Термоядерные реакции (стр. 3 из 5)

Вторая ветвь протон - протонной реакции начинается с соединения ядра

He с ядром "обыкновенного" гелия He, после чего образуется ядро бериллия Be. Ядро бериллия в свою очередь может захватить протон, после чего образуется ядро бора B, или захватить электрон и превратиться в ядро лития. В первом случае образовавшийся радиоактивный изотоп B претерпевает бета-распад: В Be + n + . Заметим, что нейтрино, образовавшиеся при этой реакции, как раз и обнаружили при помощи уникальной, дорогостоящей установки. Радиоактивный бериллий Be весьма неустойчив и быстро распадается на две a-частицы. Наконец, последняя, третья ветвь протон - протонной реакции включает в себя следующие звенья: Ве после захвата электрона превращается в Li, который, захватив протон, превращается в неустойчивый изотоп Ве, распадающийся, как во второй цепи, на две альфа - частицы.

Да, кстати, нужно ещё отметить, что подавляющее большинство реакций идет по первой цепи, но роль «побочных» цепей отнюдь не мала, что следует хотя бы из знаменитого нейтринного эксперимента, который впервые дал возможность практически наблюдать процессы, протекающие внутри звёзд.

УГЛЕРОДНО-АЗОТНЫЙ ЦИКЛ

Перейдём теперь к рассмотрению углеродно-азотного цикла. Этот цикл состоит из шести реакций.

Таблица 2

1.

С +

H

N +

+ 1,95 MэВ (десятки млн. лет); 2.

N

С +

+

+ 2,22 MэВ (7 минут); 3.

С +

H

N +

+ 7,54 МэВ (несколько млн. лет); 4.

N +

H

O +

+ 7,35 МэВ (сотни млн. лет); 5.

O

N +

+

+ 2,71 МэВ (82 сек); 6.

N +

H

С +

He + 4,96 МэВ (сотни тыс. лет);

Поясним содержание этой таблицы. Протон, сталкиваясь с ядром углерода, превращается в радиоактивный изотоп

N. При этой реакции излучается g-квант. Изотоп N, претерпевая b - распад с испусканием позитрона и нейтрино, превращается в обычное ядро азота N. При этой реакции так же испускается g - квант. Далее, ядро азота сталкивается с протоном, после чего образуется радиоактивный изотоп кислорода О и g-квант. Затем этот изотоп путём b - распада превращается в изотоп азота N. Наконец, последний, присоединив к себе во время столкновения протон, распадается на обычный углерод и гелий. Вся цепь реакций представляет собой последовательное «утяжеление» ядра углерода путем присоединением протонов с последующими - распадами. Последним звеном этой цепи является восстановление первоначального ядра углерода и образованием нового ядра гелия за счёт четырёх протонов, которые в разное время один за другим присоединились к C и образующимся из него изотопам. Как видно, никакого изменения числа ядер C в веществе, в котором протекает эта реакция, не происходит. Углерод служит здесь «катализатором» реакции.

Из таблицы видно, какая энергия выделяется на каждом этапе углеродно-азотной реакции. Часть этой энергии выделяется в форме нейтрино, возникающих при распаде радиоактивных изотопов

N и O. Нейтрино свободно выходит из звёздных недр наружу, следовательно, их энергия не идёт на нагрев вещества звезды. Например, при распаде O энергия образующегося нейтрино составляет в среднем около 1 МэВ. Окончательно при образовании одного ядра гелия путём углеродно-азотной реакции выделяется (без учёта нейтрино) 25 МэВ энергии, а нейтрино уносят около 5% этой величины. В третьем столбце таблицы 2 приведены значения скорости различных звеньев углеродно-азотной реакции. Для b-процессов это просто период полураспада. Значительно труднее определить скорость реакции, когда происходит утяжеление ядра путём присоединения протона. В этом случае надо знать вероятности проникновение протона через кулоновский барьер, а также вероятности соответствующих ядерных взаимодействий, так как само по себе проникновение протона в ядро ещё не обеспечит интересующего нас ядерного превращения. Вероятности ядерных реакций получаются из лабораторных экспериментов либо вычисляются теоретически. Для их надёжного определения потребовались годы напряжённой работы физиков - ядерщиков, как теоретиков, так и экспериментаторов. Числа в третьем столбце дают «время жизни» различных ядер для центральных частей звезды с температурой в 13 миллионов кельвинов и плотности водорода 100 г/см . Например, для того чтобы при таких условиях ядро C, захватив протон, превратилось в радиоактивный изотоп углерода, надо «подождать» 13 миллионов лет. Следовательно, для каждого «активного» (т. е. участвующего в цикле) ядра реакции протекают чрезвычайно медленно, но всё дело в том, что ядер достаточно много.

Как неоднократно подчёркивалось выше, скорость термоядерных реакций чувствительным образом зависит от температуры. Это понятно – даже небольшие изменения температуры очень резко сказываются на концентрации необходимых для реакции сравнительно энергичных протонов, энергия которых раз в 20 превышает среднюю тепловую энергию. Для протон – протонной реакции приближенная формула для скорости энерговыделения, рассчитанного на грамм вещества, имеет вид

e = const

*T

эрг/г*c.

Эта формула справедлива для сравнительно узкого, важного интервала температур 11 – 16 миллионов кельвинов. Для более низких температур (от 6 до 10 миллионов кельвинов) справедлива другая формула: