Термоядерные реакции
за пределы ядра (т. к. при распаде нейтрона энергия избытка масс
нейтрона над протоном и электроном переходит в кинетическую энергию и
распределяется между двумя последними частицами). Последний процесс физики
называют ?[pic]- распад. Так как при ?[pic]- распаде в ядре количество
протонов увеличивается на 1, а следственно и заряд, то порядковый номер
ядра увеличивается и оно становится уже ядром нового элемента. Кстати,
именно таким образом были синтезированы многие последние элементы таблицы
Менделеева. Но возвратимся к нашему нейтрону. Если каким-то образом, в ходе
эксперимента будет получен свободный нейтрон, то он нестабилен и через 17,3
минут распадается по выше указанному правилу. Поэтому можно считать, что
окружающий нас мир во всём своём многообразии построен только из протонов и
электронов. Интересно заметить, что химическое свойство атома определяет
заряд ядра. Это объясняется, прежде всего, тем, что электроны в атоме
образуют электронные оболочки согласно заряду ядра, а именно они (оболочки)
и определяют химические связи в молекулах. Поэтому ядра с разным массовым
числом, но с одинаковым зарядом ядра называются изотопами, т. к. они имеют
одинаковые химические, но разные физические свойства. Так, например, кроме
обычного водорода существует так называемый тяжёлый водород. В ядре этого
изотопа кроме одного протона есть ещё и один нейтрон. Такой изотоп
называется дейтерием. Он в небольшом количестве встречается в природе.
Однако количество изотопов для данного вещества ограниченно. Это связанно с
тем, что протоны и нейтроны в ядре создаю свою своеобразную структуру, т.
е. существуют некоторые подуровни, которые заполняются нуклонами (нуклоны -
это протоны и нейтроны, т. е. те которые в ядре) и, если количество
некоторых (протонов или нейтронов) больше критического значения, то ядро
претерпевает ядерную реакцию. Более тяжёлые элементы, такие как железо,
имеют в ядре 26 протонов и 30 нейтронов. Как видно нейтронов больше, чем
протонов. Всё дело в том, что 26 положительно заряженных частиц за счёт
кулоновского отталкивания стремятся разлететься в разные стороны, а их
удерживает так называемые ядерные силы. Эти силы обуславливаются взаимными
превращениями нуклонов в ядре. Нейтрон, в ядре, испускает новую частицу -
?[pic]-мезон и превращается в протон, а протон захватывает эту частицу,
превращаясь в нейтрон. Так происходит взаимопереход одних частиц в другие и
ядро не распадается. В лёгких ядрах силы отталкивания не очень велики и на
каждый протон хватает по одному нейтрону, а в более тяжёлых элементах, для
стабильного ядра нужен избыток нейтронов.
Классическая теория не может описать теорию строения ядра, т. к.
частицы микромира не подчиняются законам Ньютона. Это, прежде всего,
связано с исключительным свойством материи, о чём гласит один из законов
квантовой механики - энергия принимает дискретные значения. Так же
трудность состоит в том, что частицу микромира невозможно описать как
материальную точку. Об этом гласит уравнение Шрёдингера. Т. е. можно лишь с
некоторой вероятностью предсказать в какой точке пространства находится
исследуемый объект, имея скорость, заключённую в некоторый интервал
скоростей.
ГЛАВА II. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
ВИДЫ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ
В 1939 г. известный американский физик Бете дал количественную
теорию ядерных источников звёздной энергии. Что же это за реакции? Как уже
и упоминалось, это термоядерные реакции. Как известно, звёзды по большей
части состоят из водорода, (правда есть и исключения) поэтому вероятность
столкновения двух протонов очень велика. При столкновении протона с другим
протоном (или другим ядром) он может притянуться к ядру за счёт ядерных
сил. Ядерные силы действуют на расстояниях порядка размеров самого ядра
(т. е. 10[pic] м). Для того чтобы приблизится к ядру на столь малое
расстояние, протону необходимо преодолеть весьма значительную силу
электростатического отталкивания («кулоновский барьер»). Ведь ядро тоже
заряжено положительно. Простые расчеты показывают, что энергия
соответствующая этому переходу - 1000 кэВ. Между тем независимые оценки
показывают, что в Солнце протоны имеют энергию около 1 кэВ, т. е. в 1000
раз меньшую. Протонов с нужной энергией в недрах звёзд практически не
будет. Казалось бы, при такой ситуации никаких ядерных реакций там
происходить не может. Но это не так. Дело в том, что согласно законам
квантовой механики протоны, энергия которых даже незначительно меньше 1000
кэВ, всё же, с некоторой небольшой вероятностью, могут попасть в ядро. Эта
вероятность быстро уменьшается с уменьшением энергии протона, Но она не
равна нулю. В то же время число протонов по мере приближения их энергии к
средней тепловой будет стремительно расти. Поэтому должна существовать
такая «компромиссная» энергия протонов, при которой малая вероятность их
проникновения в ядро «компенсируется» их большим количеством. Оказывается,
что в условиях звёздных недр эта энергия близка к 20 кэВ. Только
приблизительно одна стомиллионная доля протонов имеют такую энергию. И всё
же этого оказывается как раз достаточно, чтобы ядерные реакции происходили
с такой скоростью, что выделяющаяся энергия точно соответствовала бы
светимости звёзд.
