Термоядерные реакции
Сжатая в тесном объёме звезды плазма имеет только очень отдалённое сходство с газом, наполняющим газосветную трубку и излучающим мягкий свет. Если в трубке газ весьма разрежен, то, наоборот, плотность газа звёзд, сжатого невообразимо высоким давлением, далеко превышает плотность воды.
Например, средняя плотность вещества Солнца составляет 1,41 г/см3, а вблизи центра плотность может достигать даже 100 г/см3. В огромной степени там повышается также и температура газа.
Эти необычные значения плотности и температуры создают условия, которые больше всего интересуют учёных, занимающихся физикой плазмы. Как мы увидим дальше, при этом имеют место такие процессы, осуществление которых в техническом масштабе даст нам неистощимый источник энергии. Овладение этим источником открыло бы новую эру в истории человечества.
Физические условия внутри звезды в зависимости от её типа могут быть довольно различными. Условия в недрах Солнца показаны на рис. 1.
Рис. 1. Плотность и температура внутри Солнца
Вблизи центра все атомы полностью ионизованы вследствие высокой температуры. Так как любая звезда состоит в основном из водорода, а при полной ионизации водородных атомов остаются только атомные ядра, внутренние слои Солнца наряду с отколовшимися электронами содержат главным образом свободные протоны.
Энергия, выделяемая в этой области, излучается наружу. Ближе к поверхности, где температура падает, передача тепла происходит благодаря конвекции. В самом верхнем слое, температура которого Т приблизительно равна 6000° К, водород является преимущественно нейтральным или только немного ионизованным.
Протоны в недрах Солнца, разумеется, должны отталкиваться друг от друга, так как все они имеют положительный заряд. Но из-за высокой температуры их скорость настолько велика, что они всё же преодолевают электрические силы отталкивания и тесно сближаются друг с другом. При этом вступают в игру мощные ядерные силы, протоны реагируют друг с другом и, соединяясь, образуют ядра «тяжёлого водорода» — дейтроны. Этот процесс называют термоядерной реакцией.
В результате возникают не химические соединения, а новые ядра, новые химические элементы. И первая ступенька этого процесса — образование ядра тяжёлого водорода. Этот элемент называется дейтерием и обозначается символом D. Ядро дейтерия состоит из протона и ещё одной, незаряженной частицы — нейтрона. При этом испускается частица, во всём аналогичная электрону, но несущая положительный заряд. Это так называемый позитрон.
При последующем столкновении этого ядра с одним из протонов образуется ядро изотопа гелия 2Не3. Затем два таких ядра объединяются в одно ядро 2Не4, и при этом снова излучаются два протона.
Итак, получается цепочка из трёх уравнений:
Мы не будем рассматривать появляющиеся здесь «побочные продукты» реакции, которые нас не интересуют (позитрон е+, нейтрино ν и квант гамма-излучения γ). Их масса слишком незначительна и нет нужды её учитывать. Таким образом, четыре протона как бы переплавляются в одно ядро гелия.
Описанный процесс термоядерных реакций и есть искомый источник энергии. Ключ к пониманию этого даётся точным учётом масс участвующих в процессах атомов, которые можно взять из периодической системы элементов. Четыре атома водорода имеют массу 4 х 1,008 = 4,032 атомных единиц массы. А атомная масса гелия составляет только 4,0026 единиц! Таким образом, при образовании атома гелия теряется 4,032 — 4,0026 = 0,0294 атомных единиц массы. Возникает дефект массы, при котором, согласно закону Эйнштейна, должно выделяться определённое количество энергии.
Если мы отнесем дефект массы к 1 кг водорода, который превратился в гелий, то это будет соответствовать энергии около 180 млн. квт-ч; она должна выделиться в виде излучения Солнца.
Этот процесс идёт непрерывно уже несколько миллиардов лет. Может возникнуть вопрос, а достаточно ли велик запас водорода на Солнце, чтобы покрыть такой огромный расход? Ответ на него легко получить, произведя несложный расчёт: оказывается при нынешней мощности излучения Солнца за 1 сек в гелий должно превращаться 586 млн. тн водорода. Это громадная масса, если рассматривать её с точки зрения земных масштабов, но по отношению ко всей массе Солнца, равной 2 х 1030 кг, она всё же очень мала.
Дальнейший расчёт приводит нас к выводу, что современный запас горючего материала на Солнце достаточен, чтобы обеспечить потребность в энергии ещё в течение 60 млрд. лет.
Точно так же, зная теперешнее количество гелия на Солнце, можно оценить возраст нашего дневного светила. Он лежит в пределах от 5 до 10 млрд. лет. Солнце можно причислить к достаточно старым объектам Галактики. Разумеется, цифры и предположения, лежащие в основе подобных расчётов, могут быть не совсем точными. Но всё же расчёты убедительно объясняют причину мощного устойчивого и исключительно продолжительного излучения звёзд. Истощение энергетических запасов Солнца нам не грозит, по крайней мере в обозримом будущем.
Описанная термоядерная реакция наиболее эффективна только при температурах 10-15 млн. градусов. При температурах порядка 20 млн. градусов более вероятен другой, более сложный процесс, так называемый цикл Бете (углеродный цикл). Кто хоть немного знаком с символикой, принятой в ядерной физике, без специальных пояснений поймёт следующие строчки:
Итак, для такой реакции необходимо присутствие атомов углерода, которые постепенно взаимодействуют с ядрами атомов водорода. В конце этой цепочки реакций снова получается углерод. Поэтому он не расходуется, а играет лишь роль посредника-катализатора. В результате всех перечисленных реакций водород в конечном счете превращается в гелий.