Образование химических элементов в космических телах 1

В результате протекания реакции протон-протонного цикла в звездах выделяется огромная энергия, равная 6,2 Мэе, или 153 млн. больших калорий на 1 г водорода. Она в три миллиона раз больше, чем энергия, которая выделяется при его сжигании по реакции Н₂ + О₂ = 2Н₂О и в 15 млн. раз больше, чем при сжигании такого же количества высокосортного каменного угля, следовательно, термоядерная реакция синтеза ядер гелия из ядер водорода является самым эффективным источником энергии из всех источников, известных человеку. Поэтому в последнее время весьмa интенсивно ведутся работы по исследованию термоядерных реакций. Были изучены наиболее выгодные «энергетическом отношении реакции синтеза ядер гелия, которые могут протекать за короткое время. Найдено, что наиболее эффективной является реакция H³ + Н² = Не⁴ + _оn¹ +17 Мэв. Она протекает за 1,2 X X10^-6 сек. Дейтерий в природе встречается в больших количествах; на каждые 6000 атомов водорода приходится 1 атом дейтерия, и его производство не представляет особых затруднений. Второй исходный продукт этой реакции — тритий, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12,1 года, — можно получить при бомбардировке природного лития нейтронами в ядерном реакторе. Существуют и другие высокоэнергетические реакции с изотопами водорода, приводящие к синтезу гелия. Но вышеуказанная реакция между тритием и дейтерием отличается тем, что может протекать самопроизвольно за счет тепла, выделяющегося при синтезе ядер гелия. Однако для начала реакции требуется высокая температура, которую можно создать благодаря теплу, выделяемому при делении ядер урана медленными нейтронами. На этом принципе и основано действие водородных бомб.

В настоящее время ученые всех стран мира работают над проблемой осуществления управляемых термоядерных реакций. Некоторые успехи в этой области уже получены в Советском Союзе, США и Англии.

После решения этой проблемы человечество получит огромнейшие запасы внутриядерной энергии, которые полностью обеспечат его потребности в энергетических ресурсах на многие тысячелетия. Можно с уверенностью сказать, что в недалеком будущем люди создадут «свое солнце» на Земле.

Углеродно-азотный цикл термоядерных реакций был впервые предложен Г. Бете в 1939 г.

Рис. 33 Схема ядерных превращений углеродно-азотного цикла.

Этот цикл предусматривает наличие углерода внутри звезд. Полная схема ядерных превращений приведена на рис. 33, а некоторые характеристики — в табл. 10. При наличии углерода и значительно более высоких температурах, чем при протон-протонном цикле, в недрах некоторых звезд может происходить реакция присоединения протона к ядру углерода с образованием изотопа азота N13:

1. С¹² + Н¹→ Ν¹³ + γ.

Продолжительность этой реакции 13 млн. лет. Ядро Ν¹³ неустойчиво, период его полураспада около 10 мин. Испуская позитрон, оно превращается в стабильный изотоп углерода С¹³:

2. N¹³ → C¹³ + e⁺ + ν.

Вследствие присоединения протона ядро С¹³ превращается в ядро азота Ν¹⁴, изотопа, который составляет основное количество азота в атмосфере Земли:

3. С¹³ + Η¹ → Ν¹⁴ + γ.

Продолжительность этой реакции составляет 2,7 млн. лет. Примерно через каждые 320 млн. лет ядро Ν¹⁴ захватывает протон и превращается в ядро радиоакивного изотопа кислорода О¹⁵:

4. Ν¹⁴ + Н¹ → О¹⁵ + γ.

Это ядро кислорода неустойчиво (период полураспада мин). Оно превращается путем позитронного распада. стабильный изотоп азота N¹⁵:

5. О¹⁵ → N¹⁵ + е⁺ ν.

Цикл завершается тем, что N¹⁵ захватывает протон и распадается на ядро С¹² (ядро, с которого начинается цикл реакций) и ядро гелия:

6. N¹⁵ + Н¹ → С¹² + Не⁴.

Таким образом, мы имеем циклическую реакцию, протекающую примерно за 337 млн. лет, в которой изо-гоп углерода С¹² является как бы катализатором, подобно катализаторам в обычных химических реакциях.

Многие реакции углеродно-азотного цикла исследованы в лабораторных условиях. Лучше других изучены реакции С¹²(ρ, γ)Ν¹³ и Ν^ι4(ρ, γ)0¹⁵. На рис. 34 приведены полученные В. Фаулером и другими зависимости сечения этих реакций от энергии протонов. Видно, что их сечения быстро увеличиваются с ростом энергии протонов. Например, сечение реакции С¹²(р, γ)Ν¹³ равно 3 X X 10^-34 см² для энергии 313 кэв и возрастает в 20 раз при энергии 358 кэв. Сечение этой реакции удалось определить даже при энергии протонов 80 кэв. Оно составляет 9 · 10^-9 мбарн. Это самое минимальное сечение, определенное в настоящее время в лабораторных условиях.