Файл: Рыдник В.И. Четвертое состояние вещества.pdf

лы Отталкивания действуют и На далеких расстоя­

ниях между протонами, тогда .как силы притяже-. ния проявляются только при тесном сближении протонов и, превышая силы отталкивания, дают протонам [возможность соединиться в ядро. Значит, что|бы протоны могли перепрыгнуть через «барь­ ер», которым «отгородилось» ядро, они должны иметь достаточно высокую энергию. Только в этом случае они смогут сблизиться на расстояния, на которых между ними уже действуют ядерные силы притяжения.

Ядерные силы, имеют еще одно важное свойство, о котором мы не говорили. Пусть, например, по про­ тону «выстрелили» другим протоном, сообщив по­ следнему скорость, достаточную для того, чтобы «снаряд» смог очень близко подойти к «мишени». На какую-то долю секунды оба протона окажутся рядом, и тогда может случиться, что один из них превратится в нейтрон, испустив позитрон (поло­

против, взаимную («симпатию». Так образуется яд­ ро тяжелого водорода ■— дейтерия, называемое дей­ троном.

Далее начинается второй этап ядерных превра­ щений, который [происходит 'Значительно легче. Это объясняется тем, что в (состав дейтрона входит ней­ трон — составная часть атомных ядер. Соударения дейтрона с нейтроном (или протоном) приводят к образованию сверхтяжелого ядра водорода (три­ тия) или легкого ядра гелия (гелий-13). В этих про­ цессах может образовываться также 'свободный нейтрон или протон. Эти реакции иллюстрируются на рисунке, приведенном в следующем разделе.

С образованием обычного гелия эта цепочка ядерных превращений оканчивается: ядро гелия очень устойчиво.

Для использования энергии ядерного синтеза в земных условиях надо прямо начинать со второго этапа, применяя в качестве ядерного горючего сра­ зу дейтерий или тритий. Но как осуществить ядерный синтез?

ЖИЗНЬ СОЛНЦА

Чтобы выяснить этот вопрос, ученые обратились к Солнцу. Для этого были основания. Уже давно из­ вестно, что самыми распространенными химически­ ми элементами на Солнце являются водород и ге­ лий. Собственно говоря, гелий и (был открыт снача­ ла не на Земле, где его ничтожные количества, а в спектре Солнца, откуда и получил свое название («гелиос» по-гречески — «солнечный»). Водород и гелий... Но мы только что видели, что эти химиче­ ские элементы — начальный и конечный продукты цепочки ядерных превращений, в ходе которых вы­

66

деляется очень значительная энергия. Может быть, именно эти превращения и объяснят, почему Солн­ це «торит и не сгорает»?

Немецкий ученый Бете сделал подсчеты. Энер­ гия, испускаемая Солнцем в виде тепла и света, из­ вестна, масса Солнца — тоже. Оставалось найти только количество протонов в веществе Солнца, энергию, выделяющуюся в каждом акте синтеза, и, наконец, вероятность этого синтеза.

(Первое определить оказалось совсем неслож­ но — примерная доля водорода в солнечном веще­ стве и вес протона известны. С помощью ядерных реакций синтеза, возбужденных в лабораторных условиях, удалось оценить и энергию, выделяю­ щуюся при синтезе ядер водорода в ядро гелия.

Самым сложным оказался подсчет вероятности реакций синтеза. Как мы уже говорили, чем энер­ гичнее движутся протоны, то есть чем большую ско­ рость они имеют, тем ближе они могут подходить друг к другу, тем больше вероятность их слияния. В начале нашей книги мы установили, что чем выше температур а, тем .быстрее движутся молекулы. С те­ ми уточнениями понятия температуры, которые мы затем сделали, это положение можно применить и к движению атомных ядер, в частности 'протонов.

Результат подсчета показал, что цепочка прев­ ращений протонов в ядра гелия вполне может объ­ яснить наблюдающуюся интенсивность солнечного излучения, если (предположить, что внутри Солнца существуют температуры более десяти миллионов градусов. При таких температурах легкие ядра давно уже лишены своих электронных оболочек, так что солнечное вещество представляет собой не что иное, как «идеальную» плазму.

Цепочка превращений — так называемый про-

Тйннй-протонный цикл — даже при такой гигант­ ской температуре, как ,в недрах Солнца, ввиду от­ носительной разреженности солнечного вещества и ■малой вероятности процесса синтеза протекает исключительно медленно: на один акт синтеза ядра

Цепочка ядерных превращений в одним из вари­ антов синтеза ядра гелия из ядер водорода (протоннснпротонный цикл). Именно этот процесс синтеза сегодня в глубинах Солнца.

# — протоны, О — нейтроны, р+ — позитроны.

гелия из протонов уходит около 15 миллиардов лет! Но протонов на 'Солнце неисчислимые полчища, и в результате каждую секунду в глубинах Солнца происходят многочисленные акты ядерного синте­ за, в каждом из которых выделяется сравнительно небольшая, а в целом колоссальная, энергия, столь щедро излучаемая светилом в пространство.

Солнце непрерывно расходует солнечное «горю­ чее» — протоны, превращая их в «золу» — ядра ге­ лия. Что произойдет, когда 'будут «сожжены» все протоны? Солнце потухнет? И если так, то когда это произойдет? Расчет показывает, что протонов на Солнце так много, что при сегодняшней интен­

68

сивности его «горения» оно просуществует в виде мировой печки еще много миллиардов лет. А по­ том?

Быть может, Солнце остынет. Но есть и другая возможность. Оказывается, «зола» тоже может го­ реть. Чтобы понять это удивительное свойство ядерной золы, вернемся к полному .графику устойчиво­ сти ядер, от которого мы отвлеклись, чтобы уяснить протонно-протонный цикл. Мы видим, что пик, со­ ответствующий гелию, довольно высок. Но на гра­ фике есть еще более высокая вершина, соответ­ ствующая ядру кислорода. Значит, возможно новое движение по «лестнице устойчивости» — от гелия к кислороду.

Мы не будем подробно рассматривать эту цепоч­ ку ядерных превращений. Прежде всего, для нача­ ла основного ее звена три ядра гелия должны со­ браться в одном месте и соединиться друг с другом в ядро углерода. Поскольку это случается редко, — не забудем, что все три ядра должны иметь, кроме того, и огромные скорости, чтобы .преодолеть взаим­ ное их отталкивание, гораздо большее, чем между протонами, — вероятность первого превращения очень мала. Такое слияние требует еще большей температуры, чем в недрах Солнца, — около 100 миллионов градусов. Но благодаря огромному количеству ядер гелия в «золе» оно все же будет осуществляться довольно часто.

Как только из трех ядер гелия образовалось ядро углерода, начинается новая цепочка превра­ щений. Ядро углерода, захватив три раза по одному протону и один раз превратив протон в нейтрон, превращается в ядро кислорода, но легкого: до обычного кислорода этому ядру не хватает одного нейтрона. Ядро легкого кислорода очень неустой­

69

чиво и, .не дожидаясь недостающего нейтрона, рас­ падается в несколько этапов. iB конце концов из него образуются... углерод и гелий, с которых мы и начинали.

Эта цепочка, называемая углеродно-азотным циклом — по имени участвующих в ней ядер угле­ рода и азота, — не имела бы никакого интереса,

Цепочка ядерных превращений в углеродно-азот­ ном цикле.

Р — протоны, р+ — позитроны. Не, С, N, О —

соответственно ядра гелия, углерода, азота и кислорода. Цифры над химическими символами означают общее количество протонов и нейтронов з ядрах (массовые числа).

если бы на каждом из ее звеньев не выделялась огромная энергия того же порядка, что и в протон­ но-протонном цикле). Отличительной чертой угле­ родно-азотного цикла является то, что он в сред­ нем протекает (быстрее, чем протонно-протонный цикл, причем при гораздо более высокой темпера­ туре. В сегодняшнем Солнце углеродно-азотный цикл, по-видимому, .в сколько-нибудь значительных масштабах не идет, а возбудится лишь на поздних стадиях жизни Солнца, которое к тому времени «перенасытится» ядрами гелия.

Таким образом, при нагревании ядерного горю-

70

чего, до сверхвысоких температур происходит син­ тез легких ядер. Энергия, выделяющаяся при син­ тезе, имеет поэтому другое происхождение, чем энергия, освобождающаяся при делении ядер ура­ на. Чтобы отличить ее, ученые назвали такую энер­ гию термоядерной.

ПОДВЕДЕМ ИТОГ

Итак, обобщим все сказанное выше о секрете солнечной деятельности. Солнце представляет со­ бой гигантский шар, вещество которого находится в плазменном состоянии. Температура в центре это­ го шара достигает, по-видимому, примерно 13 мил­ лионов градусов. При этой температуре ядра ато­ мов водорода— протоны — приобретают столь зна­ чительные скорости, что в состоянии преодолевать взаимное отталкивание и сближаться на расстоя­ ния, при которых между ними начинают действовать ядерные силы. В результате возбуждается цепочка ядерных превращений, в конце которой образуются ядра гелия. В ходе этой цепочки выделяется очень значительная энергия, испускаемая Солнцем частич­ но в виде света и тепла.

■Как мы уже упоминали, в земных условиях про­ тонно-протонный цикл не имеет места, хотя прото­ нов сколько угодно: на Земле нигде нет таких ги­ гантских температур, при которых этот цикл мог бы начаться. Искусственно возбудить протонно-про­ тонный цикл — дело нереальное. Очень трудно про­ исходит превращение протона в нейтрон.

Здесь надо поступать иначе. На Земле есть и яд­ ра тяжелого водорода — дейтерия, которые уже со­ держат нейтроны. Дейтронов примерно в пять тыся раз меньше, чем протонов: такова доля содержа-

71