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IL SOLE, LE STELLE E LA FUSIONE NUCLEARE

scienze della terra




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IL SOLE, LE STELLE
E LA FUSIONE NUCLEARE










Osservando i vari tipi di stelle e studiandone le caratteristiche, gli scienziati si sono resi conto che la "nascita" di una stella si basa sul fatto che nello spazio cosmico sono presenti vaste zone con una densità notevolmente più grande: in un cm3 di tali zone può addensarsi qualche migliaio di atomi, un numero estremamente piccolo rispetto al numero di atomi contenuto in un cm3 di aria atmosferica , a confronto con le regioni circostanti, queste zone possono essere considerate delle "nubi" di gas.


Le nubi di gas interstellare sono chiamate nebulose e sono costituite soprattutto da idrogeno.



Esse sono rese visibili dalla luce delle stelle che vi sono immerse, oppure dal fatto che oscurano le stelle che stanno dietro.


L'origine d'una stella inizia quando le particelle di nebulosa incominciano ad addensarsi sotto l'azione della propria attrazione gravitazionale, concentrandosi verso una zona centrale.

Questa zona diventa un forte centro di attrazione sul quale miliardi e miliardi di atomi cadono incessantemente trasformando la loro energia gravitazionale in energia termica. Si forma così, col passare del tempo, un globo (nel quale si raccoglie quasi tutta la materia sparsa inizialmente nella nebulosa) che si contrae sempre più e che diventa sempre più caldo. 414j91e

La contrazione fa aumentare la temperatura al centro del globo, fino a renderla sufficiente a provocare le prime reazioni nucleari di fusione dell'idrogeno, cioè la trasformazione dell'idrogeno in elio.

Questo può essere considerato il momento della "nascita" della nuova stella.


Tutte le stelle passano circa il 90% della loro "vita" trasformando con regolarità   idrogeno in elio senza variare la loro temperatura.

Più grande è la massa di una stella, tanto più in fretta viene consumato l'idrogeno che la stella    ha a disposizione.

Per esempio, mentre il Sole impiegherà circa 10 miliardi di anni per consumare             la propria riserva di energia una stella come Sirio, con massa circa 2 volte maggiore, impiega non più di 1 miliardo di anni.




Quando quasi tutto l'idrogeno al centro è finito, la stella inizia a contrarsi per effetto della gravità. Questa contrazione provoca un aumento della temperatura al centro e una grande produzione di energia. Ciò avviene in tempi brevi e provoca una rapida dilatazione degli strati più esterni: il raggio diventa fino a mille volte più grande; la superficie si raffredda e incomincia a emettere luce rossa.

Per le sue dimensioni e per il suo colore, la stella così trasformata si chiama gigante o supergigante rossa.


Anche il Sole, tra quattro o cinque miliardi di anni, si trasformerà in una gigante rossa: per la Terra sarà la fine perché il diametro solare diventerà uguale a quello dell'orbita terrestre.

Intanto, al centro, la temperatura raggiunge valori tali da consentire l'inizio di un altro tipo di reazioni nucleari, che trasformano elio in carbonio. Quando l'elio sta per finire, anche questa fase termina e la stella si avvia rapidamente verso la sua "morte".


Osserviamo ciò che resta di una gigante rossa di massa poco maggiore di quella del Sole: la parte centrale della stella, pur avendo una massa pari a quella del Sole, si è contratta fino ad assumere dimensioni piccolissime per una stella, paragonabili a quelle della Terra.

Poiché questa piccolissima stella emette una luce bianca, essa viene chiamata nana bianca: si vede come una stellina al centro di un anello.



La stella è una sorgente d' energia. L'energia delle stelle è formata da luce e radiazioni infrarosse e ultraviolette, che le stelle emanano in tutte le direzioni dello spazio, anche per tempi straordinariamente lunghi

La fonte di questa straordinaria quantità d' energia è rappresentata da incessanti reazioni di fusione, cioè da reazioni nucleari durante le quali l'idrogeno si trasforma in elio.


La fusione nucleare avviene incessantemente e spontaneamente nel centro del Sole.

Il Sole è formato soprattutto da idrogeno e da elio. L'idrogeno si trova nel Sole a temperature altissime molti milioni di gradi: in queste condizioni i suoi atomi si muovono a velocità tali che, quando si urtano, i loro nuclei si "fondono", formando i nuclei dell'elio. In tal modo: nel centro del Sole, l'idrogeno si trasforma continuamente in elio. La grande quantità di energia che il Sole irradia nello spazio sotto forma di luce e di altre onde elettromagnetiche deriva dalle reazioni di fusione che in esso avvengono.




Vi è un altro tipo di reazione nucleare capace di liberare enormi quantità di energia: la fissione nucleare. Nella fissione nucleare nuclei grossi si frammentano in nuclei più piccoli. Invece: nella fusione nucleare due nuclei piccoli si uniscono cioè "si fondono", formando un nucleo più grosso.

Due nuclei di deuterio si urtano ad altissima velocità (il deuterio è un isotopo, una sostanza modificata dai neutroni dell'idrogeno formato da un protone e da un neutrone). Urtandosi, i due nuclei si fondono, formando un neutrone e un nucleo di elio-3 (costituito da due protoni e un neutrone).





