הרמן פון הלמהולץ הראה ב- 1871 כי תפוקת האנרגיה של השמש תהיה שווה לשחרור של 7000 ק"ג פחם בכל שעה על כל מטר רבוע על פני השמש. הלמהולץ הבין כי אין תגובה כימית רגילה שיכולה לייצר אנרגיה בקצב שכזה. לפיכך, השמש אינה "שורפת" חומרים במובן הרגיל של תגובה כימית. הלמהולץ לא יכול היה לדעת שהשמש הוא כור היתוך רב עוצמה משום שהפיזיקה הגרעינית עדיין לא היתה מוכרת בתקופתו. תגובות גרעיניות בליבת השמש, כמו בכל הכוכבים, יוצרות שני דברים חשובים: הן מייצרות אנרגיה, והן משנות בהדרגה את הרכב השמש משום שהן בונות גרעינים כבדים יותר ויותר. הטמפרטורה בתוך השמש גבוהה כל כך, עד שהאלקטרונים עוזבים את הגרעין האטומי אליו היו שייכים. מצב פיזי זה נקרא פלסמה. האלקטרונים הם גם הרבה פחות מסיביים מאשר גרעינים ונושאים הרבה פחות אנרגיה. לכן אנו רק צריכים לבחון את יחסי הגומלין שבין הגרעינים.
באדיבות וויקיפדיה
התגובות הגרעיניות העיקריות בתוך השמש הופכות מימן להליום בשלושה שלבים. בגלל ששרשרת תגובות זו מתחילה עם שני גרעיני מימן – כלומר, שני פרוטונים בודדים – התהליך נקרא שרשרת פרוטון פרוטון. בשלב 1, שני פרוטונים מתנגשים ומתמזגים, יוצרים דויטריום, הנקרא 2H או D. שני חלקיקים נוספים משוחררים: פוזיטרון ונייטרינו. הפוזיטרונים הם החלקיקים הזהים לאלקטרון, למעט העובדה שהם בעלי מטען חיובי. מסמנים אותם ב- +e. הפוזיטרון יוצר פעולת גומלין מהירה עם אלקטרון, ונעלם תוך המרת מסה לקרינה. הנייטרינו הוא חלקיק רפאים, ללא מטען חשמלי ובעל מסה זניחה. הוא מסומן על ידי האות היוונית ν. הנייטרינו מקיים אינטראקציה חלשה מאוד עם החומר; נייטרינו מן השמש יכול לעבור אלפי קילומטרים של פלדה מבלי לעצור. לכן הוא מתנהג כאילו חלקיקים אחרים אינם שם. הניטרינו נמלט מליבת השמש כמעט במהירות האור.
הצעד הראשון של תהליך ההיתוך בשמש, כאמור, מזווג שני פרוטונים ויצירת מימן כבד – דיאוטריום. בשלב 2, גרעין המימן פוגע בפרוטון נוסף ומתמזג לגרעין הליום הידוע בשם הליום – 3, מסומן כ- 3He. קרינה נוספת משתחררת. בשלב 3, שניים מן הגרעיני הליום – 3 מתנגשים ומתמזגים עם לצורה הנפוצה ביותר של הליום, הליום -4, מסומן כ- 4He. השלב השלישי משאיר שני פרוטונים נוספים מאחור, אשר זמינים להשתתף מחדש בצעד 1. בכל שלב, התגובה משחררת אנרגיה בצורה של פוטונים, והתוצאה הסופית שלה היא שהשמש יוצרת הליום מתוך מימן היסוד הקל בטבע.
