هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه انجام می‌شود؟
هم‌جوشی هسته‌ای چیست؟
در فیزیک هسته‌ای، گداخت یا هم‌جوشی هسته‌ای یا فیوژن (fusion) واکنشی هسته‌ای است که در اثر آن، دو یا چند هسته اتم با انرژی بسیار به هم برخورد می‌کنند و با هم جوش می‌خورند و نتیجتا یک هسته واحد تشکیل می‌دهند. بخشی از جِرم آن‌ها نیز به انرژی تبدیل می‌شود. به همین علت، جرم هسته جدید از مجموع جرم هسته‌ها پیش از هم‌جوشی، کمتر است. گرما و انرژی خورشید و سایر ستارگان، از هم‌جوشی پیوسته اتم‌های گازی با یکدیگر حاصل می‌شود. گداخت یا هم‌جوشی هسته‌ای نقطه مقابل شکافت هسته‌ای (fission) است که طی آن، عناصری مثل اورانیوم و توریوم به اتم‌های سبکتر شکسته می‌شوند و نتیجتاً مقداری انرژی آزاد می‌کنند. انرژی حاصل از هم‌جوشی هسته‌ای بسیار بیشتر از شکافت هسته‌ای و میلیون‌ها برابر بیشتر از واکنش‌های شیمیایی است. در ادامه خواهیم دید گداخت یا هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه اتفاق می‌افتد؟
مطلب مرتبط: ستاره چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟
هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه انجام می‌شود؟
خورشید، ستاره بسیار داغی است. تمام گرما و نور خورشید نتیجه واکنش‌های هم‌جوشی است که درون هسته خورشید به وقوع می‌پیوندد. میزان فشار درون خورشید یک میلیون برابر فشار سطح زمین است. و دمای هسته خورشید بیش از ۱۵,۰۰۰,۰۰۰ درجه کلوین است. گرانش عظیم خورشید چنین شرایطی را برای هم‌جوشی فراهم می‌آورد. ایجاد گرانشی شبیه گرانش خورشید در زمین غیرممکن است. گرمای شدید خورشید و دیگر ستارگان نتیجه هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان است.
خورشید اتم‌های هیدروژن را می‌سوزاند. هسته اتم‌های هیدروژن در اثر پدیده هم‌جوشی هسته‌ای به هم می‌پیوندند و هسته جدید هلیوم پدید می‌آورند. در اثر این پدیده، مقداری از ماده نیز به انرژی تبدیل می‌شود. خورشید در هسته خود هر ثانیه حدود ۶۲۰ میلیون تن هیدروژن می‌سوزاند. هیدروژن در هسته خورشید چنان گرم می‌شود که از حالت گاز به حالت پلاسما درمی‌آید. هم‌جوشی در حالت عادی ممکن نیست. زیرا نیروهای قوی الکترواستاتیک بین هسته اتم‌ها که همگی بار مثبت دارند، مانع می‌شود تا آن‌ها به اندازه کافی به هم نزدیک شوند تا هم‌جوشی اتفاق بیفتد. این مانع را سد کولن می‌نامند. غلبه بر سد کولن با افزایش دما و فشار میسر می‌شود. افزایش دما و فشار، هسته اتم‌ها را بیش از حد به هم نزدیک میکند و در فواصل نزدیک، نیروی جاذبه هسته‌ای (با غلبه بر نیروی دافعه الکترواستاتیک بین هسته‌ها) سبب می‌شود تا هسته اتم‌ها با هم جوش بخورند.
کدام ایزوتوپ‌های هیدروژن در هم‌جوشی هسته‌ای شرکت می‌کنند؟
می‌دانیم که همه اتم‌های یک عنصر همواره عدد اتمی یکسانی دارند. اما جالب است بدانیم که عدد نوترونی آن‌ها یعنی تعداد نوترون‌های موجود در هسته اتم‌ها ممکن است متفاوت باشد. لذا به انواع اتم‌های یک عنصر که عدد اتمی یکسان اما عدد نوترونی متفاوتی دارند، ایزوتوپ‌های آن عنصر می‌گوییم. برای مثال، هیدروژن سه نوع ایزوتوپ طبیعی دارد:
- پروتیوم (اتم هیدروژن با ۲ پروتون و ۰ نوترون)
- دوتریوم (اتم هیدروژن با ۲ پروتون و ۱ نوترون)
- پروتیوم (اتم هیدروژن با ۲ پروتون و ۲ نوترون)
در هم‌جوشی هسته‌ایِ هیدروژن معمولا یکی از دو اتمی که با هم ادغام می‌شوند دوتریوم و دیگری پروتیوم است. این دو ایزوتوپ (اتم) که در مجموع دو پروتون و سه نوترون دارند در اثر هم‌جوشی با هم ادغام و به اتم هلیوم تبدیل می‌شوند که در هسته خود، دو پروتون و دو نوترون دارد. نوترونِ سوم که متعلق به یکی از ایزوتوپ‌های هیدروژن بود نیز همراه مقداری انرژی، آزاد می‌شود (تصویر ۱).
تصویر ۱. گداخت یا هم‌جوشی دو اتم هیدروژن و تشکیل اتم سنگین‌تر هلیوم؛ در هم‌جوشی هسته‌ای، دو اتم هیدروژن با هم ادغام می‌شوند. معمولا یکی از آن دو، ایزوتوپِ تک‌نوترونیِ هیدروژن موسوم به دوتریوم و دیگری ایزوتوپِ دو نوترونیِ هیدروژن موسوم به تریتیوم است. این دو اتم که در مجموع دو پروتون و سه نوترون دارند در اثر هم‌جوشی با هم ادغام و به اتم هلیوم تبدیل می‌شوند که در هسته خود، دو پروتون و دو نوترون دارد. نوترونِ سومی که متعلق به ایزوتوپ‌های هیدروژن بود نیز در اثر هم‌جوشی هسته‌ای، همراه مقداری انرژی، آزاد می‌شود. (تصویرسازی: emadelm.ir).
شرایط لازم برای آغاز گداخت یا هم‌جوشی هسته‌ای چیست؟
هم‌جوشی زمانی اتفاق می‌افتد که دو اتم سبک با اعمال نیرو به هم جوش می‌خورند و اتم سنگین‌تری پدید می‌آورند. به‌هم پیوستن یا هم‌جوشی دو اتم انرژی عظیمی ایجاد میکند. هم‌جوشی فقط در دما و تحت فشار بسیار بسیار بالا اتفاق می‌افتد لذا ایجاد چنین شرایطی در کره زمین ممکن نیست و هم‌جوشی هسته‌ای فقط در مرکز خورشید و سایر ستاره‌ها اتفاق می‌افتد.
طبق یافته‌های فعلی دانشمندان، همه عناصر شیمیایی سنگین‌تر از هیدروژن و هلیوم در زمین، در اثر هم‌جوشی هسته‌ای در ستاره‌ها و از جمله خورشید پدید آمده‌اند. پس از آن‌که دوره زندگی یک ستاره پایان می‌یابد، این عناصر سنگین در فضا و در اطراف ابرهای گازی یا سحابی‌ها منتشر می‌شوند و در آینده، نسل‌های جدیدی از ستارگان را پدید می‌آورند.
مطلب مرتبط: تبدیل اورانیوم به سوخت هسته‌ای چه مراحلی دارد و چگونه انجام می‌شود؟
توضیحات بیشتر درباره نحوه هم‌جوشی هسته‌ای در ستارگان و خورشید
نیروی جاذبه قوی در هسته ستاره‌ها چگالی و دمای بسیار بالایی ایجاد میکند. چگالی گاز در هسته خورشید ۱۶۰ گرم بر سانتی‌متر مکعب یعنی بسیار بیشتر از چگالی فشرده‌ترین فلزات است. دمای هسته خورشید ۱۵,۰۰۰,۰۰۰ کلوین است. در چنین دمایی هیدروژن و هلیوم از حالت گاز به حالت پلاسما تبدیل می‌شوند. یعنی الکترون‌ها از هسته جدا می‌شوند و ترکیبی از الکترون‌ها و یون‌هایی با بار مثبت پدید می‌آید.
در چنین شرایطی پروتون‌های (H-1) با دیگر پروتون‌ها واکنش نشان می‌دهند و هسته دوتریوم (H-2) و پوزیترون تشکیل می‌دهند. هسته‌های دوتریوم می‌توانند با هم ادغام شوند و هسته هلیوم (He-4) تشکیل دهند یا می‌توانند در تعامل با دیگر پروتون‌ها ایزوتوپ دیگری از هلیوم (He-3) پدید آورند. دو هسته اتم هلیوم (He-3) می‌توانند طی فرآیند هم‌جوشی یک هسته ناپایدار بریلیوم (Be-6) شکل دهند که پس از تجزیه به هلیوم He-4 و دو پروتون تبدیل می‌شود. در هر گام از فرآیند مذکور انرژی آزاد می‌شود.
تصویر ۲. از چپ به راست: هم‌جوشی هسته‌های هیدروژن و تشکیل هسته هلیوم؛ سپس هم‌جوشی هسته‌های هیلوم و تشکیل هسته بریلیوم. در هر مرحله، بخشی از ماده نیز به انرژی تبدیل می‌شود. هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان نیز با همین روند انجام می‌شود.
در اثر هم‌جوشی هسته‌های هیدروژن با یکدیگر، هیدروژن به هلیوم و انرژی تبدیل می‌شود. هیدروژن سوخت فرآیند هم‌جوشی محسوب می‌شود. وقتی هیدروژن کاملا مصرف شود، هسته ستاره باز هم فشرده‌تر و داغ‌تر می‌شود. و نتیجتا به هم‌جوشی عناصر سنگین‌تر و سنگین‌تری منجر می‌شود و نهایتا تمام عناصر سنگین تا آهن را تشکیل می‌دهد.
تصویر ۲. یافته‌های دانشمندان نشان می‌دهد که آهن و تمام عناصر سبکتر از آهن، در اثر هم‌جوشی هسته‌های هیدروژن در خورشید و سایر ستارگان پدید آمده‌اند. سپس هم‌جوشی عناصر جدیدتر به پیدایش عناصر دیگری منجر شده است.
مطلب مرتبط: انرژی هسته‌ای چیست و چگونه تولید می‌شود: کاربردها و ویژگی‌ها
چرا هم‌جوشی، سبب تشکیل عناصر سنگین‌تر از آهن نمی‌شود؟
اضافه شدن پروتون‌ها و نوترون‌های بیشتر به هسته اتم آهن، انرژی بیشتری تولید نمی‌کند زیرا انرژی پیوندی در عنصر آهن در حداکثر میزان خود است. برای هم‌جوشی عناصر سنگین‌تر از آهن انرژی لازم است.
عناصر سنگین‌تر از آهن چگونه شکل گرفته‌اند؟
عناصر سنگین‌تر از آهن انرژی موردنیاز هم‌جوشی را از انفجار سایر ستاره‌ها دریافت کرده‌اند. انفجار یک ستاره بزرگ که اصطلاحا آن را ابرنواختر می‌نامند، انرژی لازم برای هم‌جوشی تمام عناصر سنگین‌تر از آهن را فراهم میکند.
مطلب مرتبط: چرخه سوخت هسته‌ای چیست و دارای چه مراحلی است؟
یادگیری نحوه هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید برای تولید انرژی پاک
دانشمندان می‌کوشند برای ساخت نیروگاه‌های هم‌جوشی هسته‌ای راهی بیابند، زیرا تولید انرژی از هم‌جوشی هسته‌ای بسیار پاک‌تر از نیروگاه‌های هسته‌ای فعلی است. نیروگاه‌های فعلی نه با هم‌جوشی هسته‌ای بلکه با شکافت هسته‌ای انرژی تولید می‌کنند. ضمنا با هم‌جوشی هسته‌ای انرژی بسیار بیشتری می‌توان تولید کرد. اما انجام این کار در زمین بسیار مشکل است زیرا نیازمند سوختی با دمای بسیار بالاست. سپس آن سوخت باید به فضای بسیار کوچکی تزریق شود تا هم‌جوشی هسته‌ای بتواند اتفاق بیفتد.
کلیدواژه‌ها: هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید، هم‌جوشی هسته‌ای در ستارگان
عنوان: هم‌جوشی هسته‌ای در خورشید و ستارگان چیست و چگونه انجام می‌شود؟