Gli scienziati sono in grado di produrre reazioni di fusione nucleare artificialmente. Allo scopo usano due tecniche:


"sparano" atomi di deuterio gli uni contro gli altri, mediante speciali macchine acceleratici.


Le macchine possono essere di due tipi:

- circolari, nelle quali le particelle hanno traiettorie circolari,

- lineari, nelle quali le particelle si muovono su traiettorie rettilinee.

Le macchine acceleratici permettono di ottenere le reazioni di fusione con pochi nuclei. Esse consentono in tal modo di studiare in modo approfondito le reazioni di fusione. Per realizzare fusioni su larga scala, gli scienziati devono ricorrere al secondo tipo di tecnica;


portano gli atomi di deuterio a temperature elevatissime, come quelle esistenti nel Sole. Con esplosioni atomiche, cioè realizzando reazioni di fissione nucleare. In questo modo è stata realizzata la bomba all'idrogeno o "bomba H".


Nella bomba H, infatti, la fusione nucleare è innescata facendo prima esplodere una bomba atomica a fissione. Essa ha una potenza distruttiva migliaia di volte più grande di quella della bomba atomica all'uranio.

L'esplosione della bomba H è una reazione di fusione nucleare non controllata. Non si è ancora in grado di utilizzare le reazioni di fusione nucleare per scopi pacifici.



Due fatti rendono difficile usare la reazione di fusione nucleare in centrali d'idrogeno:

-primo, è difficile produrre le temperature necessarie alla fusione;

-secondo, è difficile realizzare recipienti capaci di sopportare le temperature necessarie alla fusione.


Esiste un tipo di macchina ideato per cercare di superare tali difficoltà che prende il nome di Tokamak; in essa intensi campi magnetici impediscono che la materia a temperatura elevatissima prodotta dalla fusione venga direttamente a contatto con le pareti del recipiente che la contiene. Si tratta di una macchina sperimentale.








La nostra stella e sorgente d'energia è il Sole.

Il Sole è una stella come tantissime altre; se le altre stelle ci appaiono molto meno luminose è solo perché sono assai lontane.


Il Sole, come tutte le stelle, è un'immensa sfera d'idrogeno che si trasforma in elio.



Il diametro del Sole è di circa 1,5 milioni di km. Le reazioni di fusione sono iniziate circa 5 miliardi d'anni fa, a partire dal centro della stella. Infatti, nel centro esistono le temperature elevatissime (molti milioni di gradi) necessarie perché le reazioni nucleari possano avvenire. Più della metà della massa solare è ancora formata da idrogeno, distribuito nella parte più esterna della stella. Ci vorranno probabilmente altri 4 o 5 miliardi d' anni prima che anche questo idrogeno si trasformi in elio.



Il Sole è formato da più gusci concentrici:


Il nucleo è la zona nella quale avvengono le reazioni nucleari.


La zona radiativa, che si estende per uno spessore di circa 400.000 km, è la zona nella quale le radiazioni emesse dal nucleo trasportano l'energia verso l'alto.




La zona convettiva è la zona del Sole che viene riscaldata dalle radiazioni che provengono dal nucleo. In essa il calore è trasportato verso l'alto per convenzione, cioè tramite lo spostamento di enormi colonne di gas che si portano verso la superficie, mentre il materiale più freddo sovrastante cade verso il basso.


La fotosfera è la superficie del Sole: essa si estende per circa 100 km.

Al di sopra della fotosfera si estende una zona che può essere considerata l'atmosfera del Sole. Essa è distinta in due strati; la cromosfera, che durante le eclissi può essere vista come un tenue anello rosato, e la corona.

Anche per studiare la corona le condizioni migliori si ottengono durante le eclissi solari, quando il disco della Luna nasconde completamente quello del Sole.


La superficie del Sole non è una sfera liscia: essa è tormentata da continui moti turbolenti di gas, cioè da eruzioni di immense colonne di gas incandescenti, che formano delle protuberanze. Tali protuberanze sono visibili al telescopio durante le eclissi totali di Sole.


Altre particolarità della superficie del Sole sono le famose macchie solari, le quali sono depressioni della superficie solare (o fotosfera) che subiscono un notevole raffreddamento: la loro temperatura scende di 2000° C al disotto di quella generale e la loro profondità è di poche centinaia di chilometri. Le macchie solari aumentano di estensione e si riducono quasi a zero in un ciclo di attività che si ripete a intervalli di 11 anni.

Il lento movimento delle macchie solari, dal bordo est al bordo ovest del disco, rivela che il Sole ruota sul proprio asse in 26 giorni circa.


Sulla superficie del Sole la temperatura è molto inferiore a quelle esistenti nel suo interno. La temperatura superficiale è di circa 6000 °C . E' da questo particolare valore che dipende il colore della luce emessa dal Sole. Infatti, osservando il firmamento con i loro strumenti, gli astronomi si sono resi conto che le stelle brillano di colori diversi. Le stelle che brillano di luce blu e violetto sono le più calde, quelle che brillano di luce rossa sono le meno calde. Il Sole, con il suo colore giallo, è dunque una stella intermedia.



















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