Термоядерное оружие

Глава 2. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Теперь, когда читатель познакомился с атомным оружием и атомной энергией, ему будет легче понять сущность термоядерных реакций и устройство термоядерного оружия, основанного на использовании этих реакций.

Ядерные частицы — протоны и нейтроны обычно объединяют общим названием — нуклоны. Общее число нуклонов в ядре, как мы уже знаем, называется массовым числом. Массовое число, округленное до целого числа, равно атомному весу элемента (точнее атомному весу определенного изотопа), а число протонов равно его порядковому номеру в периодической системе Д. И. Менделеева.

Ядро легкого изотопа водорода (элемент № 1) является протоном. Это — единственный изотоп, в составе ядра которого нет нейтронов.

В ядрах других изотопов водорода — дейтерия и трития — наряду с протонами имеются и нейтроны.

Дейтерий содержится в природном водороде и, следовательно, во всех химических соединениях, содержащих водород, в частности в воде.

Тритий распадается, испуская бета-частицы. Период его полураспада равен 12,4 года. В природе тритий имеется в ничтожных количествах; он образуется в результате действия космических лучей. С кислородом тритий образует воду, которая в виде дождя или снега падает на землю, примешиваясь в ничтожном количестве к воде, находящейся на земной поверхности. Опыты показали, что тритий содержится лишь в верхних слоях воды океанов (1 атом трития приходится на миллиард миллиардов атомов водорода) и отсутствует в воде, взятой с глубины более 100 м.

Изотопы одного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами. Например, при горении все изотопы водорода образуют воду. В зависимости от изотопа водорода, входящего в состав воды, различают обычную, тяжелую и сверхтяжелую (тритиевую) воду.

Сравним теперь ядерные реакции с химическими и познакомимся с возможными типами реакций.

Химические реакции могут идти одновременно в прямом и обратном направлении. Так, при горении газа водорода происходит химическая реакция соединения водорода с кислородом с образованием воды. Одновременно с этой реакцией происходит и обратная реакция: некоторые молекулы воды распадаются на водород и кислород, то есть происходит реакция разложения воды. Однако при горении водорода число распадающихся молекул воды совершенно ничтожно по сравнению с числом молекул воды, образующихся в результате горения. В таких случаях обычно пренебрегают обратным процессом и учитывают только прямой процесс.

Подобное явление наблюдается и при ядерных реакциях. В недрах Солнца и звезд происходит ядерная реакция, в результате которой из ядер атомов водорода образуются ядра атомов гелия. При этом выделяется огромная энергия. Принципиально возможен и обратный процесс — разложение ядра гелия на 4 нуклона. Для этого процесса требуется затрата энергии. Одновременно с соединением ядер атомов водорода в недрах Солнца и звезд происходит и распад атомов гелия, но число распадающихся атомов ничтожно по сравнению с числом соединяющихся. Поэтому этим медленным обратным процессом обычно пренебрегают. Однако при изменении температуры и других условий возможно повышение роли обратного процесса как в химических, так и в ядерных реакциях. Практически весь процесс может даже изменить свое направление.

При различных химических реакциях может выделяться энергия в виде тепла (например, при реакции горения угля) или энергия может поглощаться (например, при разложении окиси железа на металлическое железо и кислород). Химические реакции, которые проходят с выделением тепла, называют экзоэнергетическими или экзотермическими, а реакции, идущие с поглощением тепла, — эндоэнергетическими или эндотермическими.

Энергия движущихся тел, например энергия движения электропоезда или летящего снаряда, называется кинетической энергией. Виды энергии, не связанные с видимым движением, называют потенциальной энергией. На рис. 10 показаны три положения гири — на шкафу, на полке и на полу. Когда мы, производя работу, поднимаем гирю с пола на уровень шкафа, то затраченная нами энергия не пропадает — она превращается в потенциальную энергию гири. Эта потенциальная энергия, связана с существованием силы притяжения гири к земле. Если устранить силу, не дающую гире упасть, то потенциальная энергия гири полностью или частично перейдет в кинетическую энергию.

При падении гири со шкафа на полку лишь часть запасенной потенциальной энергии перейдет в кинетическую. При падении же гири на пол весь запас потенциальной энергии окажется израсходованным.