הכמות הכוללת של המסה שנותרה בסוף שרשרת שלושת השלבים היא מעט פחות מאשר המסה של אטומי המימן הראשונים. במהלך היתוך, כמות קטנה של המסה מומרת לכמות גדולה של אנרגיה ואנו משתמשים משוואה מפורסמת מאוד לחשב את האנרגיה E = mc2. ברצף ההיתוך של השמש, כ- 0.007 ק"ג מהחומר מומרים לאנרגיה בכל קילוגרם של מימן. במילים אחרות, היעילות של המרת אנרגיה המסה היא 0.7% וכמות האנרגיה המשתחררת היא mc2•0.007. הסינתזה של גרעין הליום יחיד יוצר 10-12 × 4.5 ג'אול של אנרגיה קורנת. השמש כולה מקרינה 1026 × 4 ג'אול בכל שנייה. זה מתאים 400 טריליון טריליון וואט – אשר שווה לכמות נורות אדירה! זכור, עם זאת, כי אנרגיה זו נוצרת בליבת השמש. למרות שהנייטרינים מצליחים להימלט מן השמש מיד (ולהגיע לכדור הארץ ב- 8 דקות), הפוטונים שנוצרו בתגובות גרעיניות מתפזרים בין גרעיני האטומיים המרכיבים את השמש, בדרכם החוצה מן השמש, למרות שהם עדיין נוסעים במהירות האור, דרכם הופכת להיות הרבה יותר ארוכה מרדיוס השמש. הם מתחילים כקרני גמא בליבת השמש ומאבדים אנרגיה כשהם מדלגים החוצה. התוצאה היא שלוקח להם בערך 50,000 שנה כדי להגיע לשולי השמש. בשלב זה הם הפכו להיות פוטונים נראים והם נוסעים אלינו על פני החלל רק 8 דקות. אז אם יקרה משהו מוזר לתגובת ההיתוך בליבת השמש, יידרשו לנו 50,000 שנה כדי לדעת על כך! אל תדאגו – השמש תתמזג במימן במשך 4 מיליארד שנים הבאות.
בכל שנייה, השמש ממירה 4 מיליון טונות של מימן לאנרגיה בליבה שלה ומקרינה אותו לעבר פני השטח שלה! עם זאת, המאגר של מימן בשמש הוא כל כך גדול, כך שלמרות שמסה המימן הנשרפת בשמש בכל שנייה השווה למסת גורד שחקים גבוה, לא היה שום שינוי בכמות האנרגיה הנפלטת מהשמש במהלך היסטוריה האנושית. על פי החישובים האחרונים, השמש לא תסיים את מימן במשך כ- 4 מיליארד שנה הבאות. הצריכה של המימן בתוך השמש מצביעה על כך שכוכבים אינם קבועים, אלא חייבים להתפתח ולצרוך דלק. שימו לב כי אסטרונומים ופיסיקאים לפעמים משתמשים בדרך מרושלת במונח "שריפה" כדי לתאר את ייצור האנרגיה של השמש. זה לא שריפה כימית, זהו תהליך שונה לחלוטין של היתוך גרעיני.
גילוי ההיתוך הגרעיני כמקור האנרגיה של השמש הוא דוגמה טובה לאופן שבו המדע פועל. אנו יכולים לראות כיצד המדענים מחברים מידע לתיאור פיזי אחיד של גוף מרוחק. נקודת המוצא היא הידע שלנו על המרחק אל השמש. מידע זה בשילוב כמות קרינת השמש שמגיעה אל פני כדור הארץ נותן את כמות האנרגיה שפולטת השמש. מאחר וכדור הארץ קולט רק מיליארדית מאור השמש, כ-1370 וואט מגיעים לכל מטר מרובע של כדור הארץ, הרי שהשמש חייבת להיות מקור אנרגיה מרשים ביותר. קל להראות כי אין מקור אנרגיה כימית בגודל של השמש היכול לייצר את ההספק הנדרש במשך יותר מאלפי שנים בודדות. מאחר שיש לנו תיעוד של מאובנים ופעילות גיאולוגית, כל זה מצביע על הצורך בגילוי מקור אנרגיה חדש: היתוך הגרעין האטומי. כמובן, אנו לומדים מן ספקטרוסקופיה כי השמש מורכבת בעיקר של מימן והליום, וכי הדלק הגרעיני הוא תוצר לוואי שלה
Author: Chris Impey