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

Кратко:

Термоядерные реакции

К 1938 г. Ганс Бете, один из величайших физиков-ядерщиков, написал три фундаментальные статьи, в которых провел обзор и анализ всех известных тогда сведений о ядерной физике. Эти работы позднее получили название «Библия Бете». После её публикации Гамов собрал в Вашингтоне небольшую конференцию физиков и астрофизиков для того, чтобы обсудить положение дел и нерешенные проблемы, касающиеся внутреннего строения звезд. После этой встречи Бете провел расчеты фундаментальных ядерных процессов, благодаря которым водород в центре Солнца преобразуется в гелий. Результаты своих вычислений он опубликовал в работе «Генерация энергии в звёздах». Исследования были завершены, был сделан вывод: Солнце и звёзды светятся потому, что в их ядрах имеются реакторы ядерного синтеза.

David Whitehouse, "The sun".

    

    

 

Солнце

Знания-сила


Протон-протонная цепочка (водородный цикл)

Схема этого процесса изображена на рисунке. Два протона сталкиваются друг с другом и сливаются. При этом вылетают позитрон и нейтрино. Образовавшееся ядро состоит уже из одного протона и одного нейтрона. Это ядро имеет такой же заряд, как и ядро водорода, но оно в два раза тяжелее. Такой изотоп тяжелого водорода называют дейтерием. Если ядро водорода столкнется с ядром дейтерия, то они объединяются в атом гелия, который состоит из двух протонов и одного нейтрона. Такое ядро гелия не является «правильным» гелием. Это - лёгкий изотоп Не3. Заряд его ядра совпадает с зарядом ядра гелия, а массовое число на единицу меньше. Если теперь два таких ядра «легкого» гелия столкнутся друг с другом, то при этом образуются «правильное» ядро гелия и два протона. В этой цепи реакций тоже происходит в конечном счете объединение четырех протонов с образованием одного ядра гелия.

Реакции протон-протонной цепочки начинаются со столкновения двух протонов, а заканчивается эта цепочка тоже образованием двух протонов. Поэтому у неё есть и другое название - водородный цикл.

Какой же из двух процессов протекает в недрах звезд: углеродный цикл или протон-протонная цепочка? При достаточно высоких температурах в звёздах могут протекать оба процесса. При температуре 10 миллионов градусов происходят в основном реакции протон-протонной цепочки. Если температура существенно выше, то будет преобладать выделение энергии за счёт углеродного цикла. Реакции протон-протонной цепочки были, по всей видимости, особенно важны при образовании первых звёзд, возникших в нашей Вселенной, во время так называемого Большого взрыва, образовались только ядра водорода и гелия. Поэтому в первых звездах не было элементов-катализаторов, необходимых для работы углеродного цикла. Следовательно, их существование должно было поддерживаться за счет реакций протон-протонной цепочки. Ядра углерода возникли в недрах звезд позже из ядер гелия. Этот процесс мы сейчас и рассмотрим.

Только после образования ядер углерода в последующих поколениях звезд появились элементы-катализаторы, которые необходимы для реакций углеродного цикла.

Для осуществления цикла реакций с участием углерода, о которых шла речь в предыдущем разделе, требуется некоторое количество углерода или азота. При этом сами атомы углерода или азота не участвуют в превращениях, они служат как бы «оболочкой», в которой с течением времени ядра водорода постепенно сливаются в ядра гелия. Однако в 1938 году Ганс Бете и Чарльз Кричфилд показали, что образование гелия из водорода может происходить и без участия углерода или азота.

два ядра водорода сталкиваются и образуют ядро дейтерия. два ядра водорода сталкиваются и образуют ядро дейтерия. два ядра водорода сталкиваются и образуют ядро дейтерия.

На верхней схеме показано, как два ядра водорода сталкиваются и образуют ядро дейтерия.

ядро дейтерия и ядро водорода объединяются в ядро изотопа гелия ядро дейтерия и ядро водорода объединяются в ядро изотопа гелия ядро дейтерия и ядро водорода объединяются в ядро изотопа гелия
столкновение двух ядер изотопа гелия столкновение двух ядер изотопа гелия При столкновении двух ядер изотопа гелия образуется нормальный гелий с массовым числом 4.

