Термоядерні реакції. Загальні зауваження
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
В недрах Солнца происходит превращение, вернее, объединение ядер водорода, протонов, в ядра гелия, или а-частицы. Процесс этот достаточно многоступенчатый, и о том, какими путями он может происходить, будет рассказано несколько позже. Сейчас же рассмотрим это превращение с энергетической точки зрения.
Прежде всего сделаем некоторое отступление и напомним формулу Эйнштейна Е—тс2. Выведенная теоретически, она великолепно выдержала проверку в экспериментах и на практике и является одной из фундаментальных формул в физике. Формула эта показывает связь между полной массой т и полной энергией Е тела или системы и позволяет выражать энергию в единицах массы и наоборот (с — скорость света в вакууме). У нее глубокий не только физический, но и философский смысл, так как она количественно описывает превращение одних форм материи в другие.
Одна из форм материи — это вещество, различные тела, с которыми мы имеем дело в жизни и в научных изысканиях. Проникая все глубже в структуру вещества, мы переходим к молекулам, атомам и элементарным частицам. Для всех элементарных частиц имеются античастицы. Античастица электрона — позитрон, из наблюдений известны антипротон, антинейтрон и т. д. У частицы и античастицы одинаковые массы, но противоположные заряды, направления магнитных моментов по отношению к спину и т. д., в общем, частицу и античастицу можно рассматривать как предмет и его «зеркальное отражение».
Сталкиваясь, частица и античастица аннигилируют, т. е. перестают существовать как зеркально-симметричная пара. В отдельных случаях (например, при столкновении протона и антипротона) могут возникать другие частицы (п-мезоны). А в часто наблюдаемой аннигиляции электрона и позитрона возникают два (изредка больше) кванта электромагнитного излучения в гамма-диапазоне. Особо «жесткие» кванты могут возникать и при протон-антипротонных столкновениях. И в обоих случаях аннигиляции — электрона и позитрона, протона и антипротона — происходит превращение частиц вещества, т. е. например, электрона и позитрона, в другую форму материи — электромагнитное поле.
Энергия возникших гамма-квантов (а значит, их частота и длина волны) определяется формулой Эйнштейна. Наблюдаются и обратные превращения: мощный гамма-квант порождает электронно-позитронную пару, тут вещество возникает из другой формы материи.
Формуле Эйнштейна можно дать и такое толкование. Имея дело с одной формой материи — веществом, мы количественно характеризуем объекты посредством понятия массы. Имея же дело с электромагнитным полем (в частности, с излучением), мы для количественной характеристики берем энергию. Одна форма материи может превращаться в другую, поэтому и излучение можно измерять единицами массы, и количество вещества — единицами энергии. Можно сказать, и многие физики именно так и пишут, что вещество превращается просто в энергию, как в другую, отличающуюся от вещества объективную реальность. Связь между ними и дается формулой Эйнштейна. И мы в дальнейшем тоже будем придерживаться этой формулировки.
Формула Эйнштейна учитывает все виды энергии. Мы уже говорили о массе покоя тела т0. Если же телу сообщить скорость v и, следовательно, кинетическую энергию Eк — m0v2l2, то это приведет к возрастанию его массы приближенно на дельта m = Eкc2 (точные формулы учитывают зависимость Ек от дельтаm).
Вернемся, однако, теперь к недрам Солнца. Масса протона (масса покоя) равна 1,67265•10-24 г, или 1,00728 а. е. м. (Для удобства, чтобы не иметь дела с громоздкими числами, в атомной физике введена атомная единица массы 1 а. е. м. = 1,66057•10-24 г.) Масса а-частицы, в которую превращаются, соединяясь, четыре протона, равна 4,00149 а. е. м. При каждом акте образования одной а-частицы 0,02763 а. е. м. = 4,588•10-26 г превращается в энергию, причем выделяется 4,588 X10-26r•9.1020см2/с2=4,129•10-5эрг = 25,8 МэВ. Дефект массы, отнесенный к одному протону, вступающему в реакцию образования а-частицы, составляет 0,00691 а. е. м=0,1148•10-25 г, или 0,00686~0,7% от массы протона. Можно легко рассчитать, что превращение в гелий всего лишь 1 г водорода даст 0,00686 г• 9•1020см2/с = = 6,17•1018 эрг=6,17•1011 Дж= 1,48•1011 кал (поскольку 1 кал = 4,1854 Дж).
Сравним это с теплотворной способностью некоторых видов обычного топлива. Донецкий антрацит дает 7200 кал/г, бензин и керосин — 11 000 кал/г, совершенно сухие дрова — 4400 кал/г. Легко видеть, что превращение в гелий 1 г водорода дает столько же энергии, сколько сжигание 20 т лучшего каменного угля.
Светимость Солнца составляет 3,82•1033 эрг/с. Для ее обеспечения нужно, чтобы ежесекундно в гелий превращалось (3,82•1033)/(6,17•1018) =6,19•1014 r примерно 600 млн.т водорода. Это, конечно, громадное количество по земным меркам, но совсем незначительное по астрономическим. Посмотрим, например, на сколько лет при таком расходовании хватит солнечного водорода, причем не всего, а, скажем, 10% от его полного количества. Масса Солнца 2•1033 г, водород в нем по массе около 70%, отсюда
