Những con số làm nên vũ trụ - Phần 63

Làm thế nào Mặt trời cứ mãi tỏa sáng

Mặc dù Thomson đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho sự tồn tại của những hạt tích điện âm bên trong nguyên tử, nhưng chính các nguyên tử lại trung hòa điện. Như vậy, phải có những hạt tích điện dương ẩn náu bên trong nguyên tử để trung hòa các electron tích điện âm. Mặc dù lúc đầu người ta nghĩ rằng các hạt tích điện dương và âm phân bố đồng đều trong toàn nguyên tử, giống hệt như những hạt nho và dâu rải đều trong một mẩu bánh bông lan có nhân, nhưng các thí nghiệm do Ernest Rutherford thực hiện cho thấy những hạt tích điện dương này, gọi tên là proton, tập trung sít nhau trong cái ngày nay gọi là hạt nhân của nguyên tử.

Vào cái năm Eddington thuyết giảng về năng lượng dưới nguyên tử cần thiết để cấp nguồn cho Mặt trời, Rutherford phỏng đoán rằng có lẽ có khả năng cho một electron và một proton kết hợp thành một hạt trung hòa điện. Mười hai năm sau đó, neutron, một hạt không có điện tích, được phát hiện ra. Hạt này giúp giải thích cấu trúc của nguyên tử helium, hạt được biết có số nguyên tử 2 nhưng có khối lượng nguyên tử 4; hạt nhân của nó phải chứa 2 proton, để có số nguyên tử 2, và 2 neutron, để mang khối lượng nguyên tử của nó lên bằng 4.

Vào lúc Eddington có bài nói chuyện này, người ta đã biết rằng hai thành phần chính của Mặt trời là hydrogen, chiếm 71% khối lượng Mặt trời, và helium, chiếm 27% khối lượng của nó. Eddington phỏng đoán rằng nguồn năng lượng dưới nguyên tử có thể có mà ông trình bày có thể thu được bởi sự nén các hạt nhân hydrogen với nhau.

Có một số trở ngại lí thuyết cần phải vượt qua. Khối lượng nguyên tử của bốn nguyên tử hydrogen là 4 – bằng khối lượng nguyên tử của một nguyên tử helium – nhưng bốn nguyên tử hydrogen đó chứa bốn proton và nguyên tử helium thì chứa hai proton và hai neutron. Cần có một cách để định hình bốn proton thành hai proton và hai neutron. Ngoài ra, khả năng va chạm đồng thời của bốn nguyên tử dường như là không thể - giống như sự va chạm đồng thời của bốn xe ô tô là khó xảy ra. Nhưng mặc dù những vụ tông nhau bốn-xe đồng thời hầu như chưa từng xảy ra, những vụ đâm nhau bốn-xe thì xảy ra khá thường xuyên, khi hai xe tông nhau và những xe kia không thể tránh được vật cản và lao vào đám xe đang mắc kẹt.

Một vấn đề nữa là lực đẩy điện của các proton, lực có độ lớn như chúng ta đã biết từ chương trước là lớn hơn lực hấp dẫn giữa chúng nhiều bậc độ lớn. Tuy nhiên, có khả năng dưới nhiệt độ cao (tương đương với vận tốc lớn), các proton sẽ có đủ năng lượng để vượt qua lực đẩy điện giữa chúng. Vấn đề là nhiệt độ của Mặt trời dường như không đủ cho điều này xảy ra.

Giải pháp được tìm ra trong một sự tổng hợp khéo léo các quan niệm từ cơ học lượng tử và cơ học thống kê, kết hợp với dòng lũ số liệu thực nghiệm mới. Mặc dù nhiệt độ trung bình của Mặt trời không đủ cao để cho phép hai proton va chạm, nhưng cơ học thống kê mang lại một sự phân bố cho nhiệt độ của các phân tử cho thấy một phần không nhỏ có nhiệt độ vừa đủ cao để trải qua một hiện tượng kì lạ gọi là sự chui hầm lượng tử. Quá trình này cho phép các proton lao vào nhau và rơi rụng mất một điện tích khi một trong các proton biến đổi thành neutron. Tương tự như sự đâm nhau bốn-xe vừa nói, có một chuỗi phản ứng hạt nhân, gọi là dây chuyền proton-proton, tạo ra hạt nhân của nguyên tử helium từ hạt nhân của bốn nguyên tử hydrogen.

Khi xảy ra như vậy, một phần nhỏ khối lượng của các nguyên tử hydrogen bị biến đổi thành năng lượng. Khối lượng nguyên tử của hydrogen vào khoảng 1,00794, và khối lượng nguyên tử của helium là 4,0026. Khối lượng của một electron là khoảng 0,00055, nên khối lượng nguyên tử của hạt nhân của một nguyên tử hydrogen là 1,00794 – 0,00055 = 1,00739, và khối lượng nguyên tử của hạt nhân của một nguyên tử helium là 4,0026 – 2 × 0,00055 = 4,0015. Do đó, khối lượng bị mất khi bốn hạt nhân hydrogen trở thành một hạt nhân helium là 4 × 1,00739 – 4,0015 = 0,02806, và tỉ lệ hụt khối lượng tính trên các hạt nhân là 0,02806 / (4 × 1,00739) = xấp xỉ 0,007.

Dây chuyền proton-proton không phải là phương tiện duy nhất nhờ đó sự hợp nhân xảy ra, mặc dù nó giải thích cho phần lớn sự nhiệt hạch xảy ra trong Mặt trời. Có một phương thức khác gọi là chu trình CNO, trong đó các nguyên tố carbon, nitrogen, và oxygen đều được tạo ra và tác dụng như những bà mối để tạo ra helium từ hydrogen. Quá trình này xảy ra ở những nhiệt độ cao hơn dây chuyền proton-proton, và vì thế xảy ra hiếm hơn ở Mặt trời, nhưng trở nên quan trọng hơn ở những ngôi sao nóng hơn.

 

Những con số làm nên vũ trụ
James D. Stein
Bản dịch của TVVL

<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Nam châm siêu dẫn lập kỉ lục 45,5 tesla
17/06/2019
Các nhà khoa học vừa chế tạo được nam châm siêu dẫn mạnh nhất thế giới, có khả năng tạo ra cảm ứng từ mạnh kỉ lục
Cẩm nang thám hiểm vũ trụ (Phần 26)
17/06/2019
SỰ RA ĐỜI CỦA CÁC SAO Các sao từ đâu mà có? Câu chuyện cơ bản là giống nhau với đa số sao, kể cả câu chuyện mà chúng ta
Cẩm nang thám hiểm vũ trụ (Phần 25)
17/06/2019
Chương 5 SỰ RA ĐỜI VÀ CUỘC ĐỜI CỦA CÁC SAO Rất, rất nhiều ngôi sao khác… vô số không thể tin nổi luôn. - Galileo
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 26)
15/06/2019
Đồng hồ cát 1336 Ambrogio Lorenzetti (1290-1348) Tác giả người Pháp Jules Renard (1864-1910) từng viết rằng, “Tình yêu tựa như
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 25)
15/06/2019
Giải thích cầu vồng 1304 Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham (965–1039), Kamal al-Din al-Farisi (1267–khoảng 1320), Theodoric xứ Freiberg
Stephen Hawking đúng: Nghiên cứu mới cho thấy lỗ đen có thể bốc hơi
14/06/2019
Vào năm 1974, Stephen Hawking đã đưa ra một trong những dự đoán nổi tiếng nhất của ông: các lỗ đen cuối cùng sẽ bốc hơi
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 40)
13/06/2019
TÀU NGẦM Những tàu ngầm đầu tiên cũng đi vào hoạt động trong thời Nội Chiến. Thật ra, chiếc tàu ngầm đầu tiên đã
Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 39)
13/06/2019
CƠ SỞ VẬT LÍ CỦA CHÂN VỊT Các chân vịt thời ấy có hai hoặc ba cánh quạt gắn với một trục quay. Khi chân vịt quay, nó

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com