Когда происходит реакция соединения водорода с кислородом, освобождается потенциальная (скрытая химическая) энергия, которая может перейти в тепло, электрическую, кинетическую или другие виды энергии. При этом потенциальная энергия может лишь частично перейти в тепло, если водород с кислородом образуют перекись водорода, как схематически показано на рис. 10,б. Если водород с кислородом образуют воду, то потенциальная химическая энергия полностью переходит в тепло или другие виды энергии. В этом примере потенциальная энергия связана с наличием междуатомных химических сил притяжения, имеющих электрическую природу.

Так как нуклоны притягиваются друг к другу с огромной силой, то всегда при образовании из них различных ядер освобождается потенциальная ядерная энергия, которая переходит в тепло, лучистую и другие виды энергии.

Если 92 протона и 143 нейтрона соединятся, образовав ядро урана 235, то при этом выделится не вся потенциальная ядерная энергия протонов и нейтронов, как схематически показано на рис. 10,в. Чтобы израсходовалась вся потенциальная энергия протонов и нейтронов, они должны образовать ядра ксенона 141 и стронция 92. Ясно, что в ядре урана 235 еще заключается некоторый запас потенциальной ядерной энергии, которая и выделяется при его расщеплении с образованием ядер ксенона 141, стронция 92 и трех нейтронов. При этом потенциальная ядерная энергия переходит в кинетическую энергию движения образовавшихся частиц и в другие виды энергии.

Рассмотренные три примера перехода потенциальной энергии в другие виды энергии имеют много общих черт. Это указывает на существование общего закона природы, управляющего подобными процессами.

Рассмотрим теперь процессы перехода потенциальной химической и ядерной энергии в другие виды энергии с иной точки зрения.

Ясно, что чем больше химические силы, связывающие атомы в молекуле вещества, тем большее количество энергии выделится при образовании соответствующих химических соединений и тем устойчивее будут молекулы этих соединений. Так, химические силы, связывающие атомы водорода и кислорода в молекуле воды, весьма велики, вследствие чего при образовании воды из водорода и кислорода выделяется большая энергия — около 30 000 кал тепла на 1 г водорода. Эта энергия называется энергией связи атомов.

Химические силы, действующие между водородом и кислородом в молекуле перекиси водорода, несколько меньше. При образовании перекиси водорода из водорода и кислорода на каждый грамм участвующего в реакции водорода выделится только около 20 000 кал. Значит, молекулы перекиси водорода менее устойчивы, чем молекулы воды. Именно поэтому перекись водорода самопроизвольно может разлагаться на кислород и воду.

Одним из важнейших законов природы является закон сохранения энергии. Этот закон гласит: энергия не создается из ничего и не исчезает; она только может переходить из одного вида в другой. Из этого закона мы можем сделать практический вывод для нашего примера. Если на 1 г водорода при образовании воды выделяется 30 000 кал тепла, а при образовании перекиси водорода — 20 000 кал, то, следовательно, согласно закону сохранения энергии при разложении перекиси водорода с образованием воды и кислорода выделится 10 000 кал тепла на 1 г водорода.

Такие химические соединения, как взрывчатые вещества, отличаются недостаточно прочными связями между атомами. Молекулы взрывчатых веществ неустойчивы и могут распадаться, образуя более простые, но более устойчивые вещества.

Следовательно, при химических реакциях энергия в одних случаях выделяется при образовании сложных веществ из более простых (такая реакция называется синтезом или реакцией соединения), а в других случаях — наоборот, при распаде неустойчивых сложных веществ (такая реакция называется реакцией разложения).

Подобные явления наблюдаются и при ядерных процессах, только, энергия, освобождающаяся при этом на 1 г вещества, в миллионы раз превосходит величину химической энергии, приходящейся на 1 г вещества, вступающего в химическую реакцию.

При делении некоторых тяжелых ядер (например, урана, плутония) выделяется огромное количество энергии. Известны случаи, когда энергия выделяется при образовании сложных ядер из более простых или из протонов и нейтронов, например, внутри Солнца и звезд или при взрыве термоядерных бомб.

Несколько примеров ядерных реакций синтеза, при которых выделяются огромные количества энергии, приведено в табл. 2.

Таблица 2

Из этой таблицы видно, что ядра урана являются менее устойчивыми, чем ядра молибдена или олова. Малоустойчивые ядра могут распадаться, образуя ядра более устойчивых элементов. Ядра урана, например, могут распадаться на ядра бария и криптона или на ядра олова и молибдена. Так как при синтезе ядер атомов олова и молибдена выделяется 198 млрд. кал, а при синтезе урана — 177 млрд. кал на 1 г вещества, то при образовании олова и молибдена в результате распада урана выделится согласно закону сохранения энергии: 198–177=21 млрд. кал на 1 г вещества. Примерно такое же количество энергии освобождается при делении 1 г плутония.

Подобные расчеты могут быть выполнены с помощью кривой, изображенной на рис. 11, где показано, сколько энергии выделяется на каждый грамм вещества при образовании из протонов и нейтронов элементов периодической системы Д. И. Менделеева. На горизонтальной оси отложены массовые числа, а на вертикальной оси слева — энергия в миллиардах калорий, выделяющаяся на каждый грамм образовавшегося элемента.

Пользуясь этой кривой, легко определить, сколько энергии выделяется или поглощается при любых ядерных реакциях. Предположим, например, что нам нужно определить, сколько выделяется энергии при ядерной реакции водорода с литием, которая идет по уравнению:

Как показывает уравнение, при этой реакции из каждого ядра водорода и семи нуклонов, составляющих ядро лития с атомным весом 7, образуются два ядра гелия с атомным весом 4. Следовательно, при этой реакции из 1 г водорода и 7 г лития образуется 8 г гелия.

Из рис. 11 видно, что при образовании ₃Li⁷ из протонов и нейтронов на 1 г лития выделяется 128 млрд. кал и, следовательно, на 7 г 128×7=896 млрд. кал. При образовании же ₂Не⁴ на 1 г выделяется 165 млрд. кал, а на 8 г 165×8=1320 млрд. кал.

Ясно, что приведенная выше ядерная реакция будет сопровождаться выделением огромной энергии: 1320-896=424 млрд. кал на 8 г вещества, или 53 млрд. кал на каждый грамм вещества.

Вычислим еще, сколько энергии выделяется при реакции дейтерия с тритием, идущей по схеме:

Из этого уравнения следует, что из двух граммов дейтерия и трех граммов трития образуется 4 г гелия и 1 г нейтронов.

При образовании дейтерия на 1 г выделяется 25 млрд. кал, а на 2 г — 50 млрд. кал. Тритий образуется с выделением 3×64=192 млрд. кал на 3 г. При образовании 4 г гелия освобождается 4×165=660 млрд. кал. Следовательно, при упомянутой ядерной реакции взаимодействия дейтерия с тритием выделится 660-50-192=418 млрд. кал.

Значит, при рассматриваемой ядерной реакции на 1 г вещества выделяется более 80 млрд. кал. Как уже было сказано, при делении урана на 1 г ядерного горючего освобождается 21 млрд. кал. Таким образом, на 1 г вещества при ядерной реакции протон — литий и при реакции дейтерий — тритий выделяется соответственно в 2,5 и в 4 раза больше энергии, чем при делении урана или плутония.

Теперь познакомимся с законом взаимосвязи массы и энергии.

Как известно, энергия и масса являются свойствами материи. Энергия может передаваться частицами вещества другим частицам вещества (молекулам, атомам, электронам и т. д.) или материальным частицам света, которые называются фотонами или квантами.

В 1905 году А. Эйнштейн установил закон взаимосвязи между энергией и массой. Согласно этому закону всякая передача энергии от одной частицы материи к другой сопровождается передачей соответствующей массы. Эта взаимосвязь выражается формулой

Скорость света в пустоте равна около 30 000 000 000=3∙10¹⁰ см/сек.

Когда какое-нибудь тело передает энергию другому телу, то масса первого тела уменьшается, а второго тела увеличивается. Таким образом, совершается одновременный переход массы и энергии от одного тела к другому. О величине переданной энергии можно судить по уменьшению массы первого тела.

Например, уменьшение массы на 0,001 г согласно закону Эйнштейна свидетельствует об отдаче энергии =0,001∙9∙10²⁰ = 9∙10¹⁷ эргов=22 млрд. кал[6].

Таким образом, количество выделяющейся при ядерных реакциях энергии можно определить по уменьшению массы вступающих в реакцию атомов. Значительная часть данных, по которым построена кривая на рис. 11, получена с помощью формулы Эйнштейна.

Рассчитаем величину энергии, выделяющейся при образовании гелия из протонов и нейтронов по реакции

Точный атомный вес протона — 1,00812, а атомный вес нейтрона — 1,00893. Вес двух протонов и двух нейтронов в атомных единицах равен, следовательно, 4,0341. Точный же атомный вес образовавшегося гелия меньше этой величины, он равен 4,0039.

Таким образом, при образовании 4 г гелия по указанной реакции окружающей материи будет передана масса, равная 4,0341-4,0039=0,0302 г, что соответствует передаче около 660 млрд. кал. Такое количество энергии получается при сгорании 80 т антрацита.

Из приведенного расчета следует, что при образовании 1 г гелия выделяется 660:4=165 млрд. кал. Именно этой величине на левой шкале рис. 11 и отвечает положение ₂Не⁴ на кривой.

Из графика рис. 11 видно, что наибольшее количество энергии выделяется при образовании ядер с атомными весами приблизительно от 40 до 120. Поэтому ядра атомов с такими атомными весами и являются наиболее прочными — разложить или соединить в более тяжелые ядра их можно только с затратой большой энергии.

Ядра атомов, расположенных в начале и в конце периодической системы элементов, образуются с меньшим выделением энергии, поэтому они и являются менее устойчивыми.

Ядра урана и других тяжелых элементов могут делиться, превращаясь в более легкие ядра элементов, расположенных в середине таблицы Менделеева. При этом выделяется большое количество энергии.

Еще большее количество энергии выделяется при образовании гелия и других легких элементов из нуклонов. Следует отметить относительную прочность гелия по сравнению с другими легкими элементами, например литием и бериллием. Поэтому гелий резко выпадает из кривой графика на рис. 11.

Из сказанного следует, что энергия любой ядерной реакции может быть вычислена при помощи закона Эйнштейна, если известны массы исходных и получающихся в результате реакции изотопов.

От обнаружения давно уже известного ученым большого выделения энергии при ядерных превращениях до практического осуществления ядерных реакций был еще большой и трудный путь. В самом деле, достаточно, например, поджечь один раз массу угля, обеспечив доступ кислорода, чтобы реакция шла, поддерживая сама себя. Ясно, что если бы приходилось вновь «зажигать» каждую молекулу углерода, то каменный уголь не имел бы практического использования. Точно так же если бы реакция деления урана не оказалась самоподдерживающейся, то есть цепной, то она не нашла бы практического применения. Но, как известно, при захвате нейтрона ядром урана 235 последнее может разделиться, причем обычно образуются два «осколка» и два или три (в среднем 2,5) нейтрона. Иногда после захвата нейтрона ядро урана не испытывает деления; оно в данном случае отдает избыточную энергию в виде гамма-кванта и стабилизуется, образуя ядро более тяжелого изотопа урана 236. При попадании медленного нейтрона в ядро урана 235 вероятность деления равна 84%, а вероятность образования урана 236 составляет 16%. Поэтому на каждый израсходованный нейтрон образуется не 2,5 новых нейтрона, а только 0,84∙2,5=2,1 нейтрона.

Таким образом, в результате деления урана появляются такие же частицы, которые вызвали первичный акт деления да еще в большем количестве. Эти нейтроны, как уже было сказано, способны вызвать дальнейшее цепное развитие ядерной реакции деления, приводящей при определенных условиях к взрыву. Следовательно, взрыв, происходящий в атомной бомбе, является цепным взрывом.

Теорию цепных взрывов на примере химических реакций разработал в 1928 году академик Н. Н. Семенов. Он же показал, что в случае химических процессов, кроме цепных взрывов, возможны также взрывы иной природы, так называемые тепловые взрывы. За эти выдающиеся работы Шведская академия наук присудила Н. Н. Семенову в 1956 году Нобелевскую премию.

Тепловые взрывы происходят в химических системах, в которых скорость реакций сильно возрастает с ростом температуры и в то же время реакции сопровождаются значительным выделением тепла. В таких системах начало реакции приводит к разогреву. Этот разогрев обусловливает ускорение реакции. Скорость выделения тепла при этом возрастает, а следовательно, возрастает и разогрев. В конечном счете скорость выделения тепла начинает превышать скорость отвода тепла и происходит тепловой взрыв. Примерами таких систем являются различные пороха, смесь паров бензина с воздухом при высоких давлениях, смесь водорода и кислорода («гремучая смесь») и т. д.

Так, если взять гремучую смесь, то есть такую смесь водорода и кислорода, в которой на каждую молекулу кислорода приходится по две молекулы водорода, то такое соотношение будет наиболее благоприятным для протекания химической реакции соединения водорода с кислородом с образованием воды. Однако, кроме удачного соотношения числа молекул этих газов (или их веса), для быстрого протекания реакции необходимы определенные температурные условия. При обычной температуре эта реакция будет происходить так медленно, что прошли бы годы, а в воду не превратилась бы и сотая часть газовой смеси. Если же поджечь эту смесь, например, искрой, то произойдет взрыв. Это значит, что достаточно сильно нагреть гремучую смесь в одном месте, чтобы в этом месте реакция ускорилась в миллиарды раз. В дальнейшем данная реакция сама себя поддерживает, так как в процессе образования молекул воды выделяется много тепла.

Подобные явления могут быть и при ядерных превращениях. В этих случаях тоже требуется «зажигание», то есть начальное нагревание, но для того, чтобы температура влияла на скорость ядерных реакций, здесь нужны температуры порядка миллионов и десятков миллионов градусов. Когда же в результате зажигания ядерная реакция начнется, тогда уже будет выделяться достаточно тепла для поддержания ее хода. Ядерные реакции такого типа и называются термоядерными.

До того, как появились урановые бомбы, не существовало методов получения столь высоких температур. Поэтому практическое осуществление искусственных термоядерных реакций стало реальным лишь после появления атомных бомб, хотя в существовании таких реакций ученые были уверены еще до открытия деления урана.

В термоядерных реакциях принимают участие ядра атомов, которые, как известно, заряжены положительным электричеством. При движении через вещество эти ядра взаимодействуют с окружающими атомами и молекулами, что часто связано с перераспределением энергии. Поэтому, прежде чем перейти к подробному разбору особенностей термоядерных реакций, рассмотрим те явления, которые происходят при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.

Поскольку всякое вещество построено из атомов, а атомы состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронных оболочек, постольку всякая заряженная частица, пролетающая через вещество, должна взаимодействовать с электронами и ядрами, вызывать так называемую ионизацию вещества, а в «благоприятных» случаях и ядерную реакцию. Процесс ионизации вещества состоит в том, что в результате действия таких частиц электроны срываются с нейтральных атомов, причем последние превращаются в положительные ионы, то есть атомы, лишенные одного или нескольких электронов. Оторвавшиеся электроны или «налипают» в дальнейшем на другие нейтральные атомы, превращая их в отрицательные ионы (атомы с избыточными электронами), или же остаются свободными.

Процесс ионизации требует затраты энергии от нескольких десятков тысяч до нескольких сотен тысяч калорий на каждый грамм вещества. Значительно бóльшую энергию необходимо затратить для осуществления ядерной реакции положительно заряженной частице, приближающейся к одноименно заряженному атомному ядру, на преодоление действующих между ними электрических сил отталкивания.

Происходящие при этом процессы схематично изображены на рис. 12. Здесь сравниваются случаи перекатывания шара через барьер и приближения альфа-частицы к заряженному атомному ядру.

Если шар 1 катится на барьер медленно, с небольшим запасом энергии (рис. 12, а), то он, достигнув некоторой точки 2, остановится и покатится обратно. Если же этот шар обладает большим запасом энергии и движется с большой скоростью, то он достигнет вершины 3 и преодолеет барьер.

Точно так же альфа-частица, летящая с небольшой скоростью, отталкивается от атомного ядра и летит обратно (рис. 12, б). Лишь в том случае, если частица обладает необходимым запасом энергии и летит достаточно быстро, она может преодолеть электрические силы отталкивания и проникнуть в ядро, как показано на рис. 12, в.

Чтобы могла произойти ядерная реакция, частица должна приблизиться к ядру на расстояние около одной миллиардной доли микрона[7], когда уже начинают действовать ядерные силы. Для этого частица должна обладать очень высокой кинетической энергией. Так, например, электрическая энергия отталкивания, которую необходимо преодолеть протону при приближении к другому протону, чтобы сказалось действие ядерных сил, составляет около 12 млрд. кал на 1 г протонов. Соответственная энергия при приближении протонов к ядрам углерода достигает уже 45 млрд. кал.

Величину энергии, которую необходимо затратить, чтобы частица могла проникнуть в ядро, часто называют энергетическим «барьером», окружающим ядро.

Как показывают расчеты, ядерное взаимодействие возможно и тогда, когда относительная энергия сталкивающихся частиц ниже высоты барьера, однако в этом случае вероятность ядерной реакции мала. Такая частица, подходя к ядру, обычно отталкивается от него под влиянием электростатических сил. Лишь в редких случаях недостаточно быстрая частица проникает в ядро. В огромном большинстве случаев положительно заряженные частицы успевают израсходовать свою кинетическую энергию, замедляются и, захватив электроны, превращаются в нейтральные атомы.

Такое расходование кинетической энергии происходит по той причине, что заряженные частицы, проходя через вещество, взаимодействуют с электронами, вырывая их из атомов вещества, то есть производя ионизацию.

Ионизирующих столкновений происходит много. Поэтому общая потеря энергии на ионизацию за очень короткое время достигает большой величины. Применяемая для обстрела ядра быстролетящая альфа-частица обладает энергией порядка 5–6 Мэв. На ионизацию каждой молекулы азота или кислорода воздуха расходуется приблизительно 33 эв. Следовательно, одна частица производит десятки и сотни тысяч ионизаций. Вследствие ионизационных потерь энергии путь, проходимый заряженными частицами в веществе — так называемый пробег частиц, оказывается весьма коротким (для альфа-частиц в воздухе он составляет 5–7 см), и на этом пути обычно не происходит ядерное взаимодействие.

Таким образом, при энергиях бомбардирующих частиц ниже высоты «барьера» ядерное взаимодействие почти совершенно отсутствует, а при энергиях бомбардирующих частиц выше «барьера» ядерное взаимодействие хотя и проявляется, но далеко не может восполнить затраты энергии на ионизацию. Поэтому для осуществления, например, упоминавшейся ядерной реакции взаимодействия ядра протона с атомом лития при обычных температурах необходимо бомбардировать литий специально ускоренными для этой цели протонами, как это было сделано в 1932 году в Англии и в СССР. Осуществление этой ядерной реакции было первым экспериментальным подтверждением закона взаимосвязи массы и энергии.

Так как в данном случае подавляющая часть ускоренных протонов растрачивает свою энергию на ионизацию атомов лития и поэтому не принимает участия в ядерной реакции, то освобождающаяся при этих опытах ядерная энергия оказывается гораздо меньше затрат энергии на ускорение пучка протонов.

Положение существенно меняется при сверхвысоких температурах порядка миллионов градусов. При таких температурах атомы самых легких элементов — водорода, гелия, лития — оказываются полностью ионизированными, то есть среда, содержащая такие легкие элементы, состоит из атомных ядер и свободных электронов, находящихся в тепловом движении. В этих условиях заряженные частицы не расходуют своей энергии на ионизацию. Сама же энергия частиц при сверхвысоких температурах резко возрастает. Так, энергия теплового движения при температуре в 1 млн. градусов достигает 3 млн. кал, а при 10 млн. градусов — 30 млн. кал на каждый грамм водорода.

Совокупность указанных обстоятельств создает при сверхвысоких температурах необходимые условия для проведения термоядерных реакций в больших масштабах. При этом, чем более тяжелые элементы участвуют в реакции, тем более высокая требуется температура и тем труднее ее поддерживать. Это объясняется тем, что «барьер», который необходимо преодолеть заряженной частице, чтобы проникнуть в ядро, повышается при возрастании заряда ядра и, следовательно, порядкового номера. Кроме того, для элементов с большими порядковыми номерами становится все труднее обеспечить полную ионизацию, отсутствие которой приводит к возникновению ионизационных потерь и понижению температуры.

Следует отметить, что понятие о термоядерных реакциях существовало в науке задолго до того, как последние были практически осуществлены. В 1936 году учеными была разработана теория, объяснившая происхождение энергии звезд и, в частности, Солнца сложным рядом термоядерных реакций с участием водорода, углерода, азота и кислорода, которые приводят в конечном счете к образованию гелия. По современным представлениям преобразование ядер водорода в ядра гелия (синтез одного ядра гелия из четырех ядер водорода) является основным источником энергии, излучаемой звездами и Солнцем. Для краткости нередко говорят об образовании из водорода гелия, подразумевая образование из ядер водорода ядер гелия.

Познакомимся с термоядерными реакциями, происходящими в недрах Солнца.

Далеко не каждый знает, что Солнце — тело не твердое и не жидкое, а газообразное. Солнце представляет собой гигантский огненный шар, состоящий наполовину из водорода. Так как водород является легчайшим из всех известных элементов, то при любых температурах движущиеся молекулы, атомы или ядра атомов водорода обладают наибольшими скоростями. В недрах Солнца царят огромное давление и колоссальная температура, достигающая приблизительно по новым данным 13 млн. градусов. Давление здесь столь огромно, что даже газообразный водород сжат в такой степени, что его плотность в 7 раз больше плотности свинца.

В таких условиях в недрах Солнца, как и в недрах звезд, происходят термоядерные реакции взаимодействия ядер атомов водорода с другими элементами. Приведем один из возможных циклов солнечных реакций (табл. 3).

Таблица 3

В недрах Солнца сначала к углероду 12 присоединяется ядро атома водорода — протон. В результате этой ядерной реакции получается азот 13. Затем неустойчивый азот 13 превращается в углерод 13, при этом выделяется атомная энергия в виде гамма-излучения и позитронов. Далее углерод 13 соединяется еще с одним протоном, в результате чего получается азот 14 (это — обычный азот, основная составная часть воздуха). Азот 14 соединяется с третьим протоном, образуется кислород 15, который является неустойчивым и превращается в азот 15 с выделением новой огромной порции энергии в виде гамма-излучения и позитронов. Азот 15 вступает в реакцию с четвертым протоном. Получается углерод 12 и гелий 4.

Итак, в результате всего цикла реакций образуется такое же ядро углерода 12, которое было израсходовано в начале цикла. Значит, в результате всего цикла реакций количество углерода не изменилось. Что же изменилось? В процессе цикла четыре протона постепенно соединились, образовав атом гелия, при этом выделилась колоссальная энергия в виде быстролетящих позитронов и гамма-лучей. Следовательно, под циклом можно подвести итоговую черту и написать суммарный результат цикла солнечных ядерных превращений, как это показало в приведенной таблице. Энергия, выделяющаяся при превращении протонов (или атомов водорода) в гелий, в несколько раз превышает энергию, получающуюся при расщеплении атомов урана или плутония.

Отдельные реакции указанного солнечного цикла имеют неодинаковую продолжительность. Весь цикл в целом занимает десятки миллионов лет. На Солнце такие процессы идут беспрерывно — одни атомные ядра участвуют в начале цикла, другие в это время уже завершают цикл и т. д. Поэтому на Солнце постоянно образуется гелий и выделяется энергия.

В недрах Солнца и звезд происходит и другой цикл ядерных превращений. Два протона соединяются, причем испускается позитрон и образуется дейтрон по реакции

Дейтрон с протоном образуют легкий изотоп гелия, причем освобождающаяся энергия испускается в виде гамма-кванта

Наконец, при столкновении двух ядер гелия 3 образуется гелий 4 и два протона по реакции

Этот цикл приводит к образованию гелия из водорода и, следовательно, также сопровождается выделением большого количества энергии. Есть основания считать, что, по-видимому, протон-протонный цикл играет более существенную роль в поддержании высокой температуры Солнца, нежели углеродно-азотный цикл.

Выделяемая Солнцем энергия распространяется в мировом пространстве во все стороны в виде лучистой энергии. За счет этой энергии нагреваются близкие к Солнцу планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Лишь небольшая доля излучаемой Солнцем энергии падает на Землю, нагревая главным образом ее поверхность. В листьях растений при участии солнечной энергии, в основном из углекислого газа и из воды, создается организм растения. Некоторые животные питаются только растительной пищей — растениями, созданными при участии Солнца. Многие животные и человек питаются пищей растительного и животного происхождения. Следовательно, без солнечной энергии не было бы первоисточника пищи для всего живого на Земле. Солнце — один из источников жизни на Земле, благодаря энергии Солнца возникли существующие на Земле формы жизни. Солнце является не только источником жизни, но и источником почти всех видов энергии на земле. Дерево, торф, уголь и, по-видимому, нефть произошли при участии солнечной энергии.

Лучи Солнца приносят на Землю в течение года значительно большее количество энергии, чем могли бы дать все земные ресурсы ядерных (уран, торий) и химических видов топлива. Человеком, животными и растениями используется лишь ничтожная часть падающей на Землю энергии Солнца.

Солнечные лучи уносят с собой часть массы Солнца. В общей сложности Солнце теряет 4 млн. т массы каждую секунду. Однако Солнце огромно, и можно не беспокоиться о том, что оно может скоро угаснуть. Достаточно сказать, что за несколько миллиардов лет только 2–3% водорода Солнца превратилось в гелий. Следовательно, запас ядерного горючего на Солнце практически неисчерпаем.