Чтение онлайн

Впрочем, мы ведь говорили о Солнце. И о том, что строить солнечный термоядерный реактор в земных условиях нам не стоит. Почему?

Да потому, что в Солнце идет очень специфическая ядерная реакция и стараться повторить ее на Земле — это пытаться прикрутить термоядерный реактор посередине грудной клетки с помощью синей изоленты, как в Голливуде.

Вот эта реакция. Я вначале нарисую ее в упрощенной форме, а потом покажу вам, где нам категорически не хватает магической синей изоленты, чтобы прикрутить где-нибудь на Земле этот природный термоядерный реактор к прочному бетонному фундаменту.

Рис. 175. Упрощенная схема ядерной реакции.

Два ядра атомов водорода, простые протоны, которые рано или поздно встречаются между собой где-нибудь в центре нашего Солнца, в результате этой реакции образуют… снова водород. Правда, уже не обычный, «легкий» водород, еще называемый протием, а «тяжелый» водород, дейтерий.

Самое интересное, что нейтрон, который образуется из одного из протонов в результате этой реакции, чуть тяжелее протона. Масса нейтрона — 939,57 МэВ, а масса протона –938,27 МэВ.

Один МэВ — это очень маленькая масса, 1 МэВ равен 1,7810–30 килограмма. Поэтому-то и получается, что в одном килограмме водорода собрана такая бездна атомов, которые и состоят, в основном, из своих ядер — протонов. Для того чтобы собрать килограмм

атомов водорода приходится оперировать числом с 26-ю нулями. Скажу лишь, что число людей на всей нашей Земле — это число с девятью нулями. Комаров по всей Земле я не считал, но думаю, что тоже не больше, чем протонов в килограмме водорода.

Но как же получается, что образовавшийся нейтрон тяжелее протона, вступившего в реакцию? Все дело в том, что это масса покоя нейтрона. И если взять «сферический нейтрон в вакууме», то он будет весить именно 939,56 МэВ. Точно так же, как и одинокий «сферический протон в вакууме» будет весить 938,27 МэВ. А вот вместе они будут весить меньше, чем по отдельности, в одиночестве друг от друга.

И да, одинокий нейтрон без протона — не жилец.

Время жизни свободного нейтрона без протона вблизи него — всего около 15 минут. За это время большая часть нейтронов успевает распасться обратно на протон, электрон и антинейтрино.

Но в рамках ядра дейтерия нейтрон «связан» с протоном силами сильного взаимодействия. Это взаимодействие и в самом деле очень сильное — настолько, что значительно меняет массу участвующих в нем частиц. И не просто меняет, а уменьшает их наблюдаемую массу.

Если брать «сферический» протон и «сферический» нейтрон, то для ядра дейтерия (дейтрона) у нас получится по математике вот такой формальный расчет:

938,27 + 939,57 = 1877,84 МэВ.

По факту же ядро дейтерия весит чуть меньше — 1875,61 МэВ. Разница между значениями массы, полученной путем механического сложения массы свободных протона и нейтрона и точным измерением реальной массы дейтрона и дает нам значение энергии связи или дефекта массы. Ее точное значение для дейтрона равно 2,22 МэВ. Это и есть масса (или энергия) магической синей изоленты, которая и прикручивает частицы в ядре друг к другу. Ну а поскольку энергия связи у нас понятие отрицательное (для того чтобы оторвать нейтрон от протона, надо затратить энергию), то правильно энергию связи дейтрона писать как –2,22 МэВ.

И вот тут у нас на арене появляется знаменитая формула: E=mc2.

Та самая, которую и придумал камрад Эйнштейн.

Что мы имеем? В начале реакции у нас два протона с массой по 938,27 МэВ каждый, а в конце — ядро-дейтрон, которое весит 1875,61 МэВ.

Нетрудно посчитать, что в чистом выходе по энергии мы имеем что-то около 0,93 МэВ в расчете на одно слияние.

Ура? Победа?

Нет, нам по-прежнему не хватает магической синей изоленты, чтобы привязать два протона друг к другу и заставить их, наконец-то, сделать для нас ядро дейтрона, которое отдаст нам лишнюю энергию, которую мы уже можем потратить на всякие разные приятные вещи.

Это связано с тем, что протон-протонный цикл в недрах нашего Солнца идет по более сложной схеме, чем нарисовано на первом рисунке. И она как раз и ставит для нас крест на всех наших попытках примотать протон-протонный цикл к нашим скромным нуждам где-нибудь на нашей скорлупке-Земле. Все дело в том, что два столкнувшихся протона образуют в начале реакции слияния не дейтрон, а очень экзотическое ядро — дипротон. Пока это просто два протона, слитых в единое целое. И, как и положено двум заряженным частицам, они не прочь оттолкнуться друг от друга.

В нашей Вселенной нет стабильных дипротонов. Это объясняется тем, что сила взаимного отталкивания двух положительно заряженных протонов чуть-чуть больше, чем энергия связи их гипотетического ядра, определяемая из формул сильного взаимодействия. Кстати, формально это ядро должно было бы называться гелий-2 или 2He в традиционной записи для изотопов.

В таком уникальном соотношении основных взаимодействий есть еще один интересный факт. Если бы сильное взаимодействие частиц было бы лишь чуть-чуть сильнее (наша синяя изолента была бы чуть попрочнее), то мы бы не увидели Тони Старка этого мира вообще. Расчеты показывают, что в таком мире сразу после Большого Взрыва все протоны объединяются в пары и во Вселенной не остается водорода, а значит, не будет ни воды, ни знакомой нам жизни. Только гелий-2, от которого потом и надо начинать цепочки синтеза ядер.

Гелий-2 был экспериментально найден в опытах, включающих в себя распад неона-18 в кислород-16 только в 2008 году. Поскольку получающийся в результате этой реакции дипротон был, как и положено дипротону, жутко нестабильным, его нашли исключительно по факту вылета двух протонов одновременно и в одном направлении из ядра распадающегося неона.

Конечно же, собрать килограмм ядер 2He в условиях их крайней нестабильности практически невозможно. Это как собирать «килограмм комариных крылышек». Как же наше Солнце умудряется нарабатывать энергию, заставляя упрямые протоны превращаться в дейтроны, и светит нам вот уже 4,5 млрд лет?

Все дело в том, что у дипротона есть еще один вариант дальнейшей судьбы, кроме тривиального «прощай, нам не жить вместе, я полетел дальше». У дипротона есть очень маленькая вероятность превратиться в дейтрон в результате действия уже третьего, слабого взаимодействия. В силу невозможности получения самого 2He или дипротона в сколь-либо значимых количествах, вопрос точного определения этой вероятности пока открыт. Скажем так — это не просто мало, а очень мало. Поскольку до сих пор все попытки воспроизвести протон-протонный синтез где-либо в земных лабораториях не увенчались успехом. Протоны просто отскакивают друг от друга, как горох, не образуя ни дипротонов, ни тем более дейтронов.

Кроме неприятного осадка в виде невозможности «зажечь звезду» прямо у себя в синхрофазотроне, ученые убедились, кстати, и еще во многих проблемах. Например, в 1960-е годы очень активно обсуждался так называемый прямоточный двигатель Бассарда, который представлял собой просто громадный черпак, движущийся с околосветовой скоростью. Такой черпак смог бы собирать водород прямо из межзвездного газа и позволил бы не беспокоиться о запасах топлива на борту корабля.

Однако впоследствии выяснилось, что межзвездный газ, как и наша вода, состоит в основном из протия, который хрен зажжешь просто так, «на коленке».