Главная В избранное Контакты News О проекте Планы сайта Карта
счетчик сайта
Размер шрифта:

Кратко:

Термоядерные реакции

Реакции слияния лёгких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10–15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 108–109 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития.

Термоядерная реакция дейтерия и трития

выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.

Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На современном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звёзд имеет термоядерное происхождение.

 

    

    

 

Солнце

Знания-сила


Углеродный цикл

Как превращается водород в гелий в недрах звёзд? Первый ответ на этот вопрос нашли независимо друг от друга Ганс Бете в США и Карл-Фридрих фон Вайцзеккер в Германии. В 1938 г. они обнаружили первую реакцию, которая приводит к превращению водорода в гелий и может обеспечить необходимую энергию для поддержания жизни звезд. Время для этого пришло: 11 июля 1938 г. в редакцию журнала "Zeitschrift für Physik" поступила рукопись Вайцзеккера, а 7 сентября того же года рукопись Бёте поступила в редакцию журнала "Physical Review". В обеих работах излагалось открытие углеродного цикла. Бёте и Кричфилд уже 23 июня послали работу, содержащую важнейшую часть протон-протонного цикла.

Этот процесс довольно сложен. Для его протекания необходимо, чтобы в звёздах кроме водорода присутствовали и атомы других элементов, например углерода. Ядра атомов углерода играют роль катализаторов. О катализаторах мы хорошо знаем из химии. Протоны присоединяются к ядрам углерода, там же образуются атомы гелия. Затем ядро углерода выталкивает образовавшиеся из протонов ядра гелия, а само остаётся в результате этого процесса неизменным.

На рисунке показана схема этой реакции, имеющая вид замкнутого цикла. Рассмотрим эту реакцию, начиная с верхней части рисунка. Процесс начинается с того, что ядро атома водорода сталкивается с ядром углерода с массовым числом 12. Мы обозначаем его как С12. За счёт туннельного эффекта протон может преодолеть силы электрического отталкивания ядра углерода и объединиться с ним.

Превращение водорода в гелий в углеродном цикле реакций Бёте в звездах. Превращение водорода в гелий в углеродном цикле реакций Бёте в недрах звезд. Красные волнистые стрелки показывают, что атом испускает квант электромагнитного излучения Превращение водорода в гелий в углеродном цикле реакций Бёте в недрах звезд.
Превращение водорода в гелий. Углеродный цикл реакций Бёте в звездах. Превращение водорода в гелий. Углеродный цикл реакций Бёте в недрах звезд. Красные волнистые стрелки показывают, что атом испускает квант электромагнитного излучения Превращение водорода в гелий. Углеродный цикл реакций Бёте в недрах звезд.
Превращение водорода в гелий. Углеродный цикл реакций Бёте в звездах. Превращение водорода в гелий. Углеродный цикл реакций Бёте в недрах звезд. Красные волнистые стрелки показывают, что атом испускает квант электромагнитного излучения Превращение водорода в гелий. В углеродном цикле реакций Бёте в недрах звезд. Красные волнистые стрелки показывают, что атом испускает квант электромагнитного излучения

Превращение водорода в гелий. В углеродном цикле реакций Бёте в недрах звёзд. Красные волнистые стрелки показывают, что атом испускает квант электромагнитного излучения.

Новое ядро состоит уже из тринадцати тяжелых элементарных частиц. За счёт положительного заряда протона заряд исходного ядра углерода увеличивается. При этом возникает ядро азота с массовым числом 13. Его обозначают как N13. Этот изотоп азота радиоактивен и через некоторое время испускает две легкие частицы: позитрон и нейтрино - элементарную частицу, о которой мы ещё услышим. Таким образом, ядро азота превращается в ядро углерода с массовым числом 13, т.е. в С13. Это ядро снова имеет такой же заряд, как ядро углерода в начале цикла, но его массовое число уже на единицу больше. Теперь мы имеем ядро другого изотопа углерода. Если с этим ядром столкнется еще один протон, то вновь возникает ядро азота. Однако теперь оно имеет массовое число 14, это N14. Если новый атом азота столкнется с еще одним протоном, то он переходит в О15, т.е. в ядро кислорода с массовым числом 15. Это ядро тоже радиоактивно, оно вновь испускает позитрон и нейтрино и переходит в N15 - азот с массовым числом 15. Мы видим, что процесс начался с углерода с массовым числом 12 и привел к появлению азота с массовым числом 15. Таким образом, последовательное присоединение протонов приводит к появлению всё более тяжелых ядер. Пусть к ядру N15 присоединится ещё один протон, тогда из образовавшегося ядра вылетают вместе два протона и два нейтрона, которые образуют ядро гелия. Тяжелое ядро вновь превращается в исходное ядро углерода. Круг замкнулся.

В результате четыре протона объединяются и образуют ядро гелия: водород превращается в гелий. В ходе этого процесса освобождается энергия, которой достаточно для того, чтобы звёзды могли светить миллиарды лет. Разогрев звёздного вещества происходит не на всех этапах рассмотренной нами цепочки реакций. Звёздное вещество разогревается частично за счёт квантов электромагнитного излучения, которые передают свою энергию звёздному газу, а частично за счёт позитронов, которые почти сразу же аннигилируют со свободными электронами звёздного газа. При аннигиляции позитронов и электронов тоже образуются кванты электромагнитного излучения. Энергия этих квантов передается звездному веществу. Небольшая часть выделяющейся энергии уносится из звезды вместе с вылетающими нейтрино. Некоторые непонятные вопросы, связанные с нейтрино мы рассмотрим позже.

В 1967 г. Бёте была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие углеродного цикла, которое было сделано им в 1938 г. вместе с фон Вайцзеккером. В этом случае Нобелевский комитет, по всей видимости, забыл, что честь этого открытия принадлежит не одному Бете.

Нам известно, что циклическое превращение происходит в присутствии элементов-катализаторов: углерода и азота. Но в звёздных недрах не обязательно должны присутствовать все три элемента. Вполне достаточно и одного из них. Если начнется хотя бы одна реакция цикла, то элементы-катализаторы возникнут в результате последующих этапов реакций. Более того, протекание циклической реакции приводит к тому, что возникает вполне определённое количественное соотношение между неохотливыми изотопами. Это количественное соотношение зависит от температуры, при которой протекает цикл. Астрофизики могут в настоящее время с помощью своих спектроскопических методов провести достаточно точный количественный анализ космического вещества. По соотношению между количеством изотопов С12, С13, N14 и N15 часто можно не только установить, что в звездных недрах идет превращение вещества по углеродному циклу, но и при какой температуре происходят эти реакции. Однако водород может превращаться в гелий не только за счет углеродного цикла. Наряду с реакциями углеродного цикла происходят и другие, более простые превращения. Они-то и вносят основной вклад (по крайней мере на Солнце) в выделение энергии. Перейдём к рассмотрению этих реакций.

>>>Читайте дальше: Протон-протонная цепочка (водородный цикл). Возникновение более тяжелых элементов.

ВведениеПоложение в галактикеПоложение среди звёздНаука о СолнцеВнутреннее строениеФотосфера, хромосфераПоверхность, корона, пятнаУстройство пятен, гранулы, факелыСпикулы, флоккулы, протуберанцы; солнечная активностьСпектрАтомная энергия звездАртур Эддингтон и источник энергии звездГеоргий Гамов и его туннельный эффектУглеродный цикл Протон-протонная цепочка. Возникновение более тяжелых элементовСолнечное нейтрино. Нейтринная астрономия [1 2]Будущее Солнца

 
 
Главная В закладки Контакты Новости О проекте Планы сайта

open
© KV


 


 

В 1938 г. Карл-Фридрих фон Вайцзеккер и Ганс Бете независимо друг от друга подошли к решению вопроса о процессе свечения звёзд без использования описанного Эддингтоном и Гамовым протонного цикла. Они открыли термоядерную реакцию превращения водорода в гелий, в которой углерод выступает как катализатор. Эта реакция получила название "Углеродный или CNO-цикл".

Для нашего Солнца это второстепенный источник энергии, но он очень важен для больших звёзд с горячими ядрами.

Закрыть урок