Под знаком кванта

Образовавшийся дейтрон уже через 6 с вступает в реакцию с протоном и образует ядро легкого изотопа гелия ³Не, которое потом блуждает примерно миллион лет, прежде чем встретит другое такое же ядро и при слиянии с ним образует а-частицу (ядро ⁴Не), вновь освобождая 2 протона. Но пройдет еще несколько миллионов лет, прежде чем энергия, выделившаяся в центре Солнца, достигнет его поверхности и оттуда излучится в мировое пространство. Еще через 8 мин лучи Солнца достигнут Земли.

В действительности процесс «горения» ядер водорода происходи немного сложнее: кроме основного цикла идут побочные, благодаря которым энерговыделение в протон-протонном цикле снижается до 26,172 МэВ. Кроме того, наряду с основным циклом (его вклад составляет 86 %) синтез водорода в гелий происходит по так называемому углерод-азотному циклу, где энерговыделение равно 24,97 МэВ. Поэтому в среднем при слиянии 4 протонов в ядро гелия выделяется энергия

(26,17.0,86 + 24,97.0,14) МэВ = 26,00 МэВ,

то есть по 6,5 МэВ на каждое сгоревшее ядро водорода. Это означает, что его масса т_н= 1,007825 а. е. м. уменьшается при этом на

Ат = 6,5 МэВ/931,5 МэВ = 0,006978 а. е. м.,

то есть на 0,69 % — в семь раз больше, чем при делении ядра урана.

В 1 г водорода содержится 6,02-10²³ ядер, а при их ядер-ном горении выделится энергия

(6,02-10²³).6,5 МэВ = 3,91 • 10²⁴ МэВ = 6,27-10¹⁸ эрг =

= 6,27- 10^й Дж.

Поэтому, чтобы обеспечить мощность излучения 3,8-10²⁶ Вт, в недрах Солнца каждую секунду должно «сгорать»

(3,8 - 10²⁶ Вт) - 1

6,27.10” Дж/г

^с- = 0,607 •

10^|5г=607

млн.

водорода, масса Солнца уменьшится при этом на

607 млн. т-0,0069 а. е. м./1 а. е. м. = 4,2 млн. т

и в виде фотонов рассеется в мировом пространстве. (Часть энергии (около 5 %) уносится нейтрино и не включена в этот баланс, поэтому в действительности водорода сгорает чуть больше, а именно 630 млн. т., или 0,63* 10¹⁵ г/с.)

При таком темпе горения массы Солнца (2-10³³ г), из которых 75 % составляет водород, хватило бы на

2- 10³³

г-0,75

0,6- 10¹⁵ г/с

= 2,5.10^,8с

0,8- 10¹¹

лет,

то есть на 80 млрд. лет. В действительности при устойчивом горении допустима потеря массы не более 10 %, то есть Солнце будет так же неизменно светить на небосклоне еще 5—7 млрд. лет. Несмотря на огромность излучаемой энергии, Солнце горит очень экономно: при массе 2 -10³³ г оно излучает 3,8-10²⁶ Дж/с, то есть его удельная мощность равна всего (3,8-10²⁶ Вт)/(2-10³³ г) = 1,9-10“⁷ Вт/г — в 10 тыс. раз уступает удельной мощности человека (2-10^-3 Вт/г) и в 50 млрд, раз меньше удельной мощности горящей спички (примерно 10 000 Вт/г).

ТИГЛИ ЭЛЕМЕНТОВ

В недрах Солнца каждую секунду 630 млн. тонн водорода превращается в гелий. Но как возникли все остальные элементы, из которых состоит земля, растения и мы с вами? Квантовая физика и основанная на ней ядерная астрофизика могут теперь ответить и на этот вопрос.

Когда в ядре Солнца выгорит весь водород, сразу же уменьшится поток и давление излучения, которое препятствует сжатию Солнца под действием сил тяготения, его ядро начнет уменьшаться в объеме, и в процессе такого гравитационного сжатия плотность в центре Солнца достигнет 10⁵ г/см³, а температура превысит 100 млн. градусов,— как раз в этот момент начнет «гореть» гелий. Ядерная реакция горения гелия — тройной альфа-процесс (За- процесс) — замечательна во многих отношениях и заслуживает более подробного рассмотрения.

Прежде всего, простая реакция слияния двух ядер гелия в ядро бериллия

⁴Не + ⁴Не->⁸Ве

невозможна, поскольку такой изотоп бериллия в природе отсутствует. К счастью, в сечении этой реакции при энергии около 0,1 МэВ наблюдается резонанс, который можно мыслить себе как очень нестабильное ядро ⁸Ве*. Это «ядро» живет всего 10^-16 с, однако по ядерным масштабам это не так мало: при столкновении а-частиц они, прежде чем разлететься вновь, успевают совершить около миллиона колебаний в составе ⁸Ве*. За это время к ним может приблизиться третья а-частица и образовать с ними ядро углерода ^,2

С.

Эта возможность, однако, осталась бы нереализованной, если бы не вторая удача, сопутствующая успеху За-процесса. Дело в том, что масса трех а-частиц на 7,28 МэВ превышает массу ядра ^,2С и прямой процесс образования ядер углерода из трех а-частиц крайне маловероятен. Но у ядра ¹²С есть возбужденное состояние ^,2С* с энергией возбуждения 7,66 МэВ, то есть масса ядра ^,2С*, в отличие от массы ^t2C, не меньше массы трех а-частиц, а, наоборот, на 7,66 МэВ — 7,28 МэВ =0,38 МэВ превышает ее. А это означает, что при достаточно высоких энергиях столкновения а-частиц возможна резонансная реакция

⁸Ве* + ⁴Не-^^,2С*.

Возбужденное ядро ^,2С* живет недолго — всего 10^-12 с и,

испуская у-кванты или электронно-позитронную пару, переходит в основное состояние.

Но этого времени оказывается достаточно, чтобы успело произойти необратимое объединение трех а-частиц.