Я остановил своё внимание на реакциях с протонами не только потому,
что они - самая обильная составляющая вещества звёздных недр. Если
сталкиваются более тяжелые ядра, у которых заряды значительно больше
элементарного заряда протона, кулоновские силы отталкивания существенно
увеличиваются, и ядра при Т [pic]10[pic] К уже не имеют практически
никакой возможности проникнуть друг в друга. Только при значительно более
высоких температурах, которые в некоторых случаях реализуются внутри
звёзд, возможны ядерные реакции на тяжёлых элементах.
Как уже и указывалось, сущность ядерных реакций внутри Солнца и
звёзд состоит в том, что через ряд промежуточных этапов четыре ядра
водорода (протоны) объединяются в одно ядро гелия ([pic]-частицы), причём
избыточная масса выделяется в виде энергии, нагревающей среду, в которой
происходят реакции.
Рассмотрим более подробно эти реакции.
ПРОТОН - ПРОТОННАЯ РЕАКЦИЯ
Эта реакция начинается с таких столкновений между протонами, в
результате которых получается ядро тяжёлого водорода - дейтерия. Даже в
условиях звёздных недр это происходит очень редко. Как правило,
столкновения между протонами являются упругими: после столкновения частицы
просто разлетаются в разные стороны. Для того чтобы в результате
столкновения два протона слились в одно ядро дейтерия, необходимо, чтобы
при таком столкновении выполнялись два независимых условия. Во-первых,
надо, что у одного из сталкивающихся протонов кинетическая энергия раз в
двадцать превосходила бы энергию тепловых движений при температуре
звёздных недр. Как уже говорилось выше, только одна стомиллионная часть
протонов имеет такую относительно высокую энергию, необходимую для
преодоления «кулоновского барьера». Во-вторых, необходимо чтобы за время
столкновения один из двух протонов успел бы превратиться в нейтрон,
испустив позитрон и нейтрино. Ибо только протон с нейтроном могут
образовать ядро дейтерия. Заметим, что длительность столкновения всего
лишь около 10[pic] секунды (оно порядка классического радиуса протона,
поделённого на его скорость). Если всё это учесть, то получится, что
каждый протон имеет реальные шансы превратиться таким способом в дейтерий
только раз в течение несколько миллиардов лет. Но так как протонов в
недрах звёзд достаточно много, такие реакции, и притом в нужном
количестве, будут иметь место.
По-другому складывается судьба вновь образовавшихся ядер дейтерия.
Они «жадно», всего через несколько секунд, «заглатывают» какой-нибудь
близкий протон, превращаясь в изотоп [pic]He. После этого изотоп гелия
будет взаимодействовать с подобным себе ядром, в результате чего
образуется ядро «обыкновенного» гелия и два протона. Так как концентрация
изотопа [pic]He чрезвычайна мала, то это произойдёт через несколько
миллионов лет. Далее представлена последовательность этих реакций и
выделяющаяся при них энергия.
Таблица 1.
| [pic]H + [pic]H [pic] [pic]D + [pic] + [pic] + 1,44|
|МэВ (десятки миллиард. лет); |
|[pic]D + [pic]H [pic] [pic]He + [pic] + 5,49 |
|MэВ (несколько секунд); |
|2[pic]He [pic] [pic]He + 2[pic]H + 12,85 MэВ|
|(несколько млн. лет). |
Здесь буква ? - означает нейтрино, а ? - гамма-квант.
Не вся освободившаяся в результате этой цепи реакций энергия
передаётся звезде, так как часть этой энергии уносится нейтрино. С учётом
этого обстоятельства энергия, выделяемая при образовании одного ядра
гелия, равна 26,2 МэВ.
Вторая ветвь протон - протонной реакции начинается с соединения
ядра [pic]He с ядром "обыкновенного" гелия [pic]He, после чего образуется
ядро бериллия [pic]Be. Ядро бериллия в свою очередь может захватить
протон, после чего образуется ядро бора [pic]B, или захватить электрон и
превратиться в ядро лития. В первом случае
| |  скачать работу |
Термоядерные реакции |
