Животът на един фотон

Фотоните изминават разстоянието от центъра на слънцето до повърхността му за милиони години.

На един фотон може да му отнеме от 40 000 до няколко милиона години, за да пропътува разстоянието от ядрото на Слънцето до повърхността, но само 8 минути за да измине останалата част от пътя до Земята. От ядрото до повърхността, фотонът прави огромен брой скокове от атом на атом, като бива абсорбиран и излъчван отново. Част от светлината, която днес достига до нас, е енергия създадена преди милиони години

Известно е, че, на светлината, която виждаме от звездите, й отнема стотици, хиляди и милиони години, за да достигне до нас. Фотоните, създадени в тези далечни звезди, преминават през огромни пространства и време, за да достигнат нашите ретини. Но какво да кажем за светлината, създадена в собственото ни Слънце? Какво претърпяват тези фотони по пътя си към Земята? Да разгледаме пътешествието на един фотон:

Първи етап: Ядро

Нашият фотон е произведен в ядрото на Слънцето: където плътността и температурата – достигащи 15 милиона градуса – са достатъчно високи, за да поддържат ядрения синтез. Водородните атоми, които съставляват по-голямата част от масата на Слънцето, имат прекалено много енергия, за да могат да останат заедно в тези условия, така че те се разделят на съставните им части: протони и електрони – плазма.

Когато два протона се сблъскат в тази високоенергийна плазма, те се свързват, като в крайна сметка създават атом деутерий, както в същото време освобождават неутрино и позитрон. Ако друг протон се сблъска с този новообразуван атом, той образува ядро на хелий-3 и освобождава гама лъч. Този гама лъч е нашият фотон, изключително енергичен. След създаването на фотона, две хелиеви (хелий-3) ядра могат да се комбинират, за да се създадат хелий-4 ядро и два протона.

Този процес, който се нарича протонна верижна реакция (proton-proton chain), е основата на ядрения синтез. Но нещата не свършват до тук. Неутриното, като слабо взаимодействаща частица, ще отлети в космоса, докато позитронът ще взаимодейства с електрон, унищожавайки и двете частици в създаването на друг гама лъч. В по-късен етап от жизнения цикъл на Слънцето, хелиевите атоми, произведени от ядрения синтез, могат да се комбинират в различни реакции така, че да образуват все по-тежки и тежки елементи, освобождавайки още повече енергия в процеса.

Втори етап: Радиационна зона

Радиационната зона се намира точно след ядрото на Слънцето. Тя получава своето име от основния си метод на топлопредаване – излъчването на светлина. Тъй като фотонът напуска ядрото и навлиза в зоната на радиация, той среща препятствие: среда от гъсто разположени протони. Те са толкова натъпкани заедно, че фотоните не могат да изминат повече от няколко милиметра, без да ударят протон. Всеки път, когато това се случи, фотонът губи част от своята енергия, която се разпръсква в различни посоки.

В резултат на това фотонът бавно си проправя път навън. Може да му отнеме някъде от около няколко хиляди до няколко милиона години, за да напусне тази зона. Така че, не само на светлината от отдалечените звезди й отнема милиони години за да достигне до нас, но и на тази от собственото ни слънце!

Трети етап: Конвекционни слоеве

Конвекционната зона е крайният вътрешен слой на Слънцето; тя завършва на повърхността на Слънцето. Тук преносът на топлина е доминиран от конвекция: движещи се потоци от плазма в обмен на топлина между горещото ядро и по-хладните външни зони. Движението на плазмата на Слънцето се подчинява на същите принципи, на които се подчинява и горещата вода в чайника – горещите мехури се образуват дълбоко в Слънцето и се издигат до повърхността, образувайки гранули и супергранули.

Гранули на повърхността на Слънцето

В горните слоеве плътността на слънчевата плазма е много по-малка, отколкото в радиационната зона. На повърхността плътността е десет хиляди пъти по-малка от плътността на въздуха на Земята, така че фотонът ни няма да се срещне с много атоми, докато се промъква. След като се е върнал в радиационната зона, фотонът ни е загубил голяма част от енергията си и се е преместил във видимия спектър. Милиони години след като е бил създаден в реакция на ядрен синтез, нашият фотон най-накрая напуска вътрешността на Слънцето.

Излизане: Слънчева атмосфера

Напускайки повърхността на Слънцето, фотонът ни влиза в атмосферата на Слънцето, която (подобно на Земята) има няколко слоя. Фототонът ни преминава първо през тънката фотосфера, преди да влезе в по-плътната хромосфера. Нещо интересно се случва в този момент: температурите започват да се увеличават, докато фотонът си проправя път през короната – най-външния слой на атмосферата на Слънцето. Короната, нагорещена до бяло плазма, се простира на милиони километри от Слънцето и е стотици пъти по-гореща от повърхността му.

Въпреки че короната е много рядко населена с атоми, фотоните все още могат да бъдат разсейвани от прах или свободни електрони. Обаче те обикновено преминават безпрепятствено, поне повечето от тях, и се насочват към Земята. Много милиарди други фотони се насочват в същата посока, като трилиони други пътуват в различни посоки. И въпреки че нямат маса, тяхната комбинирана енергия може да упражнява сила върху всеки обект, който е достатъчно голям, за да им се изпречи на пътя. Тази сила се нарича радиационно налягане и може да се използва за захранване на слънчеви (светлинни) платна.

Пристигане: Земя

На този фотон му отнема около 8 минути за да пропътува 93-те милиона километра от Слънцето до Земята. Веднъж достигнал до Земята, избягвайки космическите отломки и сателити, навлиза в атмосферата. Ако нашият фотон е гама лъч, рентгенов лъч или ултравиолетов лъч, той би бил погълнат или отразен от горния слой на атмосфера и вероятно никога нямаше да стигне до повърхността.

Дори да е от спектъра на видимата светлина, ако е с дължина на вълната на синия или виолетов спектър, той щеше да бъде разпръснат или отразен от по-ниските слоеве на атмосфера и да достигне до земята под екстремно различен ъгъл. Ако обаче дължината на вълната с която пътува в червения спектър, фотонът би могъл да премине директно през атмосферата с минимално съпротивление и взаимодействия.

Близо до повърхността на Земята фотонът може да влезе в контакт с лещата на окото, където се фокусира в малка точка върху ретината. Там най-накрая се абсорбира от протеин в конусовидна клетка, която в резултат изпраща електрически сигнал към мозъка и отбелязва края на епичното пътуване на нашия фотон.

Разстояние до планетите в Слънчевата система и за колко време светлината достига до тях

ПланетаРазстояние [AU]Време [s (HH:mm:ss)]
Меркурий0.387193.0 (00:03:13)
Венера0.723360.0 (00:06:00)
Земя1.000499.0 (00:08:19)
Марс1.523759.9 (00:12:40)
Юпитер5.2032 595.0 (00:43:15)
Сатурн9.5384 759.0 (01:19:19)
Уран19.8199 575.0 (02:39:35)
Нептун30.05814 998.0 (04:09:58)
Плутон39.4419 680.0 (05:28:00)
Светлината във вакум се движи със скорост от 299 792 km/s. Въпреки зашеметяващата скорост, са необходими над 8 минути [499.0 s] за да може светлината от Слънцето да достигне Земята! Това разстояние наричаме астрономическа единица и бележим с 1 AU. В космическите мащаби трябва да има по-бърз начин за обмен на информация от светлината, в противен случай сме обречени на самота.

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *