Итак, для того чтобы «собрать» из ядер водорода (протонов) ядро более тяжелого атома, нужно решить практически нерешаемую задачу: преодолевая могучее кулоновское отталкивание, необходимо приблизить протоны вплотную друг к другу – настолько, чтобы они за счет включившегося сильного взаимодействия «слиплись» между собой.
Как сказано выше, в обычных условиях это невозможно. Но оказалось, что это становится возможным в недрах Солнца, в самой его сердцевине, которая называется солнечным ядром!
Гигантская масса Солнца приводит к тому, что под воздействием силы тяжести вещество (это и есть преимущественно ядра атомов водорода, то есть протоны) сжато в центре нашей звезды до огромных плотностей. Расчеты показывают, что плотность вещества в ядре Солнца достигает 153 граммов в кубическим сантиметре, что в 153 раза больше плотности воды! Даже аналогичный по объему кубик железа весит всего около восьми граммов. В единице объема в ядре Солнца оказывается очень много вещества.
Второй фактор, помогающий термоядерным реакциям, – это колоссальная температура в недрах светила. Мы уже отмечали, что она превышает 15 миллионов градусов. Но что такое температура? Это мера кинетической энергии отдельных частиц (в данном случае протонов), то есть характеристика их скорости!
Если мы говорим об абсолютном нуле температуры, это означает, что частицы просто не движутся. Потому-то температура не может быть ниже абсолютного нуля: если движения уже нет, то и уменьшать его дальше некуда. Если же частицы начинают двигаться, то мы говорим, что температура газа, состоящего из этих частиц, отлична от нуля. Если же частицы движутся с большими скоростями, мы рассуждаем о высокой температуре.
Что же может произойти с протонами, если заставить их двигаться с гигантскими скоростями и при этом набрать огромное их количество в единице объема? Появляется слабая, очень малая, но все-таки отличная от нуля вероятность столкновений!
На самом деле происходящие процессы оказываются гораздо сложнее. Здесь начинает работать так называемый туннельный эффект, описанный квантовой физикой. Он позволяет протонам иногда преодолевать кулоновский барьер и сближаться – практически до столкновения.
Современная ядерная физика довольно подробно изучила эти процессы. Каждый протон сам по себе чрезвычайно устойчив, он может существовать многие миллиарды лет. Но, оказавшись очень близко к другому протону, он может распасться, превратившись в нейтрон с испусканием двух частиц: одна из них называется позитрон (электрон с положительным зарядом), а другая – нейтрино (частица с микроскопической массой и не обладающая электрическим зарядом). Эти легкие частицы быстро покидают «поле боя»: нейтрино практически не взаимодействует с тяжелыми частицами и может свободно пройти сквозь все Солнце с околосветовой скоростью, покинув его. Позитрон немедленно превратится в порцию (квант) гамма-излучения, аннигилируя (взаимноуничтожившись) при столкновении с первым же встречным электроном.
Что же будет с образовавшимся нейтроном? Он объединится с тем самым протоном, с которым произошло его столкновение. Эти две частицы образуют так называемое ядро тяжелого водорода – дейтрон.
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 = mc2.
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 × 1026 ватт)! Отсюда следует, что именно цепочка из этих трех термоядерных реакций (она называется протон-протонным циклом) является основным источником энергии солнечного излучения.
