7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Об источниках солнечной энергии ученые задумыва­лись давно, и ими было выдвинуто много разных гипо­тез. Дольше других просуществовала гипотеза энерго­выделения за счет сжатия Солнца. Высказанная в 1853 г. Г. Гельмгольцем, она подробно излагалась в книгах по астрономии еще в начале нашего столетия и казалась наилучшей, так как физика просто не знала других более мощных источников энергии. Но при сколь­ко-нибудь детальной разработке обнаружилась и ее не­состоятельность: за счет сжатия от размеров, превосхо­дящих Солнечную систему, и до теперешнего объема Солнце могло бы светить 10 млн., от силы 20 млн. лет2 Между тем целая совокупность геологических, палеон­тологических и других данных свидетельствует, что воз­раст Земли и Солнечной системы не менее 4—5 млрд. лет.

На возрасте Земли следует остановиться немного по­дробнее. Читатель, вероятно, знает о радиоактивном рас­паде. В природных условиях это самопроизвольное пре­вращение ядер одних элементов в ядра других, причем часто продукты распада сами являются радиоактивны­ми, они распадаются, в свою очередь, и т. д. Наблю­даются целые цепочки радиоактивных превращений, и элементы, участвующие в такой цепочке, т. е. генетиче­ски связанные между собой, образуют так называемый радиоактивный ряд, заканчивающийся стабильным, уже нераспадающимся, изотопом. Например, изотоп урана 92U238 после ряда превращений дает стабильный изотоп свинца 82РЬ206, а изотоп 92U235 порождает 82Рb207, тоже стабильный.

Здесь и далее числа справа вверху у символа хими­ческого элемента означают атомные веса, точнее, атом­ные массы. Они равны полному числу нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) в ядре. Числа же слева внизу указывают порядковые номера в периодической системе Менделеева. Напомним, что порядковый номер равен числу протонов в ядре, иначе — заряду ядра в едини­цах элементарного заряда (заряда протона или электро­на). Число электронов в нейтральном атоме, естествен­но, равно его порядковому номеру.

Важнейшая характеристика радиоактивных превра­щений — это период полураспада, т. е. время, в течение которого исходное количество радиоактивного изотопа уменьшится вдвое или, иначе говоря, время, за которое распадается половина атомов образца. Периоды полу­распада хорошо известны на основании физических из­мерений, их значения у различных изотопов разных эле­ментов заключены в весьма широких пределах: по по­рядку величины от долей секунды до 1015 лет (нас здесь интересуют долгоживущие изотопы).

Вернемся теперь к определению возраста. Выберем в горной породе, возраст которой нас интересует, какой-либо минерал (обозначим его через M1), содержащий свинец, но совсем не содержащий урана. Найдем затем в этом минерале относительное содержание изотопов, свинца Pb204, Pb206 и Рb207. Поскольку эти изотопы ста­бильны, изотопный состав свинца в минерале M1 сохра­няется со времени образования минерала. Урана в этом минерале не было с самого начала, иначе благодаря большому периоду полураспада он частично сохранился бы до наших дней.

Выберем теперь в той же породе другой минерал-М2, в котором присутствуют как свинец, так и уран. Изо­топный состав свинца будет иным: будет большее со­держание Рb207 и Рb206 по сравнению с количеством Рb204, который не входит в радиоактивные ряды. По ве­личине избытков Рb207 и Рb206 и зная периоды полурас­пада U235 и U238 (соответственно 7,13•108 и 4,51•109 лет) можно найти возраст породы, т. е. момент, когда она стала квазиизолированной и ее химический состав пере­стал изменяться за счет обмена с окружающей средой. Разумеется, здесь описана только схема; для обеспече­ния большей надежности обычно рассматривают не­сколько разных радиоактивных рядов. А помимо уран-свинцового, существуют также калий-аргоновый, руби­дий-стронциевый и другие методы.

Самые древние среди изученных горных пород на Земле имеют возраст 3,8—3,9 млрд. лет. Возраст наи­более старых лунных пород, доставленных советскими автоматическими станциями и американскими экспеди­циями «Аполлон», оценивается в 4,5—4,6 млрд. лет. Та­кой же возраст свойствен и наиболее старым метео­ритам.

