Чтение онлайн

Представим себе, что мы пытаемся сблизить два протона. Если не швырнуть их навстречу друг другу с достаточно большой скоростью, они замедлятся вплоть до остановки вне зоны действия ядерных сил притяжения и затем вновь разойдутся из-за взаимного электростатического отталкивания. Однако если нам удастся заставить двигаться их навстречу друг другу с достаточно большой скоростью, они могут сблизиться на такое расстояние, где уже ощутят влияние связывающей ядерной силы. В этом случае протоны останутся связанными вместе. Мы достигнем синтеза ядер.

Ясно, что для осуществления синтеза нужно, чтобы протоны двигались очень быстро. В сильно нагретом газе протоны действительно движутся с большой скоростью, но в случайных направлениях. На самом деле, температура газа есть мера того, с какой средней скоростью движутся в нём частицы газа. Если температура достаточно велика, существует возможность, что два хаотически движущихся протона подойдут друг к другу достаточно близко и синтез осуществится. Какова же критическая температура этого события?

Оказалось, что вычисленные Эддингтоном температуры в центрах звёзд, составляющие от десяти до сорока миллионов градусов, достаточно высоки для осуществления реакции синтеза. Но ведь требуется большее: в таком процессе должна выделяться энергия.

Взглянув на рис. 42, видим, что если соединить вместе четыре ядра водорода, мы получим не совсем ядро гелия. Два протона должны каким-то образом заместиться двумя нейтронами. В реакции синтеза именно так и происходит. Символически эту реакцию можно записать в виде

4 1H -> 4He + 2e+ + 2 + энергия.

Индексы «1» и «4» указывают на число частиц в ядре водорода (Н) и гелия (Не) соответственно. Символ е+ означает положительно заряженную частицу позитрон, а — нейтральная частица по имени нейтрино. Таким образом, из четырёх, единиц заряда в исходных ядрах водорода две единицы уходят в ядро гелия, а две другие уносятся позитронами. Два из четырёх участвующих в процессе протона превращаются в нейтроны.

Основное интересующее нас свойство этой реакции заключено в последнем слагаемом, которое указывает нам, что в процессе синтеза действительно высвобождается энергия. Откуда она берётся? Если мы подсчитаем полную массу четырёх ядер водорода, участвующих в реакции, и сравним её с массой ядра гелия, обнаружится, что первая чуточку больше. Позитроны и нейтрино очень лёгкие частицы, и они не вносят существенного вклада в разность масс.

Иными словами, закон сохранения массы нарушается. Но для физика XX века это не должно служить причиной для беспокойства, так как, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=Mc2, потеря массы М проявляется как энергия, значение которой получается умножением М на квадрат скорости света.

Какая же доля массы водорода переходит в энергию при таком синтезе? Всего лишь 7 тысячных долей полной массы. Как ни мала эта доля, она достаточна, чтобы обеспечить такую звезду, как Солнце, энергией и дать ей возможность светить миллиарды лет.

Посмотрим на это с земной точки зрения. Допустим, в нашем распоряжении имеется термоядерный реактор, способный осуществить синтез 1 кг водорода в гелий. Сколько энергии произведёт этот реактор? Из 1 кг топлива лишь 7 г превратится в энергию. Однако формула Эйнштейна приводит к невообразимому результату, что количество выделившейся энергии будет равно 7 x 1014 Дж. Это равно той энергии, которую вырабатывает генератор мощностью 1 МВт, непрерывно работая в течение 20 лет!

Приведённый пример показывает, какие грандиозные возможности таят в себе термоядерные реакторы, если только земная технология продвинется достаточно далеко и сумеет их создать. Пока что технология преуспела лишь в создании водородной бомбы. Разница между термоядерным реактором и бомбой заключается в том, что в обоих случаях используется одна и та же реакция синтеза, но в реакторе энергия выделяется контролируемым образом с постоянной скоростью, а в бомбе в виде взрыва.

Звёзды способны достичь состояния контролируемого ядерного синтеза благодаря большим давлениям в центральных областях, порождённым тяготением. Земная технология должна искать другие пути осуществления управляемого синтеза, поскольку невозможно воспроизвести звёздный сценарий: нет той гигантской силы тяготения, которая доступна звёздам.

Глава 7 ЗВЁЗДЫ КАК ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ

В предыдущей главе мы убедились, что источник энергии излучения звёзд находится в её центре и представляет собой термоядерный реактор. Посмотрим теперь, как меняется этот реактор в процессе старения звезды и как эти изменения влияют на её внешний вид и размеры. ЗВЁЗДЫ ГЛАВНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

В гл. 7 мы обсудили простейший ядерный реактор. Его топливом являются ядра водорода, т. е. просто протоны. Четыре протона, соединяясь вместе, образуют ядро гелия. И в этом процессе синтеза выделяется энергия.

До того, как стал известен этот процесс, уравнения звёздной структуры Эддингтона были неполны в том смысле, что не хватало одного уравнения. В такой ситуации лучшее, что могли сделать астрофизики, это вычислить светимость звезды L, задав два основных параметра звезды — её массу М и радиус R. Как только решилась проблема генерации энергии за счёт ядерного синтеза, появилась возможность сделать лучше: вычислить как светимость L, так и радиус R как функции одного единственного параметра — массы звезды М. Так как астроному значительно легче определить светимость звезды, чем её радиус, соотношение между массой и светимостью стало главным результатом этих вычислений, имеющим прямое отношение к наблюдениям. Мы поясним это с помощью диаграммы Г—Р.

Есть две важнейшие причины, по которым масса звезды существенно определяет её внутреннее строение. Первая из них заключается в том, что масса определяет, каким образом энергия переносится из глубин звезды к её внешней поверхности.

Вообще говоря, существуют три пути, по которым теплота может передаваться от одной точки к другой. При теплопроводности теплота передаётся от соседа к соседу атомами и молекулами нагретого вещества, хотя эти частицы остаются на своих местах. Такой процесс действует, например, в твёрдых металлах. При конвекции, обычно в жидкостях и газах, малые количества нагретого вещества целиком перемещаются от одного конца тела до другого, перенося теплоту с собой. Такое движение можно заметить, например, при нагревании воды до кипения. Наконец, третий путь связан с излучением, когда энергия переносится фотонами. В гл. 5 мы уже видели, каким образом два последних процесса доминируют на разных стадиях процесса образования звезды.

В звезде также имеют место два последних процесса, причём опять они действуют с неодинаковой эффективностью. Может случиться, что в некоторых частях звезды условия более подходящие для того, чтобы частицы газа двигались целиком и переносили теплоту путём конвекции из внутренней области во внешнюю. Это происходит тогда, когда некоторое количество частиц газа, получив теплоту от центрального источника, расширяется и становится легче своего окружения, так что в результате всплывает наверх, как показано на рис. 43. В других случаях это может быть не лучшим путём переноса теплоты и излучение (в форме световых фотонов) становится более эффективным механизмом. Но, как мы видели в гл. 5, в некоторых случаях непрозрачность звёздного вещества препятствует выходу фотонов наружу.