Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Образовавшийся дейтрон уже через 6 с вступает в реакцию с протоном и образует ядро легкого изотопа гелия 3Не, которое потом блуждает примерно миллион лет, прежде чем встретит другое такое же ядро и при слиянии с ним образует а-частицу (ядро 4Не), вновь освобождая 2 протона. Но пройдет еще несколько миллионов лет, прежде чем энергия, выделившаяся в центре Солнца, достигнет его поверхности и оттуда излучится в мировое пространство. Еще через 8 мин лучи Солнца достигнут Земли.
В действительности процесс «горения» ядер водорода происходи немного сложнее: кроме основного цикла идут побочные, благодаря которым энерговыделение в протон-протонном цикле снижается до 26,172 МэВ. Кроме того, наряду с основным циклом (его вклад составляет 86 %) синтез водорода в гелий происходит по так называемому углерод-азотному циклу, где энерговыделение равно 24,97 МэВ. Поэтому в среднем при слиянии 4 протонов в ядро гелия выделяется энергия
(26,17.0,86 + 24,97.0,14) МэВ = 26,00 МэВ,
то есть по 6,5 МэВ на каждое сгоревшее ядро водорода. Это означает, что его масса тн= 1,007825 а. е. м. уменьшается при этом на
Ат = 6,5 МэВ/931,5 МэВ = 0,006978 а. е. м.,
то есть на 0,69 % — в семь раз больше, чем при делении ядра урана.
В 1 г водорода содержится 6,02-1023 ядер, а при их ядер-ном горении выделится энергия
(6,02-1023).6,5 МэВ = 3,91 • 1024 МэВ = 6,27-1018 эрг =
= 6,27- 10й Дж.
Поэтому, чтобы обеспечить мощность излучения 3,8-1026 Вт, в недрах Солнца каждую секунду должно «сгорать»
(3,8 - 1026 Вт) - 1
6,27.10” Дж/г
с- = 0,607 •
10|5г=607
млн.
водорода, масса Солнца уменьшится при этом на
607 млн. т-0,0069 а. е. м./1 а. е. м. = 4,2 млн. т
и в виде фотонов рассеется в мировом пространстве. (Часть энергии (около 5 %) уносится нейтрино и не включена в этот баланс, поэтому в действительности водорода сгорает чуть больше, а именно 630 млн. т., или 0,63* 1015 г/с.)
При таком темпе горения массы Солнца (2-1033 г), из которых 75 % составляет водород, хватило бы на
2- 1033 г-0,75
0,6- 1015 г/с
= 2,5.10,8с
0,8- 1011
лет,
то есть на 80 млрд. лет. В действительности при устойчивом горении допустима потеря массы не более 10 %, то есть Солнце будет так же неизменно светить на небосклоне еще 5—7 млрд. лет. Несмотря на огромность излучаемой энергии, Солнце горит очень экономно: при массе 2 -1033 г оно излучает 3,8-1026 Дж/с, то есть его удельная мощность равна всего (3,8-1026 Вт)/(2-1033 г) = 1,9-10“7 Вт/г — в 10 тыс. раз уступает удельной мощности человека (2-10-3 Вт/г) и в 50 млрд, раз меньше удельной мощности горящей спички (примерно 10 000 Вт/г).
ТИГЛИ ЭЛЕМЕНТОВ
В недрах Солнца каждую секунду 630 млн. тонн водорода превращается в гелий. Но как возникли все остальные элементы, из которых состоит земля, растения и мы с вами? Квантовая физика и основанная на ней ядерная астрофизика могут теперь ответить и на этот вопрос.
Когда в ядре Солнца выгорит весь водород, сразу же уменьшится поток и давление излучения, которое препятствует сжатию Солнца под действием сил тяготения, его ядро начнет уменьшаться в объеме, и в процессе такого гравитационного сжатия плотность в центре Солнца достигнет 105 г/см3, а температура превысит 100 млн. градусов,— как раз в этот момент начнет «гореть» гелий. Ядерная реакция горения гелия — тройной альфа-процесс (За- процесс) — замечательна во многих отношениях и заслуживает более подробного рассмотрения.
Прежде всего, простая реакция слияния двух ядер гелия в ядро бериллия
4Не + 4Не->8Ве
невозможна, поскольку такой изотоп бериллия в природе отсутствует. К счастью, в сечении этой реакции при энергии около 0,1 МэВ наблюдается резонанс, который можно мыслить себе как очень нестабильное ядро 8Ве*. Это «ядро» живет всего 10-16 с, однако по ядерным масштабам это не так мало: при столкновении а-частиц они, прежде чем разлететься вновь, успевают совершить около миллиона колебаний в составе 8Ве*. За это время к ним может приблизиться третья а-частица и образовать с ними ядро углерода ,2С.
Эта возможность, однако, осталась бы нереализованной, если бы не вторая удача, сопутствующая успеху За-процесса. Дело в том, что масса трех а-частиц на 7,28 МэВ превышает массу ядра ,2С и прямой процесс образования ядер углерода из трех а-частиц крайне маловероятен. Но у ядра 12С есть возбужденное состояние ,2С* с энергией возбуждения 7,66 МэВ, то есть масса ядра ,2С*, в отличие от массы t2C, не меньше массы трех а-частиц, а, наоборот, на 7,66 МэВ — 7,28 МэВ =0,38 МэВ превышает ее. А это означает, что при достаточно высоких энергиях столкновения а-частиц возможна резонансная реакция
8Ве* + 4Не-^,2С*.
Возбужденное ядро ,2С* живет недолго — всего 10-12 с и,
испуская у-кванты или электронно-позитронную пару, переходит в основное состояние.
Но этого времени оказывается достаточно, чтобы успело произойти необратимое объединение трех а-частиц.
При температурах Г^Ю8 К кинетическая энергия а-частиц (0,02 МэВ) в гелиевой звезде значительно меньше энергии 0,38 МэВ, при которой выполняется условие резонанса для реакции 8Ве* + 4Не->,2С*. Однако в недрах такой звезды всегда существует незначительная примесь очень быстрых частиц (10-9, примерно одна частица на миллиард), для которых это условие выполнено, и этого оказывается достаточно, чтобы осуществить последовательность реакций За-процесса
4Не + 4Не->8Ве*, 8Be* + 4He->I2C*->I2C + У
со скоростью в тысячу раз большей, чем горение водорода.
За-процесс был предсказан в 1952 г. американским теоретиком Эдвином Эрнестом Солпитером (р. 1924 г.) и лишь впоследствии подтвержден всей совокупностью наблюдаемых данных. Теперь он исследован во всех деталях, но не стал от этого менее удивительным: ведь если бы массы ядер гелия и углерода отличались от действительных всего на 0,1 %, то редкое сочетание сразу двух резонансов в За-процессе было бы разрушено и условия нуклеосинтеза в звездах были
