Очерки о Вселенной - Воронцов-Вельяминов Борис Александрович (читать полную версию книги .TXT) 📗
Вычисления вероятности и скорости протекания различных ядерных реакций при разных температурах начались с 1929 г. Нас интересуют, конечно, те реакции, которые сопровождаются выделением энергии.
В ядрах атомов происходят удивительные превращения, которые показались бы нам невероятными, если бы мы не убедились в них непосредственно. Выделяющиеся при этих превращениях энергии даже трудно себе представить, так они огромны. Оказалось, что общая энергия какого-либо тела связана с его массой, причем эта связь выражается формулой
Е=mс2,
где Е - энергия, m - масса и с - скорость света.
Для того чтобы охарактеризовать величину выделяющейся энергии, достаточно сказать,что сжигание тонны угля в чистом кислороде освобождает только 5-Ю16 эргов энергии, тогда как, выделив всю энергию, заключенную в одной тонне (безразлично угля, соломы или чего-либо иного), мы получили бы в 18 миллиардов раз больше. Если выделить всю энергию, связанную с кусочком угля, величиной с горошину, то ее хватило бы для огромного океанского парохода, чтобы объехать кругом земной шар. Однако освободить всю энергию, связанную с какой-либо массой, мы пока не можем. В частности, убыль массы, связанная с превращением вещества в излучение при радиоактивном распаде, измеряется небольшими долями процента.
При радиоактивном распаде и при ядерных реакциях выделяется энергия, что связано с уменьшением массы участвующих в реакциях элементарных частиц. Совокупный результат таких событий, происходящих с мириадами атомов, дает ощутимый результат. Например, мы уверенно измеряем тепло, выделяемое в лаборатории радиоактивным веществом в объеме наперстка. Наконец, выделение тепла и вообще энергии при ядерных реакциях в недрах Солнца ощущается человечеством с первых дней его существо-вания. Тепло Солнца сделало возможным возникновение и развитие жизни на Земле, и в известном смысле мы можем сказать, что мы с вами обязаны своим существованием тому, что в недрах далекого от нас Солнца идет непрерывное выделение энергии вместе с ничтожным уменьшением массы ничтожных атомов.
Чтобы техника будущего могла воспользоваться чудовищными запасами энергии, скрытыми в атомах, чтобы вместо многих вагонов угля на океанские пароходы брать с собой в кругосветные плавания пробирку с каким-либо веществом, энергия которого должна быть использована в пути, надо будет пройти долгий путь. Еще не все тайны атомных ядер раскрыты, и раскрытию их помогает изучение небесных светил, бесконечно от нас далеких и, казалось бы, таких для нас бесполезных. К сожалению, многие люди не подозревают о том, что астрономия, считаемая ими занятием, далеким от жизни и праздным, является необходимейшим звеном в развитии и духовной и материальной культуры.
В звездах и в Солнце главным источником энергии являются ядерные реакции. При уменьшении массы частиц, участвующих в этих реакциях, уменьшается и связанная с ними энергия, а освободившаяся энергия излучается в мировое пространство. Следовательно, при излучении масса Солнца уменьшается.
Исходя из известной интенсивности излучения энергии Солнцем, мы приходим к заключению, что его масса ежесекундно убывает примерно на 4 миллиона тонн, которые уносятся излучением.
Чудовищное число! - но обнаружить подобное уменьшение непосредственно невозможно, так как оно ничтожно мало в сравнении с массой всего Солнца. За то время, что существует земная кора (3 миллиарда лет), Солнце потеряло только 1/7500 часть своей массы. Если бы кто-либо мог с современной точностью определить массу Солнца на заре жизненного пути нашей планеты, то, сравнив ее с теперешними определениями, мы бы все равно не установили ее уменьшения. Точность определения массы небесных тел не достигает 0,01%, т. е. той величины, которой выражается относительное уменьшение массы Солнца за этот чудовищно долгий период времени.
При ядерных реакциях в лабораториях выделение энергии сопровождается уменьшением массы не на тонны, а на ничтожнейшие доли миллиграммов, но это составяет уже заметную долю массы самих атомов, тоже ничтожно малой. Умудрившись точно измерять массу атома, физики сумели определить и ее изменение в результате ядерных реакций.
