แหล่งพลังงานของดวงดาว

ดวงดาวเผาผลาญตัวเองด้วยปฏิกิริยานิวเคลียร์ จึงได้พลังงานออกมาเป็นแสงและรังสีส่องสว่างที่เราเห็นและวัดได้

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ คือการรวมตัวของอนุภาคในระดับนิวเคลียสของอะตอม ต่างจะสูญเสียมวลไปเล็กน้อย มวลที่เสียไปนี้ก็จะกลายเป็นพลังงานตามทฤษฎีสัมพัทธภาพของไอน์สไตน์ E = mc² โดย c คือความเร็วของแสงที่มีค่าเท่ากับ 30,000,000 เมตร/วินาที²

ปฏิกิริยานิวเคลียร์มีสองชนิดคือ fission และ fusion Fission คือการผ่านิวเคลียสของอะตอมใหญ่ของธาตุที่หนักๆออก ให้กลายเป็นสองอะตอมของธาตุที่เบากว่า แล้วได้พลังงานออกมา Fusion คือการหลอมรวมนิวเคลียสของธาตุที่เบาๆเข้าด้วยกัน กลายเป็นธาตุที่หนักขึ้น แล้วได้พลังงานออกมา เช่น โปรตอนจากไฮโดรเจนรวมกันกลายเป็นฮีเลียม เป็นต้น

ที่เป็นเช่นนี้ ก็เพราะว่า ตามกฏธรรมชาติของ นิวคลีออน หรือ อนุภาคที่อยู่ในใจกลางนิวเคลียสของอะตอม แล้ว จะมีการรวมตัวกันด้วยพลังงานที่เรียกว่า Binding Energy ซึ่งจะผันแปรไปตามจำนวนของ นิวคลีออน ดังภาพ

A คือ จำนวนของ นิวคลีออน

จะเห็นว่า หากธาตุที่มีจำนวนอะตอมน้อยๆ เช่นโปรตอนสองตัว คือ A = 1+1 ไปขึ้นเป็น A = 2 แล้วจะได้พลังงานเพิ่มขึ้นมาก หรือการไปแยกธาตุที่มีอะตอมใหญ่ๆ ก็จะได้พลังงานเพิ่มขึ้นเช่นกัน แม้จำนวนเพิ่มของพลังงาน จะไม่ได้มากเท่ากับการรวมนิวคลีออน ของธาตุขนาดเล็กๆ ฉะนั้น ปฏิกิริยาการหลอมตัวของไฮโดรเจน ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานของดวงดาว จึงให้พลังงานต่อหน่วย สูงกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ของธาตุอื่นๆ

หากจำนวนอนุภาคมีราว 60 นิวคลีออนแล้ว จะเป็นจุดที่ต้องใช้พลังงานสูงสุด การรวมหรือแยกธาตุที่มีขนาดนั้น(เช่นธาตุเหล็ก) ก็จะทำได้ยากมากขนาดที่จะเป็นไปไม่ได้เลย ตามสภาพที่มีอยู่ในจักรวาลของเรา ดังนั้น ธาตุเหล็ก จะไม่ทำปฏิกิริยานิวเคลียร์อีก นี่ก็เป็นข้อสำคัญ ที่มากำหนดในการสลายตัวของดวงดาวในภายหลัง

เมื่อ เนบิวล่า มีแรงกดดันจนอุณหภูมิในใจกลางขึ้นถึงนับพันองศาแล้ว ก็มีพลังงานมากพอที่ อีเลคตรอน ซึ่งวนรอบนิวเคลียสของอะตอม จะฉีกตัวเองให้หลุดพ้นออกมาจากอะตอมนั้นได้ แต่สำหรับไฮโดรเจนอะตอม ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของกลุ่มเมฆ เนบิวล่า นั้น เมื่อ อีเลคตรอน หลุดออกไปแล้ว โปรตอน กลายเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก เที่ยวร่อนเร่อยู่ในใจกลาง เนบิวล่า ณ ใจกลาง เนบิวลา จึงมีแต่ พลาสมา ที่ประกอบด้วย โปรตอนเสรี และอีเลคตรอน ที่ต่างคนต่างอยู่กันไป

อะตอมของไฮโดรเจนซึ่งเป็นอะตอมที่เล็กที่สุดในตารางธาตุ ประกอบด้วย อีเลคตรอน และ โปรตอน อย่างละตัวเท่านั้น

แต่อนุภาคของอะตอมนั้น ยากที่อยู่ๆ จะมาหลอมรวมตัวกัน ให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ เพราะมันมีประจุไฟฟ้าเดียวกัน ที่คอยแต่จะผลักหนีจากกัน เป็นอุปสรรคที่เรียกชื่อว่า กำแพงคูลอม หรือ Coulomb Barrier โดยมันจะมีแรงผลักมากน้อยก็ขึ้นอยู่กับ ระยะห่างจากกันของอนุภาค r ตามกราฟข้างล่างนี้

