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 тяжёлого 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 «пра́вильным» 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 «пра́вильное» 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 цепо́чки 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 цепо́чки. Если температура существенно выше, то будет преобладать выделение энергии за счёт углеродного цикла. Реакции протон-протонной цепо́чки были, по всей видимости, особенно важны при образовании первых звёзд, возникших в нашей Вселенной, во время так называемого Большого взрыва, образовались только я́дра 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 цепо́чки. Я́дра углерода возникли в недрах звезд позже из ядер гелия. Этот процесс мы сейчас и рассмотрим.

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

Здесь показано, как два ядра водорода сталкиваются и образуют ядро дейтерия.

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 я́дра водорода постепенно сливаются в я́дра гелия. Однако в 1938 году Ганс Бете и Чарльз Кричфилд показали, что образование гелия из водорода может происходить и без участия углерода или азота.

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 я́дра 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. Я́дра 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 я́дра таких элементов, как магний, натрий, неон и кислород. Атомы кислорода могут объединяться с образованием ядер серы и фосфора. Так образуются всё более тяжелые атомные я́дра. Возникает вопрос, могут ли в недрах звёзд постепенно образовываться из водорода и гелия все химические элементы? Теория развития звёзд утверждает, что нет.

Примечание автора сайта:
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 желе́за, ядерный реактор звезды останавливается. При слиянии ядра желе́за с ядрами других элементов, имеющихся в звезде, энергия уже не выделяется: наоборот, для этого требуется дополнительная энергия. И напротив, чтобы расколоть ядро желе́за, требуется затратить энергию. Причина этого заключается в одном из свойств атомных ядер. Я́дра тяжелых элементов (например, урана) при делении выделяют энергию, а в результате деления появляются я́дра, масса которых близка к атомной массе более легкого желе́за. При соединении легких элементов выделяется энергия, и в результате получаются я́дра, масса которых ближе к массе тяжелого желе́за. Только из ядер желе́за нельзя получить энергию ни путем деления, ни путем синтеза. Вопрос об образовании химических элементов будет рассматриваться нами в разделе "Звезды".