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 году 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 Бе́те поступила в редакцию журнала "Physical Review". В обеих работах излагалось открытие углеродного цикла. Бе́те 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. Я́дра 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 я́дра 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 C¹². За счёт туннельного эффекта протон может преодолеть силы электрического отталкивания ядра углерода и объединиться с ним.

Превращение водорода в гелий в углеродном цикле реакций Бе́те в недрах звезд. 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 C¹³. 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 я́дер. 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 цепо́чки 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 передаётся звёздному веществу. Небольшая часть выделяющейся энергии уносится из звезды вместе с вылетающими нейтрино. Некоторые непонятные вопросы, связанные с нейтри́но мы рассмотрим позже.

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

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 неохо́тливыми 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 C¹², C¹³, N¹⁴ и N¹⁵ часто можно не только установить, что в звездных недрах идёт 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. Далее мы перейдём к рассмотрению этих реакций.