จากกราฟจะเห็นได้ว่า ระยะห่าง (r) ระหว่างอนุภาคโปรตอนยิ่งมีค่ามาก พลังงานศักย์ V(r) จะน้อยลง แรงผลักก็จะน้อยลง แต่หากต้องการบีบให้อนุภาคเข้าหากัน ก็ต้องมีแรงที่มาบีบให้มันเข้าหากันมากขึ้นเรื่อยๆ ไม่เช่นนั้นมันจะดีดตัวเองออกจากกันในทันที แต่หากมีแรงบีบมากๆจนฝืนแรงผลักตัวได้ เช่น ด้วยแรงกดดันมหาศาลในแกนกลางของดวงดาว ที่มีอุณหภูมิเกินกว่าสิบล้านองศาขึ้นไป จนมันเข้ามาในระยะใกล้กันมากๆ ด้วยระยะทางต่ำกว่า 10^-15 เมตร แล้ว แรงระหว่างมวล ก็จะผันกลับเป็นแรงดูด ที่เรียกว่า Strong Nuclear Force เกือบจะในฉับพลันทันที จนสามารถหลอมอนุภาค โปรตอน สองตัวเข้าด้วยกัน ให้กลายเป็นธาตุที่หนักขึ้นไปได้ เกิดเป็นปฏิกิริยา fusion ขึ้น ก็จะได้พลังงานขึ้นมาจากปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้

¹H + ¹H -> ²H(ดิวทีรอน) + e+ (หรือโพสิตรอน) + neutrino (ปฏิกิริยาที่ ๑)

โพสิตรอนที่เกิดขึ้น ก็คือ อีเลคตรอนที่มีประจุบวก ที่นำประจุไฟฟ้าบวก และมวลเล็กน้อย ออกจาก โปรตอนตัวหนึ่ง จนมันกลายเป็น นิวตรอน ไปรวมกับโปรตอนอีกตัว กลายเป็น ²H ขึ้นมา

²H ซึ่งเกิดจากปฏิกิริยานี้ เรียกว่า ดิวทีรอน คือนิวเคลียสของไฮโดรเจนอะตอมที่มี นิวตรอนเพิ่มมาอีกตัวหนึ่ง บางครั้งจึงเรียกว่า ไฮโดรเจนหนัก (Heavy Hydrogen)

ดังที่กล่าวข้างต้นว่า ใจกลางของเนบิวล่า หรือดวงดาว มีสภาพเป็นพลาสมา กล่าวคือ โปรตอน และ อีเลคตรอน ต่างท่องยุทธจักรกันอย่างเสรี เมื่อโพสิตรอนเกิดขึ้นมาท่ามกลางหมู่อีเลคตรอนอย่างนี้ ก็จะเข้าหา อีเลคตรอน ที่อยู่แถวนั้น ด้วยแรงดึงดูดไฟฟ้า ของมวลที่มีประจุตรงข้ามกัน เกิดปฏิกิริยาอย่างรุนแรงและฉับพลัน จนทั้งโพสิตรอน และ อีเลคตรอน สูญสลาย(annihilate) กลายเป็นพลังงานบริสุทธ์ในรูปของ รังสีแกมม่า

นิวทรีโน ที่เกิดจากปฏิกิริยานี้ เป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้า และมีมวลเพียง 1/10,000 เท่าของ อีเลคตรอนเท่านั้น (อีเลคตรอนเองก็มีมวลเพียง 1/2,000 เท่าของโปรตอน) นิวทรีโน เคลื่อนไหวเกือบเท่าความเร็วแสง และสามารถทะลุทะลวงแทบจะทุกสรรพสิ่งในจักรวาล

เมื่อการรวมตัวของ โปรตอน และ โปรตอน เกิดขึ้นแล้ว ก็จะเกิดปฏิกิริยาตามมาเป็นลูกโซ่อย่างหยุดไม่ได้ จึงเรียกว่าเป็น ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอนและโปรตอน จนเกิด ฮีเลียม ขึ้นมาดังนี้

²H + ¹H -> ³He(ฮีเลียม สาม) + พลังงานในรูปของรังสีแกมม่า (ปฏิกิริยาที่ ๒)

ฮีเลียมสาม คือ ฮีเลี่ยมที่มีนิวตรอนน้อยกว่าปกติหนึ่งตัว เรียกว่าเป็น ไอโซโถป หนึ่งของฮีเลียม ฮีเลียมสาม สองตัวจาก ปฏิกิริยาที่สอง สองชุด ก็จะมารวมตัวกัน เกิดเป็น ฮีเลียมสี่ (ที่เสถียรแล้ว) และโปรตอนอีกสองตัว

³He + ³He -> ⁴He + ¹H + ¹H + พลังงานโฟตอน (ปฏิกิริยาที่ ๓)

เมื่อเอาปฏิกิริยา ๑ ถึง ๓ มาหักล้างกันแล้ว ผลรวมของปฏิกิริยาตั้งแต่ต้นจนจบคือ

4(¹H) -> ⁴He + 2neutrinos + พลังงาน

พลังงานที่ได้คือโฟตอนที่มีกำลังสูง อยู่ในระดับรังสีแกมม่าเกิดขึ้นภายในดวงดาว

ภาพยนตร์ปฏิกิริยาลูกโซ่โปรตอน~โปรตอน โดย Thinkquest ปรับปรุงเพิ่มเติมและแปลโดย ทีมวิชาการ

แม้ว่ามวลจากโปรตอนสี่ตัวเมื่อเริ่มแรกนั้นคือ 4.0312 amu(atomic mass unit) มาได้ ฮีเลียม ซึ่งมีมวล 4.0026 amu โดยจะเสียมวลไป 0.0286 amu ต่ออะตอม ซึ่งดูจะน้อยมาก มวลแต่เพียงน้อยนิด ก็สามารถก่อให้เกิดพลังงานอันมหาศาลได้ แต่ขนาดอันมหาศาลของดวงดาว เช่นดวงอาทิตย์ นั้น ประมาณว่า จะเผาไฮโดรเจนในปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ ด้วยอัตราถึง ๖๐๐ ตันต่อหนึ่งวินาที ดวงดาวจึงได้มีพลังงานมหาศาล สามารถส่องแสงข้ามห้วงอวกาศอันแสนไกลมาให้เราเห็นได้