Вы бы никогда не догадались, что ядерная физика может быть такой простой.
Мистер. Бёрнс: Смитерс, дай мне ложку для мороженого.
Smithers: Шарик для мороженого?
Мистер. Бёрнс: Черт побери, Смитерс! Это не ракетостроение, это хирургия головного мозга!»
-Симпсоны
Солнце - единственный объект вне этого мира, с которым знаком каждый на Земле. С массой, примерно в 300 000 раз превышающей массу всей нашей планеты, это самый мощный источник тепла, света и излучения в Солнечной системе на сегодняшний день.
Количество излучаемой им энергии буквально астрономическое. Вот несколько забавных фактов о Солнце:
- Он излучает 4 × 10^26 Вт мощности, или столько энергии, сколько излучают десять квадриллионов мощных электростанций, работающих на полную мощность одновременно.
- Он светит уже 4,5 миллиарда лет, все время излучая энергию почти с постоянной скоростью. (Изменение менее 20% за весь этот период времени.)
- Энергия, излучаемая Эйнштейном, исходит из знаменитой формулы E=mc^2, когда материя превращается в энергию в ядре Солнца.
- И, наконец, эта энергия ядра должна распространиться на поверхность Солнца, путешествие, которое требует прохождения через 700 000 километров плазмы.
Последний шаг - это очень весело! Поскольку фотоны очень легко сталкиваются с ионизированными заряженными частицами, фотону, созданному в ядре Солнца, требуется где-то около 170 000 лет, чтобы фотон, созданный в ядре Солнца, добрался до поверхности.
Только тогда он сможет покинуть Солнце и осветить Солнечную систему, наши планеты и Вселенную за ее пределами. Мы говорили о том, почему Солнце сияет (и как мы знаем, как оно работает) раньше, но мы никогда не говорили подробно о том, как этот важнейший шаг - как его масса преобразуется в энергию - в деталях.
На макроуровне все довольно просто, по крайней мере, с точки зрения ядерной физики.
Ядерный синтез работает на Солнце - и во всех, кроме абсолютно самых массивных звезд - , путем слияния скромных протонов (ядер водорода) в гелий-4 (ядра с двумя протонами и двумя нейтронами), высвобождая энергию в процессе.
Это может вас немного озадачить, поскольку вы, возможно, помните, что нейтроны немного тяжелее протонов.
Ядерный синтез высвобождает энергию только тогда, когда масса продуктов - ядра гелия-4, в данном случае - меньше массы реагентов. Что ж, несмотря на то, что гелий-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов, эти ядра связаны вместе, а это означает, что их общая масса меньше. чем отдельные части.
На самом деле гелий-4 не только легче двух протонов и двух нейтронов по отдельности, но и легче четырех отдельных протонов! Это не так уж и много - всего 0,7% - но при достаточном количестве реакций быстро накапливается. На нашем Солнце, например, где-то около колоссального 4 × 10^38 протонов сливаются в гелий-4 каждую секунду на нашем Солнце; именно столько нужно, чтобы учесть выходную энергию Солнца.
Но нельзя просто превратить четыре протона в гелий-4; на самом деле вы никогда не сталкиваетесь более чем с двумя частицами одновременно. Так как же тогда нарастить до гелия-4? Это может пойти не так, как вы ожидаете!
Большую часть времени, когда два протона сталкиваются, они просто делают это: сталкиваются и отскакивают друг от друга. Но при правильных условиях, при достаточно высоких температурах и плотностях они могут сливаться вместе, образуя состояние гелия, о котором вы, вероятно, никогда не слышали: дипротон, состоящий из двух протонов и без нейтронов.
В подавляющем большинстве случаев дипротон - невероятно нестабильная конфигурация - просто распадается обратно на два протона.
Но время от времени, менее чем в 0,01% случаев, этот дипротон будет подвергаться бета-плюс-распаду, при котором он испускает позитрон (античастица электрона), нейтрино, и где протон превращается в нейтрон.
Для тех, кто просматривал только исходные реагенты и конечные продукты, время жизни дипротонов настолько мало, что они увидели бы только что-то вроде диаграммы ниже.
Итак, вы получаете дейтерий - тяжелый изотоп водорода - позитрон, который тут же аннигилирует с электроном, производя энергию гамма-излучения, и нейтрино, которое улетает со скоростью, неотличимой от скорость света.
И сделать дейтерий сложно! На самом деле, это настолько сложно, что даже при температуре 15 000 000 К , которую мы достигаем в ядре нашего Солнца , эти протоны имеют среднюю кинетическую энергию 1.3 кэВ за штуку. Распределение этих энергий является пуассоновским, а это означает, что существует небольшая вероятность наличия протонов с чрезвычайно высокими энергиями и скоростями, соперничающими со скоростью света. С 10 ^ 57 протонов (из которых, возможно, несколько раз 10 ^ 55 находятся в ядре), я получаю самую высокую кинетическую энергию, которую, вероятно, имеет протон, составляет около 170 МэВ. Этой энергии почти (но не совсем) достаточно для преодоления кулоновского барьера между протонами.
Но нам не нужно полностью преодолевать кулоновский барьер, потому что у Вселенной есть другой выход из этой неразберихи: квантовая механика!