Подобного рода изменения проявляются в том, что массы атомных ядер разных химических элементов относятся друг к другу не в точности как целые числа.
Если атомный вес кислорода О16 принять ровно за 16, как это всегда делается, то оказывается, например, что атомный вес водорода составляет не ровно 1, а 1,00812, атомный вес гелия Не4 не ровно 4, а 4,00390, дейтерия не ровно 2, а 2,01470. На последнем примере - простейшем - рассмотрим это подробнее. Два водородных ядра или протона ХНХ с массой 1,00812-0,00054=1,00758, соединяясь, образуют пару, состоящую из дейтрона 1Н2 и позитрона. (У каждого протона один положительный заряд и, соединяясь, они дали бы двойной заряд, у дейтрона же только один положительный заряд, как и у протона, отчего носитель лишнего положительного заряда - позитрон - выделяется при образовании ядра.) Эту ядерную реакцию можно изобразить формулой
1H1+1H1->1H2+e+
Выделенный при реакции позитрон, недолговечность которого уже отмечалась, быстро сливается с каким-либо свободным электроном. Слившись, они исчезают оба, превратившись в два кванта γ-излучения.
Таким образом, соединение двух протонов и чуждого им до этих пор отрицательного электрона приводит к рождению дейтрона и γ-излучения.
Масса образованного дейтрона вместе с позитроном составляет 2,01470 и на 0,00046 меньше массы двух протонов. За счет этой-то части, составляющей 0,00046:2,015 или 0,00022 (почти 0,02%) от исходной массы двух протонов, и возникли γ-кванты. При превращении грамма протонов в дейтроны выделится 6,8•1017 эргов. Это примерно в тысячу раз меньше энергии, заключенной в одном грамме протонов, но все же в пять раз больше, чем энергия, отданная одним граммом солнечного вещества за всю его жизнь, т. е. за несколько миллиардов лет. Мы видим, что по порядку величины лишь ядерные реакции (реально существующие и наблюдаемые нами в лаборатории) могут (и вполне удовлетворительно) играть роль машины, накачивающей энергию к солнечной поверхности.
«Цикл питания» звезд
Уже с тридцатых годов астрофизики не сомневались, что из ядерных реакций у легких элементов единственной, способной достаточно долго и энергично поддерживать излучение звезд главкой последовательности диаграммы спектр - светимость, является образование гелия из водорода. Другие реакции либо продолжаются слишком короткое время (конечно, в космическом масштабе!), либо дают слишком малый выход энергии.
Однако путь прямого объединения четырех ядер водорода в ядро гелия оказался невозможным: реакция превращения в недрах звезд водорода в гелий должна идти «окольными путями».
Первый путь состоит в последовательном соединении сначала двух атомов водорода, потом присоединения к ним третьего и т. д.
Второй путь заключается в преобразовании водорода в гелий с «помощью» атомов азота и особенно углерода.
Хотя первый путь, казалось бы, более прост, в течение довольно длительного времени он не пользовался «должным уважением», и астрофизики считали, что основной реакцией, питающей звезды энергией, является второй путь - «углеродный цикл».
На постройку ядра гелия идет четыре протона, которые сами по себе ни за что не желают сложиться в а-частицу, если бы им не помогал углерод.
В цепи этих реакций углерод играет роль необходимого пособника и как бы организатора. В химических реакциях тоже встречаются такого рода пособники, называемые катализаторами.
При постройке гелия энергия не только не затрагивается, а наоборот, освобождается. Действительно, цепь превращений сопровождалась выбросом трех γ-квантов и двух позитронов, тоже превратившихся в γ-излучение. Баланс составляет: 10-5 (4•1,00758-4,00390)=0,02642•10-5 единиц атомной массы.
Энергия, связанная с этой массой, и освобождается в недрах звезды, просачиваясь медленно к поверхности и излучаясь затем в мировое пространство. Фабрика гелия работает в звездах непрерывно до тех пор, пока не иссякнут запасы сырья, т. е. водород. Что происходит потом, мы скажем дальше.
