Автор: Прокопенко А.Е. (Ангарск)
2. ГОРИ, ГОРИ МОЯ ЗВЕЗДА
2.1 Гипотезы ядерного горения
2.1
Гипотезы ядерного горения
Жизнь на Земле во
многом обязана Солнцу. Его лучи, поглощенные зелеными листьями растений,
превращаются в великую силу, приводящую в движение машину жизни.
В процессе фотосинтеза в микроскопически малых органоидах клеток световые
лучи преобразуются в скрытую энергию химических связей между атомами.
В итоге из углекислоты воздуха, почвенной влаги, минеральных солей почвы
возникают огромные молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров.
За счет этих молекул, запасаемых в растениях, существуют люди и животные.
За счет запасов, произведённых растениями на ранних этапах истории Земли,
мы получаем энергию, сжигая уголь и торф.
Растениями потребляется лишь
незначительная доля излучения Солнца, падающая на освещенную сторону Земли.
Основная доля идет на нагревание ее. Так как лучи падают на поверхность под
разными углами, Земля разогревается неравномерно. На экваторе, где лучи
падают под прямым углом, поверхность прогревается сильнее, чем на высоких
широтах. Это приводит к появлению мощных воздушных вихрей и океанических течений.
Средняя скорость ветра на Земле составляет 10, а течений -0,1 м/сек.
Энергию Солнца, потраченную на испарение и перенос огромного количества воды из
океанов на материки, используют турбины гидравлических электростанций.
Мощность лучистой энергии, падающая на
всю поверхность Земли, составляет около 1,75 ´10\14* кВт. Но это исчезающе малая доля
общей мощности солнечного излучения, оцениваемого учеными в 3,83 ´10\23 кВт. И это на протяжении
миллиардов лет. Откуда берется такая энергия? Что является источником энергии,
который позволяет Солнцу светить так долго ярко?
Уже в прошлом веке ученые пришли к
выводу, что таким источником не могут быть ни химические реакции, ни
гравитационное сжатие. Известный нам простой химический процесс - горение
поддержало бы нынешнее солнечное излучение только в течение 5 тыс. лет,
если бы Солнце полностью состояло из антрацита, наиболее калорийного угля.
Другие химические реакции еще в меньшей степени способны обеспечить достаточной
энергией. А гравитационное взаимодействие между частицами вещества Солнца
могло бы поддержать существующую светимость не более миллиона лет.
Может быть, Солнце разогревается за
счет особо сильной метеорной бомбардировки? Метеориты, падающие на поверхность
Солнца, должны приносить около 50 кВт энергии на каждый грамм своей массы.
Тогда за время существования жизни на Земле на Солнце должно было бы упасть
такое количество метеоритов, масса которых в сотню раз больше массы
сегодняшнего Солнца.
Начало нашего века ознаменовано
значительными открытиями в науке о строении атома, позволившими по-новому
осмыслить гигантскую энергию звезд. Вот только некоторые из этих открытий:
-В 1897 году Джозеф Джон
Томсон открывает электрон и определяет основные его характеристики.
-Английский исследователь Эрнест
Резерфорд, работая вместе со своими сотрудниками над теорией радиоактивного
распада, в 1911 году предложил планетарную модель атома, согласно которой
вокруг ядра, находящегося в центре атома, по определенным орбитам обращаются
электроны.
-В 1914 году он же
открывает положительно заряженную частицу, названную им протоном.
-Несколько позже Резерфорд
предсказывает существование нейтрона. В 1932 году его ученик и
сотрудник Джеймс Чедвик открывает нейтрон.
-В 1928 году Поль Морис Дирак построил релятивистскую теорию
движения электрона, на основании которой предложил существование позитрона (положительного электрона). Эта частица была
открыта в 1932 году американским физиком Карлом Андерсом.
После того, как стало понятным
строение ядра атома, возникла идея относительно источника гигантской энергии
звезд. Известный английский астроном Артур Эддингтон в изданной в
1927 году книге “Звезды и атомы” показал, что масса ядра гелия не точно в
4 раза больше массы ядра водорода, а несколько меньше. Эта “исчезнувшая”
масса и может служить источником энергии звезд. Согласно знаменитой формуле
Эйнштейна, связывающей энергию с массой (Е=Dmс\2, где Е ‑ количество выделившейся
энергии, Dm–масса
“исчезнувшего” вещества, с ‑ скорость света в вакууме) дефицит массы эквивалентен
огромному количеству энергии.
Богатое водородом звёздное вещество
может быть великолепным источником энергии звёзд. И физик - ядерщик Ганс
Бёте в 1938 году предложил астрономам свои гипотезы ядерного горения.
В начальной стадии звезда загорается энергией, получаемой при протон -
протонном цикле, когда гелий получается непосредственно из ядер водорода. После
того, как на звезде появятся ядра углерода и значительно повысится её
температура, преобладающее выделение энергии идёт уже при образовании гелия в
углеродном цикле, в котором углерод играет роль катализатора ядерной реакции.
