Дневная звезда - [25]

Не), называемого α-частицей, и двух протонов. Альфа-частица является ядром обычного атома гелия.

До рассмотрения двух других возможных ветвей цепочки, приводящих к выделению энергии, несколько подробнее остановимся на основной рассмотренной нами выше реакции. Сначала напишем ее в короткой форме, принятой в ядерной физике. Эту запись легко понять. В принятых символах ¹Н обозначает протон, ²Н — дейтрон, ³Не — легкий гелий, ⁴Не — обычную форму гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, е+ — позитрон, или положительно заряженный электрон, ν —нейтрино — предсказанную ранее, до ее экспериментального открытия, частицу без заряда и массы, очень редко взаимодействующую с веществом, и наконец, γ — фотон, или электромагнитную энергию (рентгеновские лучи, световое излучение, радиоволны и т. д.). Тогда описанные выше реакции запишутся так:

¹H+¹H —> ²Н + е⁺ + ν,

²Н+¹Н —> ³Не + ν,

³Не + ³Не —> ⁴Не+¹Н+¹Н.

Исходные частицы написаны слева от стрелки, а продукты реакции — справа от нее. В результате этой ветви протон-протонной цепочки из шести протонов получаются одна α-частица (⁴Не), два протона, один позитрон, одно нейтрино и некоторое количество энергии.

Сравним массу этих шести исходных протонов с массой конечных продуктов реакции. Расчет показывает, что теряется около 0,7 % массы 4 протонов, превращаемых в результате в ядро ⁴Не. При таком процессе каждый килограмм водорода теряет массу в 7 г, которая превращается в энергию, равную 6×10¹⁴ Дж, или примерно в 200 млн. кВт-ч. Такое количество энергии значительно превышает возможности химических реакций и гораздо больше того количества тепла, которое выделилось бы при непрерывном сжатии Солнца, согласно гипотезе Кельвина и Гельмгольца. На Солнце в начале его существования было столько водорода, что это могло обеспечить сохранение современного уровня солнечного излучения в течение 10 000 млн. лет. К настоящему времени исчерпана лишь половина этих запасов.

Вернемся теперь к другим возможным ветвям протон-протонной цепочки. Частица ³Не после своего образования не обязательно сталкивается с такой же частицей, она может столкнуться, хотя и с меньшей вероятностью (около 5%), с ядром ⁴Не и образовать бериллий-7 (⁷Ве). Последовательность реакций будет такой:

¹H+¹H —> ²Н + е⁺ + ν,

²Н+ ¹Н —> ³Не + γ,

³Не + ⁴Не —> ⁷Ве + γ.

После этого есть два пути: или бериллий-7 захватит электрон е^-

⁷Ве + е^-—>⁷Li + γ,

⁷Li + ¹H —> ⁴Не + ⁴Не,

или бериллий-7 захватит протон, превратясь в бор-8 (⁸В), который, будучи неустойчивым, сразу же распадется на бериллий-8 (⁸Ве), а тот, в свою очередь, распадется на две частицы ⁴Не:

Таким образом, мы проследили три возможных пути слияния протонов, приводящих к образованию ядер обычных атомов гелия. Вероятность каждого пути можно рассчитать. В случае Солнца почти вся энергия (95%) генерируется в результате осуществления первой из трех возможных последовательностей реакций.

Имеет смысл подчеркнуть здесь, что теория генерации термоядерной энергии (т. е. получения энергии в результате уничтожения вещества) была предложена и развита для Солнца раньше, чем появилась возможность проведения управляемых термоядерных экспериментов в лабораторных условиях. Только начиная с середины 70-х годов стало возможным воссоздать в лаборатории температуры и давления, присущие солнечному ядру. Это можно сделать на короткое время путем фокусировки чрезвычайно мощного пучка лазера на капельке тяжелой воды, сжимающейся до 10¹² атмосфер при попадании в обжигающий лазерный пучок. Тяжелая вода, которую получают из обычной воды, содержит тяжелый изотоп водорода — дейтерий. Используют именно дейтерий, так как вследствие малой вероятности протон-протонной реакции она ни разу не воспроизводилась в лаборатории, хотя, как мы знаем, она идет на Солнце. Как уже отмечалось, такая реакция в естественных условиях возникает лишь при наличии огромного количества водорода внутри звезд. Поэтому для получения ядерной энергии в лаборатории нужно начинать не с водорода, а с дейтерия.

Процесс освобождения ядерной энергии в звездах сильно зависит от значений температуры и давления в центре Солнца. По величине излучения поверхности Солнца мы можем определить количество выделяющейся энергии в солнечном ядре. Каждую секунду Солнце «потребляет» около 655 млн. тонн водорода, который превращается в 650 млн. тонн гелия. В самом начале своего существования масса водорода составляла немного более 70% массы Солнца. Каждую секунду этот запас уменьшается на 5 млн. тонн. В результате жизнь Солнца может длиться еще только 5000 млн. лет: наша дневная звезда уже средних лет.

Мы слишком хорошо знаем, что при термоядерной реакции на Земле происходит гигантский взрыв (взрывается водородная бомба). Если бы удалось воспроизвести чудо Солнца в малых масштабах, то можно было бы построить термоядерные станции с водородом в качестве топлива. Но до сих пор эта задача не поддается решению. Возникает вопрос: если освобождение ядерной энергии настолько иллюзорно, то почему звезды все-таки существуют? Почему Солнце не взрывается как бомба?

На самом деле Солнце удивительно устойчиво. Оно почти не изменилось за последние несколько миллиардов лет и уж совсем не похоже на бомбу. Солнце укрощает свой ядерный ураган следующим образом.