最終更新日: 2021 年 7 月 15 日

太陽のエネルギーはどこから来るのでしょうか?

画像の説明: 太陽のさまざまな層、核、放射帯、対流帯、光球、彩層、そして最後に太陽コロナ。核融合の中心部では、1 グラムの水素が 300 トンの石油と同じ量のエネルギーを放出します。

エネルギーは太陽の中心に集中する

太陽は、直径が地球の 109 倍、または地球と月の距離の 3.6 倍に等しい巨大な星です。その体積は地球の130万倍に相当します。
この巨大な塊（1.989×10）の表面の重力（274 m/s2、地球の28倍）³⁰kg) は物質の中心を収縮させます。そのコアの直径は地球と月の距離に等しいにもかかわらず、コアの体積は全体積の 1.5% にすぎません。しかし、その中心部では約 1,500 万ケルビンまたは摂氏 (1 k=-273.15 °C) で、毎秒 6 億 2,700 万トンの水素が融合して 6 億 2,270 万トンのヘリウムが生成されます。質量の差 (430 万トン) は、4×10 のエネルギーに変換されます。²⁶ジュールまたは約 1.5×10¹⁹キロワット時 (100 億 kw/h)。
45 億 7,000 万年間、太陽は毎秒 400 万トンの水素を消費してきました。

太陽の中心の重力圧力は 26 ペタパスカル (26×10¹⁵Pa)、または地球表面の大気圧の 2,600 億倍。この圧力では、水素 1 m3 の重さは 150 トンです。地球上の水素 1 m3 の重さは 90 グラムです。したがって、太陽の中心の 1 m3 には、地球上の 1 m3 の水素よりも 160 万倍多くの水素原子が存在します (それほど巨大ではありません)。
この圧力と温度 (1,500 万ケルビン) で核融合が始まる可能性があります。
水素原子核は融合してヘリウム原子核を形成し、膨大な量のエネルギー (発電所で引き起こされる核分裂の 15 倍) を放出します。

画像の説明: 陽子のサイズまたは位置は、曲線で表される確率密度です。曲線の上部から遠ざかるほど、陽子の存在や陽子のサイズの可能性は低くなります。ただし、曲線の底では、2 つの陽子が融合する確率は低いですが、ゼロではありません。核反応が「発火」するには、陽子（水素原子核）が接触する必要があります。次に、2 つの陽子のうち 1 つが中性子に変わります。放射能がなければ、この変化は不可能です。 2 つの陽子は接触していてもクーロン障壁を越えることができず、互いに反発します。しかし、陽子は粒子（W ボソン）を放出することによって一時的に中性子に変化することができます。この W ボソンはすぐに再吸収され、中性子は再び陽子になります。非常にまれに、W 粒子が陽電子とニュートリノに崩壊し、その瞬間、中性子が中性子のままになることが起こります。その後、他の陽子と融合して重水素原子核を形成し、「陽子間連鎖」を引き起こすことができます。

2つの陽子を融合するにはどうすればよいでしょうか?

2 つの陽子が融合するには、それらを隔てる距離が原子核のサイズ (10 個) と非常に小さくなければなりません。^-15メートル）。これを行うには、クーロン障壁 (正に荷電した 2 つの陽子間の電気的相互作用の強さ) を越える必要があります。この力は 2 つの電荷の積に比例し、2 つの電荷間の距離の 2 乗に反比例します (2 つの陽子を「くっつける」にはかなりのエネルギーが必要です)。陽子が近づくほど、陽子を「くっつける」ためにより多くのエネルギーが必要になります。 1,500万ケルビンであっても、エネルギーはクーロン障壁を越えるのに十分ではありません。陽子間の激しい衝突は、2 つの陽子を「くっつける」ほど強力な核相互作用の泡を押しつぶしません。
理論的には、陽子は 50 億ケルビンの温度に達するために 20,000 km/s で移動する必要があります。 1,500万ケルビンでは、陽子は600 km/sで移動します。
ただし、1,500万ケルビンという温度は平均的な温度です。マクスウェル・ボルツマン温度の関数としての粒子分布曲線によると、陽子の速度は 20,000 km/s に遠く及ばないため、核融合は不可能です。
核融合を達成するには、量子物理学を利用する必要があります。
陽子の大きさや位置は確率密度であり、曲線で表されます。曲線の上部から遠ざかるほど、陽子の存在や陽子のサイズの可能性は低くなります。曲線の底では、2 つの陽子が融合する確率は非常に低いですが、ゼロではありません。
量子物体が持つ、そのエネルギーがこの障壁を通過するのに必要な最小エネルギーよりも低い場合でも、この障壁を通過する特性は、トンネル効果と呼ばれます。

クーロン障壁を越える

低温ではクーロン障壁を超えることは不可能ですが、平均 1,500 万ケルビンであれば、50 億ケルビンに達しなくてもトンネル効果が発生する可能性が十分にあります。
陽子は毎秒 2x10 を経験します¹⁵衝突とトンネリングは 10 回に 1 回発生します⁸衝突。したがって、各陽子には 2,000 万回の融合の機会があります。
では、なぜ太陽中のすべての陽子は 1 秒以内に結合しないのでしょうか?
なぜなら、2 つの陽子は強い核相互作用によって結合しても、ヴォルフガング・エルンスト・パウリ (1900 – 1958) の排他原理により共存できないからです。したがって、トンネル効果により、各陽子は 1 秒間に 2,000 万回別の陽子と融合し、瞬時に分離します (10^-212番目）。
ヘリウム原子核を作るには、陽子2個と中性子2個を融合させる必要があります。
中性子はどこから来るのですか?
弱い核相互作用（放射能）が核融合に介入します。弱い核相互作用 (強い核相互作用より 100,000 倍弱い) では、非常に低い確率 (10 回に 1 回) で陽子が生成されます。²⁴）別の陽子と接触すると中性子に変化します。これが起こると、重水素原子核がニュートリノと陽電子を放出して現れ、周囲の電子によって即座に消滅し、物質を純粋なエネルギー（E=mc2）に変換します。
重水素は、同じ原理に従って純粋なエネルギー (ガンマ線) を放出するヘリウム 3 に変化します。それでも確率は低いですが、2 ヘリウム 3 原子核から 2 ヘリウム 4 原子核が得られます。
核融合の確率が非常に低いため、「陽子-陽子連鎖」と呼ばれるこのプロセスは、46億年間維持されています。