แหล่งกำเนิดพลังงานของดวงอาทิตย์

                  ก๊าซไฮโดรเจนเป็นธาตุซึ่งมีปริมาณมากที่สุดในเอกภพ และมีมากที่สุดบนดวงอาทิตย์ด้วย เมื่ออะตอมของไฮโดรเจนรวมตัวกันเข้าเป็นอะตอมของธาตุฮีเลียม ในปฏิกิริยาเรียกว่า ปฏิกิริยา เทอร์โมนิวเคลียร์นั้น มวลสารของไฮโดรเจน ๑ กรัมจะสูญหายไป ๐.๐๐๗ กรัม โดยการแปรรูป เป็นพลังงานและจะได้พลังงาน = ๐.๐๐๗ x (๓ x ๑๐๑๐)๒ เอิร์กต่อทุกๆ ๑ กรัมของไฮโดรเจน ที่เข้าทำปฏิกิริยา ถ้าสมมุติว่ามวลของดวงอาทิตย์ทั้งหมดประมาณ ๒ x ๑๐๓๓ กรัม นั้นเป็นธาตุ ไฮโดรเจน ดังนั้น พลังงานทั้งหมดที่จะได้จากการแปรธาตุไฮโดรเจนทั้งหมดบนดวงอาทิตย์เป็นธาตุ ฮีเลียมจะเป็น ๐.๐๐๗ x (๓ x ๑๐๑๐)๒ x ๒ x ๑๐๓๓ เอิร์ก เท่ากับ ๑.๒๖ x ๑๐๕๒ เอิร์ก เอา ปริมาณพลังงานที่อาจเกิดขึ้นได้จากการแปรธาตุไฮโดรเจนทั้งหมดนี้ หารด้วย พลังงานที่ดวงอาทิตย์ คายออกในการแผ่รังสี ๓.๙ x ๑๐๓๓ เอิร์กต่อวินาที จะได้อายุหรือเวลาที่ดวงอาทิตย์จะแผ่รังสีเช่น นี้ได้ ๓.๒๓ x ๑๐๑๘ วินาที หรือเท่ากับประมาณ ๑๐๑๑ ปี (หนึ่งแสนล้านปี

                  อายุของเอกภพ ตามการคำนวณทางดาราศาสตร์ จากอายุของดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดมีค่า ประมาณ ๑ ถึง ๓ หมื่นล้านปี ดังนั้นการคำนวณอย่างหยาบๆ ดังกล่าวชี้ให้เห็นว่าแนวคิดเรื่องแหล่ง พลังงานเทอร์โมนิวเคลียร์ของดวงอาทิตย์และดาวฤกษ์ต่างๆ คงจะเป็นแนวคิดที่ถูกต้อง นักฟิสิกส์ ชื่อ เอช เบเธ (H. Bethe) ได้เป็นคนแรกที่ให้ความคิดเห็นว่า ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์อันเป็นแหล่ง เกิดพลังงานของดวงอาทิตย์ อาจเป็นปฏิกิริยาสองชนิดดังต่อไปนี้

๑. วัฎจักรคาร์บอน ปฏิกิริยาชุดนี้มีธาตุคาร์บอนเป็นตัวชักนำ หรือคะตะลิสต์ (catalyst) คาร์บอนเข้าร่วมในปฏิกิริยาในขั้นต้น และกลับคืนออกมาในขั้นสุดท้าย จึงไม่สูญเสียปริมาณไป ปฏิกิริยามี ๖ ขั้นด้วยกัน สมการที่แสดงต่อไปนี้ใช้อักษรสัญลักษณ์ของธาตุ โดยมีตัวเลขนำหน้า ข้างล่างเป็น อะตอมิกนัมเบอร์ (atomic number) และตัวเลขตามหลังข้างบนเป็นแมสนัมเบอร์ (mass number) ของธาตุ สัญลักษณ์ r แทน รังสีแกมมา ซึ่งเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (พลังงาน) และเครื่องหมาย e+ แทนอนุภาคโพสิตรอน ซึ่งมีมวลเท่าอิเล็กตรอน แต่มีประจุบวก


                  จะเห็นได้ว่าในสมการปฏิกิริยาหกขั้นข้างบนนี้ อะตอมคาร์บอน ๑๒ เริ่มเข้าทำปฏิกิริยา ในขั้นต้น และกลับคืนออกมาจากปฏิกิริยาในขั้นสุดท้าย โปรตอนหรือแก่นกลางอะตอมไฮโดรเจน เข้าสู่ปฏิกิริยาในขั้นที่หนึ่ง สาม สี่ และ หก ที่ละตัว รวมสี่ตัวด้วยกัน เกิดเป็นแก่นกลางอะตอม ของธาตุฮีเลียมขึ้นมาในปฏิกิริยาขั้นที่หก ส่วนไนโตรเจน ๑๓ ไนโตรเจน ๑๔ ไนโตรเจน ๑๕ คาร์บอน ๑๓ และออกซิเจน ๑๕ นั้น เกิดมาชั่วระยะหนึ่ง แล้วก็สลายตัวหรือเข้าร่วมปฏิกิริยา ขั้นต่อไปจนหมด โพสิตรอนนั้น ทันทีที่เกิดขึ้นก็จะเข้าทำปฏิกิริยากับอิเล็กตรอนที่มีอยู่มากมาย ทั่วไป ทำลายซึ่งกันและกัน แปรมวลของทั้งคู่ให้เป็นพลังงานในรูปรังสี สำหรับนิวตริโนนั้นก็จะ เล็ดลอดวิ่งออกไปจากดวงอาทิตย์โดยสะดวกเพราะเป็นของเล็ก เบา ไม่มีประจุไฟฟ้า และมี ความเร็วสูง



