Сергей Язев - Лекции о Солнце

Описанный процесс может происходить крайне редко. Теоретические расчеты показывают, что протоны из-за гигантской плотности и высокой температуры в ядре Солнца сталкиваются там между собой миллионы раз в секунду. Но только одно из десяти миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов столкновений может окончиться распадом одного из сталкивающихся протонов и немедленным объединением образовавшегося нейтрона с другим протоном. Для каждой пары протонов такое объединение может происходить в недрах Солнца в среднем один раз за 14 миллиардов лет! Именно поэтому термоядерные реакции идут так долго, и Солнце не погасло (и не погаснет!) на протяжении долгих миллиардов лет. А благодаря тому, что протонов очень много, реакция все-таки идет непрерывно – каждую секунду в нее вступают примерно 4 миллиона тонн протонов.

Что же происходит дальше? Образующиеся дейтроны довольно быстро (в среднем через шесть секунд после своего образования) захватывают еще по одному протону. В результате формируются ядра, содержащие по два протона и одному нейтрону – это так называемый изотоп гелия-3 (число, стоящее после названия ядра, показывает общее количество так называемых нуклонов – протонов и нейтронов, входящих в состав ядра). При этом снова испускается квант энергичного гамма-излучения.

Два ядра образовавшегося гелия-3 также способны провзаимодействовать между собой. Вероятность такого столкновения в условиях солнечного ядра невелика, но она все-таки гораздо выше, чем вероятность образования дейтрона из двух протонов. В среднем раз в миллион лет два ядра гелия-3 могут, столкнувшись, слиться между собой, испустив два протона и образовав так называемую альфа-частицу – ядро атома обычного гелия-4, содержащего два протона и два нейтрона. Опять-таки, из-за гигантского числа частиц в недрах Солнца эта реакция происходит непрерывно.

В результате из четырех протонов может получиться одно ядро гелия! Происходит исполнение давней мечты алхимика: из одного химического элемента (водорода) получается другой (гелий)!

И теперь – самое главное. Масса получившегося ядра гелия оказывается чуть меньше суммарной массы изначально провзаимодействовавших протонов. Со времен изучения школьной химии мы помним, что такого не бывает: есть закон сохранения массы в химических реакциях!

Рис. 14. Протон-протонный цикл

Но мы обсуждаем не химические реакции. Описанный процесс называется реакцией термоядерного синтеза . И здесь работает знаменитая формула Эйнштейна, устанавливающая эквивалентность массы и энергии: энергия частицы равна ее массе, умноженной на огромный коэффициент – квадрат скорости света:

E = mc 2.

Если масса в результате реакции уменьшилась, значит, часть массы превратилась в энергию электромагнитного излучения! Вспомним вторую реакцию присоединения протона к дейтрону, в процессе которой выделяется гамма-излучение (и еще немного энергии уносит нейтрино).

Расчеты показывают, что это и есть энергия, выделяющаяся в результате термоядерных реакций. В энергию излучения превращается примерно 0,73 % массы каждых четырех ядер водорода, вступающих в реакцию, чтобы образовать одну альфа-частицу. Учитывая огромный коэффициент в формуле Эйнштейна (квадрат скорости света), получается, что в расчете на каждый вступающий в реакцию протон выделяется довольно много энергии!

Но в ядре Солнца содержится гигантское количество протонов. Каждое мгновение в реакции термоядерного синтеза вступает очень большое число этих частиц. Ежесекундно, как указано выше, в энергию гамма-излучения превращается около 4 миллионов тонн водорода (Солнце становится на эту величину легче)!

Эффективность этого процесса очень высока. Умножив это число на квадрат скорости света, мы получим общую энергию, выделяемую Солнцем за секунду, то есть его светимость (около 3,84 × 10 26ватт)! Отсюда следует, что именно цепочка из этих трех термоядерных реакций (она называется протон-протонным циклом ) является основным источником энергии солнечного излучения.

Теория элементарных частиц показывает, что протон-протонный цикл – не единственная цепочка реакций, которая может протекать в недрах Солнца. Образовавшиеся во время второй реакции ядра гелия-3 могут объединяться не только друг с другом, но и с уже образовавшимися ядрами гелия-4 (альфа-частицами), создавая при этом ядра атомов изотопа бериллия-7. Дальше цепочка превращений может идти по двум вариантам, в результате которых могут получиться либо ядра лития, либо ядра изотопа бериллия-8.