Образование химических элементов в космических телах 1

Можно вычислить, что при температуре в десятки миллионов градусов средняя энергия теплового движения ядер водорода составит величину порядка нескольких килоэлектронвольт, а для части частиц за счет максвелловского распределения — значительно больше.

Если бы ядерные частицы подчинялись законам классической механики, то они могли бы преодолеть кулоновский барьер атомных ядер только при энергиях порядка нескольких мегаэлектронвольт. Но поскольку они подчиняются законам квантовой механики, они могут как бы «проныривать» кулоновский барьер (см. рис. 7), и таким образом сближение ядра и частицы происходит при более низких энергиях. Это прохождение частиц через потенциальный барьер называют туннельным эффектом. Для иллюстрации этого явления укажем, например, что реакция Li⁷(р, 2α) протекает при энергии протонов меньше 0,2 Мэв, хотя высота потенциального барьера в пять раз больше.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что синтез ядер возможен за счет реакции между заряженными частицами при энергиях порядка нескольких килоэлектронвольт. Это объясняется также и тем, что число ядер водорода в центре звезды благодаря высокой плотности вещества значительно выше, чем можно получить на современных циклотронах. Это приводит к увеличению числа столкновений между ядрами водорода.

Реакции, протекающие в звездах и приводящие к синтезу гелия из ядер водорода, «нагретых» в результате теплового движения, называются термоядерными.

В момент возникновения процесса синтеза ядер гелия звезда однородна по своему химическому составу. До вследствие того, что температура в ее центре в тысячи раз больше, чем на поверхности, ядерные процессы начинаются только в центре звезды. В настоящее время известно два механизма термоядерных реакций. Они получили название протон-протонного и углеродно-азотного циклов.

Протон-протонный цикл состоит из нескольких последовательных ядерных превращений. Они в зависимости от высоты потенциального барьера, вероятности туннельного эффекта, величины сечения протекают с различными скоростями, обычно характеризующимися средней продолжительностью, т. е. временем, в течение которого ядро А, столкнувшееся с ядром В, вступит с ним в ядерное взаимодействие. Основные характеристики отдельных реакций протон-протонного цикла приведены в табл. 10. К ним относятся величина энергии, выделяемой в каждой реакции, их сечение и продолжительность. Схематически ядерные реакции протон-протонного цикла изображены на рис. 32.

Вначале происходит слияние двух протонов, что приводит к образованию ядра дейтерия Н² или иначе дейтрона D. Этот процесс сопровождается испусканием позитрона и нейтрино.

Таблица 10

В лабораторных условиях подобные процессы еще никогда не наблюдались, однако теоретически эта реакция поддается расчету, который показывает, что в условиях большинства звезд ее продолжительность составляет 14 млрд, лет и определяет время всего цикла. Сечение ее ничтожно мало.

Рис. 32. Схема ядерных превращений протон-протонного цикла.

Вторая стадия — это превращение образовавшегося дейтерия в ядро Не³ с выделением избытка энергии в Еиде гамма-кванта. Эта реакция протекает примерно за 6 сек:

На третьей стадии происходит слияние двух ядер Не³ с образованием ядра гелия Не⁴ и двух ядер водорода:

Это тоже довольно медленный процесс, его продолжительность составляет около миллиона лет. Однако он сопровождается выделением наибольшего количества энергии. По мере того как в звездах накапливаются ядра гелия или в том случае, когда в веществе, из которого образовалась звезда, уже содержатся ядра гелия, возможны другие варианты в последней стадии про-тон-протонного цикла.

В варианте А ядро Не³ реагирует с ядром Не⁴ с образованием ядра Be⁷. Последний захватывает электрон с образованием Li⁷. В условиях земли происходит захват электрона с К-оболочки с периодом полураспада, равным 52 дням. В звездных системах, где атомы ионизированы, захватываются, по-видимому, электроны плазмы. По вычислениям Г. Бете, период полураспада Be⁷ в условиях Солнца должен увеличиться до 14 месяцев. Цикл завершается реакцией взаимодействия ядра Li⁷ с протоном. Образующееся составное ядро распадается на два ядра гелия Не⁴. Именно на этой стадии и выделяется основная часть энергии всего цикла ядерных реакций.

В варианте В образующееся ядро Be⁷ соединяется с ядром водорода и превращается в неустойчивое ядро В⁸, которое путем позитронного распада переходит в Be⁸, последнее ядро очень неустойчиво и мгновенно распадается на два ядра гелия. В протон-протонном цикле образуется изотоп лития Li⁷, содержание которого составляет примерно 93 % общего содержания лития в земной коре. Однако литий до сих пор не удалось обнаружить в атмосфере Солнца и других звезд. Это может указывать на то, что он полностью выгорает в протекающих термоядерных процессах.