года Сталин серьезно готовился к третьей мировой войне с США. Это был самый благоприятный момент - у него была самая сильная армия в мире, советские войска стояли во всей Восточной Европе, Москва была защищена двойным кольцом противоракетной обороны (до сих пор действует), сотни миллионов людей боготворили его - избавителя мира от Гитлера и главное - у СССР уже была водородная бомба, а у США еще нет (но он знал, что скоро будет) Возможно именно это решение и привело его к "скоропостижной" смерти окружение очень боялось такой войны.
(Уже после смерти Сталина 1 сентября 1953 года придворный поэт С.Михалков написал стихи "Нас надежно охраняет армия народная, бомба атомная есть, есть и водородная")
В СССР трудами академика А. Сахарова была разработана первая в мире констукция водородной бомбы. С 60-х годов Сахаров ушел из физики и провозгласил себя диссидентом-правозащитником, особенно был против ввода советских войск в Афганистан в декабре 1979 (за это его выпроводили из Москвы в Горький), даже выдвигался в 1990 году на Нобелевскую премию мира. А в 1950-51 он подавал в Политбюро ВКП(б) и лично товарищу Сталину техническое обоснование применения термоядерного оружия против США. В нем гуманист-правозащитник предлагал взорвать водородную бомбу в воде вблизи густонаселенного восточного побережья Америки и поднявшаяся волна должна была смыть несколько десятков миллионов человек мирного населения и обеспечить поражение США. Это заинтересовало Сталина и начались эксперименты на шельфе Ладожского озера (все загрязнили радиацией. до сих пор неизвестны масштабы). Но пришли к выводу, что нужного эффекта (волны) не образуется. Не миновать бы Сахарову репрессий, но тут Сталин умер и об этой идее забыли. А вскоре и США создали свою водородную бомбу и паритет был восстановлен.
В водородной бомбе конструкции Сахарова предусматривалось использование энергии неуправляемой реакции термоядерного синтеза. В корпусе находилась смесь дейтерия и трития в нужной пропорции и куски урана или плутония с докритической массой. В момент разрыва они сближались, возникала критическая масса и выделялась огромная энергия, позволяющая сблизить атомы дейтерия и трития и преодолеть силу Кулона. Происходила реакция их слияния и выделялось огромное количество энергии, что еще больше наносило урон противнику.
Но реального применения водородная бомба не нашла, были только полигонные испытания

Но физики заинтересовались и мирным использованием термоядерной энергии. Основная проблема была в том, чтобы реакция была управляемой, а для этого нужны особые условия.
Чтобы использовать эту энергию в промышленых нуждах нужно удежать эту массу ядер (высокотемпературную плазму свего около 0,000001 секунды, но никакое вещество здесь не подходит, так как прилюбой толщине стенок они тут же обратятся в пар. Единственная возможность - это "подвесить" ее с помощью мощных магнитных полей, но эта проблема на данном этапе развития науки пока не разрешима. В 70-е годы ХХ века в СССР в атомном институте в Дубне был создан первый в мире МГД-генератор установка "Токамак", но нужных результатов добиться не удалось. В США аналогичные исследования также не привели к успеху, но работы продолжаются (одной из причин является противодействие нефтяных олигархов - тогда бензин будет не нужен). Тем не менее энергии. заключенной в тяжелой воде должно хватить человечеству не менее, чем на миллиард лет при условии существующих темпов роста потребления.
И тогда сбудутся слова Менделеева о том, что основу энергетики будущего будут составлять экологически чистые и дешевые электричество и водород.
История овладения термоядом продолжается...

Вот такая история, надеюсь она встретит отклик у читателей. Пишите, что понравилось и что не понравилось

Все отлично. Непонятно только одно - при чем тут ведьмы?
Тема переносится на "Науку и философию"

(Ogre1993 @ 20.02.2008 - время: 03:19) И тогда сбудутся слова Менделеева
Они сбудутся ТОЛЬКО тогда, когда себестоимость киловат/часа термоядерной энергии будет ниже или равной себестоимости киловат/часа эжнергии полученной из нефтепродуктов или газа.