Таким образом, эти протоны могут квантово туннелировать в дипротонное состояние, небольшая (но важная) часть которого будет распадаться на дейтерий, и как только вы получите дейтерий, вы плавно перейдете к следующему шагу. Хотя дейтерий лишь слегка энергетически выгоден по сравнению с двумя протонами, гораздо проще сделать следующий шаг: к гелию-3!
Объединение двух протонов в дейтерий высвобождает общую энергию около 2 МэВ, или около 0,1% массы исходных протонов. Но если вы добавите протон к дейтерию, вы можете сделать гелий-3 - гораздо более стабильным ядром с двумя протонами и одним нейтроном - , и это реакция, которая высвобождает 5,5 МэВ энергии, причем гораздо более быстрой и спонтанной.
В то время как два протона в ядре сливаются вместе в дейтерий за миллиарды лет, дейтерию после его создания требуется всего около секунды, чтобы слиться с протоном и стать гелием-3!
Конечно, два ядра дейтерия могут слиться вместе, но это настолько редко (а протоны так распространены в ядре), что можно с уверенностью сказать, что 100% дейтерия образует сплавы с протоном. стать гелием-3.
Это интересно, потому что обычно мы думаем о синтезе на Солнце как о «слиянии водорода в гелий», но на самом деле этот этап реакции является толькодлительный, в который входит несколько атомов водорода и выходит атом гелия! После этого - после получения гелия-3 - есть четыре возможных пути добраться до гелия-4, который является наиболее энергетически выгодным состоянием при энергиях, достигаемых в ядре Солнца.
Первый и наиболее распространенный способ состоит в том, чтобы два ядра гелия-3 сливались вместе, образуя ядро гелия-4 и выбрасывая два протона. Из всех ядер гелия-4, образовавшихся на Солнце, около 86% образовались этим путем. Между прочим, эта реакция преобладает при температуре ниже 14 миллионов Кельвинов, а Солнце - более горячая и массивная звезда, чем 95% звезд во Вселенной
Другими словами, это наиболее распространенный путь к гелию-4 в звездах Вселенной: два протона квантовомеханически образуют дипротон, который время от времени распадается на дейтерий, дейтерий сливается с протоном, образуя гелий-3, а затем, примерно через миллион лет, два ядра гелия-3 сливаются вместе, образуя гелий-4, выбрасывая при этом два протона обратно.
Но при более высоких энергиях и температурах - в том числе в самом внутреннем 1% ядра Солнца - доминирует другая реакция.
Вместо двух ядер гелия-3, сливающихся вместе, гелий-3 может сливаться с ранее существовавшим гелием-4, производя бериллий-7. Теперь, в конце концов, этот бериллий-7 найдет протон; однако, поскольку он нестабилен, он может сначала распасться на литий-7. На нашем Солнце обычно сначала происходит распад до лития, а затем добавление протона создает бериллий-8, который немедленно распадается на два ядра гелия-4: это составляет около 14% солнечного гелия-4.
Но в еще более массивных звездах слияние протона с бериллием-7 происходит до распада на литий, создавая бор-8, который распадается сначала на бериллий-8, а затем на два ядра гелия-4. Это не важно для солнцеподобных звезд - , на долю которых приходится всего 0,1% нашего гелия-4 - , но для массивных звезд классов O и B это может быть наиболее важной реакцией синтеза для производства гелия-4 из всех.
И - в качестве сноски - гелий-3 теоретически может сливаться непосредственно с протоном, производя гелий-4 и позитрон (и нейтрино) сразу. Хотя на нашем Солнце это настолько редкое явление, что таким образом образуется менее одного ядра гелия-4 на миллион, он все же может доминировать в самые массивные О-звезды!
Итак, резюмируя, подавляющее большинство ядерных реакций на Солнце, перечисляя только самый тяжелый конечный продукт каждой реакции:
- два протона сливаются вместе с образованием дейтерия (около 40%),
- слияние дейтерия и протона с образованием гелия-3 (около 40%),
- два ядра гелия-3 сливаются с образованием гелия-4 (около 17%),
- слияние гелия-3 и гелия-4 с образованием бериллия-7, который затем сливается с протоном с образованием двух ядер гелия-4 (около 3%).
Так что вы можете удивиться, узнав, что синтез водорода в гелий составляет менее половины всех ядерных реакций на нашем Солнце, и что свободные нейтроны никогда не участвуют в этой смеси!
На этом пути происходят странные, неземные явления: дипротон, который обычно просто распадается обратно на первоначальные протоны, которые его создали, позитроны, спонтанно испускаемые из нестабильных ядер, и в небольшом (но важном) проценте эти реакции, редкое ядро с массой 8, чего вы никогда не встретите в природе здесь, на Земле!
Но это ядерная физика того, откуда Солнце получает свою энергию, и какие реакции вызывают ее на пути!
- И это только с учетом цепочки протон-протон; в более массивных звездах вступает в действие CNO-цикл, способ получения гелия-4 с помощью ранее существовавших углерода, азота и кислорода, что происходит во всех, кроме самого первого поколения массивных звезд!
Есть комментарий? Взвесьтесь на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs!