добавлял: «То, что доступно лаборатории имени Кавендиша, не может быть слишком трудным для Солнца». Однако до создания квантовой механики эмоции мало могли помочь в разрешении этого спора.
В 1929 г., вскоре после объяснения Гамовым квантовой природы явления α-распада, выпускники Гёттингенского университета Рудольф Аткинсон и Фриц Хоутерманс указали, что при температурах около 20 млн. градусов протоны за счет туннельного эффекта могут преодолеть кулоновский барьер отталкивания легких ядер и войти в состав нового ядра, выделив при этом довольно большую энергию связи, которая вполне может обеспечить длительную светимость Солнца. Но и эта догадка была несколько преждевременной: пройдет еще 10 лет, прежде чем Ганс Альбрехт Бете (р. 1906 г.) построит последовательную теорию ядерного горения в звездах.
За это время было сделано несколько фундаментальных открытий, без которых его теория была бы невозможной:
1931 г. —Вольфганг Паули высказал гипотезу о существовании нейтрино—нейтральной безмассовой частицы ν.
1932 г. — Гарольд Клейтон Юри открыл тяжелый изотоп водорода дейтерий d (Нобелевская премия 1934 г.).
— Джеймс Чэдвик открыл нейтрон n (Нобелевская премия 1935 г.).
— Карл Дэйвид Андерсон открыл позитрон е+ (Нобелевская премия 1936 г.).
— Дмитрий Дмитриевич Иваненко выдвинул гипотезу о протонно-нейтронной структуре ядра.
1933 г. — Энрико Ферми создал теорию β-распада ядер и ввел в физику новый тип взаимодействий — слабое.
1934 г. — Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность и β-распад протонов в ядрах на нейтрон, позитрон и нейтрино (Нобелевская премия 1935 г.).
Кроме того, за 10 лет квантовая механика стала необходимым и привычным инструментом исследования в атомной и ядерной физике, в физике кристаллов и теоретической химии, а понятия «сечение ядерной реакции» и «резонанс» вошли в повседневный научный обиход.
Опираясь на эти достижения, Георгий Гамов и Эдвард Теллер смогли в 1938 г. осмысленно повторить оценки Аткинсона и Хоутерманса и отнестись к ним серьезно. В апреле 1938 г. Гамов собрал в Вашингтоне небольшую конференцию с участием астрофизиков и ядерных физиков, на которой присутствовали Карл Вейцзеккер и Ганс Бете. Вскоре после этого появились их знаменитые статьи об источниках энергии звезд, которые в 1939 г. завершились обстоятельной работой Бете (Нобелевская премия 1967 г.). Теория Бете проверялась и уточнялась вплоть до середины 50-х годов, и в настоящее время ее суть можно изложить довольно просто. («Нет ничего проще звезды»,— любил повторять Эддингтон.)
В недрах Солнца, где давление достигает 100 млрд. атмосфер, плотность свыше 100 г/см3, а температура — 13—14 млн. градусов, происходит последовательность реакций, известная теперь как протон-протонный или водородный цикл ядерных реакций в звездах:
Самая длительная стадия — первая: пройдет 13 млрд. лет, прежде чем протон найдет себе пару и образует с ним ядро дейтерия — слабосвязанное состояние протона и нейтрона. Это и неудивительно: для этого он должен предварительно превратиться в нейтрон, а скорость такой ядерной реакции p→n+e++v весьма мала, поскольку она определяется слабыми взаимодействиями.
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 α-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 происходит 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 mн=1,007825 а.е.м. уменьшается при этом на
Δm=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 ядерном горении выделится энергия (6,02·1023)·6,5 МэВ = 3,91·1024 МэВ = 6,27·1018 эрг = 6,27·1011Дж.
| Поэтому, чтобы обеспечить мощность излучения 3,8·1026 Вт, в недрах Солнца каждую секунду должно «сгорать» |
|
|
| водорода, масса Солнца уменьшится при этом на607 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
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).
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 (3α- процесс) — замечательна во многих отношениях