Здесь показано, как ядро дейтерия и ядро водорода объединяются в ядро изотопа гелия. При столкновении двух ядер этого изотопа гелия образуется нормальный гелий с массовым числом 4.

Возникновение более тяжелых элементов

Что происходит в звезде, когда весь водород превратится в гелий? Эдвин Сальпетер, из Корнельского университета в США, показал, как гелий может превращаться в углерод. Вообще говоря, для этого превращения достаточно трех ядер гелия. Если эти ядра объединятся, то возникнет ядро углерода с массовым числом 12. Однако одновременное столкновение трёх ядер гелия практически невероятно. Более вероятен процесс, который идёт в две стадии (см. рис.). При этом вначале объединяются два ядра гелия и образуется ядро элемента бериллия с массовым числом 8. Этот изотоп бериллия радиоактивен. Возникшее ядро бериллия существует чрезвычайно короткое время, которое даже трудно себе представить. Спустя несколько десятимиллионных частей одной миллиардной доли секунды это ядро снова распадается на два ядра гелия, из которых оно возникло. Но если за этот короткий промежуток времени ядро изотопа бериллия столкнется с третьим атомом гелия, то возникнет устойчивое ядро углерода. Ядра изотопа Be8 распадаются значительно чаще, чем происходят их столкновения с третьим атомом гелия. Однако в звёздном веществе с температурой 100 миллионов градусов такие превращения происходят настолько часто, что освобождающаяся энергия может поддерживать постоянную температуру звезды и её излучение.

Превращение гелия в углерод.

Превращение гелия в углерод. Два ядра гелия сливаются с образованием чрезвычайно радиоактивного ядра бериллия, которое очень скоро снова распадется на два ядра гелия. Ядро изотопа бериллия превращается в ядро углерода (с испусканием кванта света) только в том случае, если за короткое время жизни изотопа Be произойдет его столкновение с ещё одним ядром гелия.

Что происходит дальше? При ещё более высоких температурах могут объединяться атомы углерода. После объединения они распадаются разными способами на ядра таких элементов, как магний, натрий, неон и кислород. Атомы кислорода могут объединяться с образованием ядер серы и фосфора. Так образуются всё более тяжелые атомные ядра. Возникает вопрос, могут ли в недрах звёзд постепенно образовываться из водорода и гелия все химические элементы? Теория развития звёзд утверждает, что нет.

Примечание:
Оказывается, в природе превращения элементов заканчиваются на железе. Мы уже знаем, что чем тяжелее элемент, получающийся в результате термоядерной реакции, тем ниже выделяемая энергия. Когда превращения доходят до железа, ядерный реактор звезды останавливается. При слиянии ядра железа с ядрами других элементов, имеющихся в звезде, энергия уже не выделяется: наоборот, для этого требуется дополнительная энергия. И напротив, чтобы расколоть ядро железа, требуется затратить энергию. Причина этого заключается в одном из свойств атомных ядер. Ядра тяжелых элементов (например, урана) при делении выделяют энергию, а в результате деления появляются ядра, масса которых близка к атомной массе более легкого железа. При соединении легких элементов выделяется энергия, и в результате получаются ядра, масса которых ближе к массе тяжелого железа. Только из ядер железа нельзя получить энергию ни путем деления, ни путем синтеза. Вопрос об образовании химических элементов будет рассматриваться нами в разделе "Звезды" - автор сайта.

>>>Читайте дальше: Солнечное нейтрино. Нейтринная астрономия.

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


 


 

Теория Бете была дополнена множеством важных деталей о выгорании ядер в звёздах. Известные физики и астрофизики, особенно Камерон, Хойл, Салпетер и Шварцшильд, продолжили изучение процесса генерации энергии такими звёздами, как Солнце. Уильям Фаулер, получивший мировую известность под именем Вилли, заставил своих сотрудников из Лаборатории им. Келлога в Калифорнийском технологическом институте и физиков всего мира заниматься измерениями или вычислениями наиболее важных деталей протонного цикла и цикла CNO.

David Whitehouse, "The sun".

Закрыть урок