ТЕРМОЯДЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЗВЕЗДНОЙ ЭНЕРГИИ

Термоядерными называются такие реакции, которые выражаются в перестройке атомных ядер, причем необходимая для протекания реакции энергия берется из теплового движения элементарных частиц. Последнее не нужно понимать так, что энергия теплового движения расходуется на реакцию. Как и химические, ядерные реакции могут быть эндоэргическими (с затратой энергии) и экзоэргическими (с выделением энергии). Конечно, в качестве источника звездной энергии могут служить лишь экзоэргические ядерные реакции. Но для того чтобы реакция могла осуществиться, нужно, чтобы та или иная взаимодействующая частица — протон (мы в дальнейшем будем обозначать его через р) или -частица — обладала кинетической энергией, достаточной для проникновения через потенциальный барьер ядра. В лабораторных условиях эта энергия создается в различных ускорителях, в звездах ее источником является тепловое движение. Заметим, что при температурах, встречающихся в недрах звезд, энергия движения протона достигает десятка-двух килоэлектрон-вольт. Столь малые значения энергии в ускорителях не применяются и потому отношение ядер к частицам столь низкой энергии определяют путем экстраполяции от более высоких значений. Как уже неоднократно указывалось ранее, в газе всегда имеются частицы, обладающие энергией, значительно превышающей среднюю энергию, возникающую из максвелловского закона распределения скоростей.

Вероятность осуществления той или иной реакции в сильнейшей степени зависит от температуры. Но эта же вероятность очень сильно возрастает, если захватываемая частица обладает энергией, равной энергии одного из уровней ядра при его возбуждении.

Тогда происходит так называемый резонансный захват. Для расчета хода реакции и особенно ее скорости чрезвычайно важно знать, имеется ли резонанс в данной области значений энергии движения частиц, а это, как мы видели выше, для звездного уровня энергии не поддается прямому экспериментальному определению.

Количественно выделение энергии сопровождается уменьшением массы взаимодействующих частиц согласно закону Эйнштейна

    (17.11)

Так, например, если образуется одно ядро дейтерия из двух протонов, то окончательный продукт — дейтерон — имеет массу 2,014191, тогда как масса исходного материала — двух протонов — равна 2,015192 атомной единицы, т. е. на 0,001001 атомной единицы больше. С другой стороны, дейтерон состоит из протона и нейтрона, массы которых соответственно равны 1,007596 и 1,008984, что в сумме составляет 2,016580, а это на 0,002389 больше действительной массы дейтерона. Последняя величина, именуемая упаковочным эффектом, эквивалентна - такую энергию нужно внести в дейтерон, чтобы вновь разделить его на протон и нейтрон. Такова, очевидно, энергия связи дейтерона, необходимая для его устойчивости. При всех возможных ядерных превращениях в форму энергии может перейти не больше чем доля массы, но даже это составляет на 1 г вещества, в то время как запас тепловой и гравитационной энергии у Солнца, например, порядка . При существующей сейчас скорости генерации энергии в Солнце запаса в хватило бы на лет в будущем и на столько же в прошлом, что обеспечивает всю длительность истории Земли. В этом расчете принимается, что лишь половина вещества звезды состоит из водорода, рассматриваемого как «горючее» для звезды. Кроме того, для протекания термоядерных реакций обстановка благоприятна главным образом вблизи центра, где температура высока. Если в среднем Солнце излучает около , то истинная мощность термоядерных реакций, осуществляемых частью массы звезды, может достигать 20—30 эрг/(г•с). С этими поправками запаса энергии в хватит на лет, что также вполне приемлемо.