Пространство между звездами не совсем
пусто. Обычно оно заполнено водородом, плотность которого составляет всего один
атом на квадратный сантиметр. Но существуют отдельные области, где
плотность межзвездного вещества в десятки тысяч раз превосходит обычные.
Повышенная концентрация межзвездного вещества в этих областях свидетельствует о
том, что звезды образуются из межзвездного газа. Когда масса газового облака в
десятки раз превзойдет солнечную, может нарушиться равновесие межзвездного газа
и в облаке само собой начнется процесс сжатия. При этом газ и пыль со все
возрастающей скоростью сжимаются, образуются отдельные уплотнения, которые
дальше сжимаются сами по себе. Каждое такое уплотнение превращается в отдельную
звезду. Поэтому молодые звезды рождаются большими компаниями, звездными
ассоциациями, как считал советский астроном В.А.Амбарцумян.
Когда в результате сжатия температура
в протозвезде достигнет 14 млн. градусов, начнется термоядерная реакция.
В результате протон-протонного цикла водород превращается в гелий. Этот
цикл состоит из трех этапов.
1.
Н + Н = D + b+ n;
2.
D + Н = Не3 + g;
3
Не3 + Не3 = Не4 + 2 Н, где
b - позитрон,
n- нейтрино,
g - гамма-излучение очень малой длинны
волны.
За счет “эффекта упаковки”
выделяется огромное количество энергии, определяемое формулой Эйнштейна.
Некоторые физики-ядерщики считают,
что для взаимодействия положительно заряженных протонов их скорости должны
составлять около тысячи км/сек. Только в этом случае протоны смогут
приблизиться друг к другу на расстояние, необходимое для протекания ядерной
реакции. И, следовательно, температура в 14 млн. градусов
недостаточна для начала термоядерного синтеза.
Им возражают физики Роберт
Аткинсон и Фриц Хоутерманс. Воспользовавшись представлением Г.Гамова о
туннельном эффекте, позволяющем элементарным частицам покидать ядро при распаде
радиоактивных веществ, они утверждают, что существует и обратный процесс.
Вероятность такого процесса не слишком велика, но туннельный эффект позволяет
протонам сливаться друг с другом достаточно часто. И тогда протон -
протонный цикл может начаться уже при температуре 14 млн. градусов.
По мере выгорания водорода происходит
сжатие звезды в результате чего ее температура растет и, следовательно,
становятся возможными другие ядерные реакции, в результате которых образуются
все более тяжелые ядра.
Не + Не = Ве ;
Ве + Не = С +g;
С + Не = О +g;
О + Не = Nе
+g
и т.д.
Эта цепочка может продолжаться только
до образования ядер железа. При этом, чем тяжелее ядро, получившееся в
результате термоядерного синтеза, тем меньше выделяется энергии на каждый акт
реакции. Ядерные реакции становятся все менее эффективными и для поддержания
температуры хотя бы на одном уровне реакции должны протекать все быстрее и
быстрее. Слияние ядра железа с ядрами других элементов может происходить только
с поглощением энергии. Поэтому в природе превращения элементов должны
заканчиваться на железе.
Если температура, при которой водород
должен “перегорать” в гелий с учетом туннельного эффекта должна составлять
более 14 млн. градусов, то для “перегорания” гелия в углерод необходима
температура в 100 млн. градусов. Возможны ли такие высокие температуры?
Такой уверенности у ученых нет. Группа астрономов Крымской астрофизической
обсерватории во главе с академиком А.Б.Северовым обнаружила очень малые
колебания поверхности Солнца амплитудой около 10 км с периодом 2 часа
40 мин. А это возможно только в однородной среде. Тогда температура в
центре Солнца не превышает 6,5 млн. градусов, чего явно недостаточно даже
для протон - протонного цикла.
Основная часть энергии от ядра к
фотосфере Солнца переносится с помощью конвекции. При этом из области термоядерной
реакции к поверхности должен был бы транспортироваться и дейтерий, как
транспортируется более тяжелый гелий. Однако в солнечной атмосфере этот изотоп
отсутствует полностью. А известно, что даже на Земле, где не протекал
термоядерный синтез, дейтерий в небольшом количестве (один атом на
5 тысяч атомов водорода)
присутствует.
На первом этапе протон -
протонного цикла образуется дейтерий с испусканием позитрона и нейтрино.
Нейтрино - это частица не имеющая заряда, практически лишена массы и передвигающаяся
со скоростью света а потому обладающая фантастической пробивной способностью.
Нейтрино должны беспрепятственно проходить сквозь Землю. Оказывается, можно
построить детектор для солнечного нейтрино и с его помощью определить
интенсивность термоядерной реакции на Солнце. Увы, в попытках уловить солнечные
нейтрино на Земле полная неясность. Одни учёные считают, что солнечные нейтрино
пока не уловлены. Другие считают, что нейтрино ловятся, но в количестве гораздо
меньше расчётного. И, главное, они не той энергии. А, значит, они не протон –
протонного цикла.
Так что вполне вероятно, что
источником энергии служат не термоядерные реакции.
*Принятые обозначения:
-\n –
число в степени n
-Не4 – химический элемент с
массовым числом.
Web-страница geostar21