Все перечисленное дает основание считать, что Сол­нечная система образовалась около 4,6 млрд. лет назад. Сам процесс образования Солнца и планет протекал от­носительно быстро, за 100—200 млн. лет. По современ­ным космогоническим представлениям, развитым в по­следние два десятилетия и основанным на многочислен­ных наблюдениях и надежных расчетах, именно такое время требуется для образования молодой звезды из протозвездного облака.

Около 3 млрд. лет назад (по другим данным — 2 млрд. лет) на Земле возникла примитивная жизнь. Такой возраст — от 2,6 до 3,5 млрд. лет — имеют остат­ки бактерий и синезеленых водорослей, находимые в по­родах, сформировавшихся в архейскую эру. Возникно­вение и последующее развитие жизни свидетельствует о том, что за все это время в 2—3 млрд. лет излучение Солнца и освещенность им Земли существенным образом не менялась. Поэтому для понимания физики Солнца нужно было найти такой источник энергии, который обеспечил бы его свечение в течение миллиардов лет.

Выдающийся английский астроном А. Эддингтон, столетие со дня рождения которого недавно отмечалось астрономической общественностью, еще в 1916 г. понял, что источник энергии Солнца нужно искать на «субатом­ном уровне». В своих работах по теории внутреннего строения звезд, основные идеи которых широко исполь­зуются в этой теории до сих пор, он указывал на воз­можность «превращения материи в энергию», но никаких конкретных путей этого превращения описать не мог — физики тогда их просто не знали.

Для иллюстрации последнего интересно процитиро­вать главу XXVI «Астрономии» Рессела, Дэгана и Стю­арта, русский перевод которой вышел в свет в 1935 г.: «В связи с вопросом о поддержании солнечной радиации указывалось, что ни один из известных источников по­тенциальной энергии не смог бы восполнить громадную потерю тепла излучением в течение всего геологического периода и что это тепло должно получаться путем не­прерывного преобразования громадных запасов энергии, еще нам не известных и, вероятно, скрытых в ядре ато­ма. Это заключение можно распространить на все звез­ды, поскольку Солнце, по-видимому, является типичной звездой».

А вот что писал в то время другой выдающийся аст­роном, советский ученый В. Г. Фесенков (1899—1972), комментируя работы Эддингтона в дополнении к назван­ной книге Рессела, Дэгана и Стюарта: «…непонятно, ка­ким образом атомные ядра более или менее сложной структуры могут уничтожаться, давая при этом интен­сивную вспышку энергии. Подобный процесс никогда не наблюдался физиками, не может быть обоснован тео­ретически и, являясь непонятным, не может облегчить понимание внутреннего строения звезды и ее эволюции. «Уничтожение» материи в звездах есть таким образом чисто астрофизическая абстракция, изобретенная толь­ко для того…», чтобы объяснить продолжительность су­ществования звезд.

Но именно эта абстракция, на непонятность которой указывал В. Г. Фесенков, порождаемая проблемой источников энергии Солнца и звезд, и стимулировала возникновение и развитие теории термоядерных реак­ций. Успех был достигнут в 1938—1939 гг., за 6 лет до взрыва первых урановых и за 15 лет до взрыва пер­вых водородных бомб. Именно в это время немецкий физик-теоретик Г. Бете, эмигрировавший в США после прихода фашистов к власти в Германии, рассчитал наи­более вероятные ядерные реакции, идущие в недрах Солнца и звезд.

Решение проблемы источников солнечной и звездной энергии — великолепный и поучительный пример того, насколько важно развитие фундаментальных научных направлений, в которых отдельные проблемы какое-то время (иногда довольно долго) могут быть весьма да­леки от сиюминутных потребностей практики. Значение познания термоядерной реакции трудно переоценить. Сама же идея ее, идея о соединении легких ядер и вы­делении при этом огромной энергии, возникла при ре­шении далекой от практических нужд проблемы источ­ников энергии звезд и Солнца.