                  เมื่อพิจารณาสรุปรวมผลแล้ว จะเห็นว่าสิ่งที่เข้าสู่ปฏิกิริยาวัฏจักรนี้ คือ คาร์บอน ๑๒ หนึ่งตัว โปรตอนสี่ตัว กับอิเล็กตรอนสองตัว สิ่งที่เกิดจากปฏิกิริยา คือ นิวตริโนสองตัว รังสีพลังงานหกควอนตา หน่วยของรังสีพลังงานอนุภาคแอลฟาหรือฮีเลียม ๔ และคาร์บอน ๑๒ ซึ่งกลับออกมาจากปฏิกิริยา พร้อมที่จะใช้ได้อีกในวัฏจักรต่อๆ ไป

การใช้โปรตอน (ซึ่งเป็นใจกลางอะตอมไฮโดรเจน) ไปสี่ตัว และเกิดฮีเลียม ๔ ขึ้นนี้ นับว่าธาตุไฮโดรเจนรวมกันเข้าเป็นฮีเลียมและคายพลังงานออกมาในรูปของรังสี และการเคลื่อนที่ของอนุภาคต่างๆ


                  พลังงานที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาในรูปรังสีแกมมาจะแผ่กระจายออกจากบริเวณต้นกำเนิดใน ใจกลางของดวงอาทิตย์ และเนื่องจากเนื้อสารของดวงอาทิตย์ประกอบด้วยอะตอมของธาตุต่างๆ มีปริมาณมากมาย ห่อหุ้มส่วนใจกลางอยู่ รังสีแกมมาจึงไม่สามารถไชทะลุผ่านออกมาถึงพื้นผิวได้ แต่ก็จะมีการถ่ายทอดและแปรสภาพเป็นรังสีธรรมดา ซึ่งมีขนาดคลื่นและพลังงานน้อย กล่าวคือ กลายเป็นแสงสว่างและความร้อนแผ่กระจายจากผิวดวงอาทิตย์ออกไปในอวกาศโดยรอบ

แต่ก่อนเคยคิดว่าปฏิกิริยาให้พลังงานของดวงอาทิตย์ ส่วนใหญ่เป็นแบบวัฏจักรคาร์บอน ในปัจจุบันข้อมูลทางวิชานิวเคลียร์ฟิสิกส์บ่งให้เห็นว่า ในกรณีของดวงอาทิตย์ ปฏิกิริยาโปรตอน- โปรตอน ซึ่งจะกล่าวต่อไปตามข้อ ๒ มีความสำคัญกว่าวัฏจักรคาร์บอนซึ่งเกิดเป็นส่วนใหญ่ใน ดาวฤกษ์ ที่มีอุณหภูมิที่ใจกลางสูงกว่าดวงอาทิตย์ของเรา

๒. ปฏิกิริยาโปรตอน-โปรตอน ในปฏิกิริยาแบบนี้มีโปรตอนหกตัว เข้าสู่วงปฏิกิริยาซึ่ง ทำให้เกิดฮีเลียม ๔ ขึ้นหนึ่งตัว มีโปรตอนสองตัว เหลือและกลับเข้าทำปฏิกิริยาในรอบต่อไป


ทั้งนี้เพราะสมการ (๑) และ (๒) จะต้องเกิดขึ้นสองครั้งเมื่อมี ฮีเลียม ๓ จำนวนสองตัว มาทำปฏิกิริยาขั้นที่ (๓) ครั้งหนึ่ง

                  ปฏิกิริยาทั้งสองชนิดจะเกิดได้ก็ต่อเมื่อโปรตอนและอนุภาคแก่นกลางปรมาณูอื่นๆ นั้น มี ความหนาแน่นสูง (กล่าวคือมีจำนวนมากในปริมาตรจำกัด) และต่างมีความเร็วสูงพอที่จะวิ่งฝ่า แรงผลักระหว่างประจุไฟฟ้าเข้าชนกันได้ สภาพเหมาะสมดังกล่าว คือความหนาแน่นและอุณหภูมิ สูงมากนั้น มีอยู่ในบริเวณใจกลางของดวงอาทิตย์ ซึ่งคำนวณกันว่ามีอุณหภูมิ ๑๓.๖ ล้านองศา สัมบูรณ์ และมีความกดดัน ๒ x ๑๐๑๑ ต่อตารางเซนติเมตร หรือประมาณ ๒ แสนล้านเท่า ของความกดดันของบรรยากาศที่พื้นผิวโลกของเรา