1.4. Нуклеосинтез — источник энергии Солнца и звезд

Реакция образования ядер гелия и водорода из нуклонов — первичный нуклеосинтез — происходит и до настоящего времени, например, на Солнце, реализуясь в его центральной части, где температура достигает 10-13 млн. К. При таких температурах атомы теряют свои электронные оболочки, но этого не достаточно для преодоления силы кулоновского отталкивания между ядрами. Протон предохранен от взаимодействия с другим протоном потенциальным энергетическим барьером в 140 кэВ. Этот потенциальный барьер превышает энергию частиц при вышеназванной температуре в 100 раз. Для того чтобы частицы смогли попасть в область сильного взаимодействия, им необходимо сблизиться на расстояние, меньшее 10 м. С точки зрения классической механики, этот барьер непреодолим, а с позиций квантовой механики существует вероятность преодоления барьера. Такую вероятность обеспечивает наличие так называемого туннельного эффекта.

В 1939 г. американский физик Ганс Бете (р. 1906) разработал протонный и позднее азот-углеродный циклы ядерных реакций, по которым осуществляется космический синтез химических элементов. За большие заслуги в области звездной энергетики в 1967 г. ему была присуждена Нобелевская премия.

Первый цикл начинается с реакции взаимодействия двух ядер протонов:

Н¹ + Н¹ → D² +е⁺ +ν (нейтрино)

Образовавшееся ядро тяжелого водорода или дейтерия, соединяется далее с протоном и образует ядро легкого изотопа гелия:

D² + H¹ → He³ + γ (гамма-квант)

Последняя реакция этого цикла состоит в слиянии ядер легкого гелия и освобождении двух протонов:

Не³ + Не³ → Не⁴ + 2Н¹

Этот цикл обеспечивает выход энергии 19,78 МэВ. Так начинается термоядерная реакция, являющаяся, по современным представлениям, источником энергии звезд.

На стадии первичного нуклеосинтеза процесс образования атомных ядер обрывается на изотопе гелия с атомным числом 4. Причина такого ограничения связывается с неустойчивостью к существованию ядер с атомным числом 5 и 8. Этот барьер на пути нуклеосинтеза физики назвали «щелью массы».

Обходной путь появился после того, как в ходе формирования Вселенной возникли крупные звезды типа красных гигантов, массы которых в несколько раз превышают солнечную массу. Водород в них выгорает очень быстро и в центре звезды, где сосредоточен гелий, температура достигает нескольких сотен миллионов градусов. В этих условиях происходят ядерные реакции – реакции углеродного цикла, в результате которых происходит синтез более тяжелых элементов. Эти звезды называют «ядерными кострами» потому, что их горение поддерживается протекающими в недрах реакциями звездного нуклеосинтеза.

В 50-е годы Ф. Хойл, обойдя проблему «щели массы», предложил реакцию образования углерода из трех атомов гелия, которая может реализоваться на определенных стадиях развития некоторых типов звезд. Тогда открывается возможность образования более тяжелых, чем углерод, элементов. Однако теоретические расчеты скорости реакции соединения трех атомов гелия в углерод показали, что она недостаточна для создания наблюдаемого в мире количества тяжелых элементов. Тогда Хойл высказал предположение, что у углерода ¹²С существует возбужденное состояние, энергия которого должна быть близка суммарной энергии трех альфа-частиц. Это доказал позднее американский физик У. Фаулер (р. 1911 г.). Он же определил энергию возбужденного состояния углерода ¹²С, которая оказалась равной 7,654 МэВ, и превысила суммарную энергию трех альфа-частиц на 0,38 МэВ. Реакция объединения трех атомов гелия с образованием возбужденного ядра углерода протекает избирательно со скоростью на несколько порядков выше, чем неизбирательной реакции, создающей ядро углерода в основном состоянии.

Образовавшийся углерод сам способен присоединять одно ядро гелия и образовывать ядро кислорода, затем неона и так вплоть до кремния. Согласно азот-углеродному циклу (шесть реакций), разработанному Бете, реакции синтеза других элементов протекают в следующей последовательности:

С¹² + Н¹ → N¹³ + γ N¹³ → C¹³ + е⁺ + ν

C¹³ + Н¹ → N¹⁴ + γ С¹⁴ + Н¹ → О¹⁵ + γ

О¹⁵ → N¹⁵ +е⁺ + ν N¹⁵ + Н¹ → C¹² + Не⁴

Углерод в этом цикле играет роль катализатора реакций, и синтез осуществляется до кремния. Со временем выгорающее ядро звезды сжимается, и температура в нем повышается до 3-10 млрд. градусов. Уже в этих условиях реакции объединения могут продолжаться вплоть до образования ядер железа, которое имеет самые устойчивые ядра. Далее нуклеосинтез перестает быть источником выделяющейся энергии. Протекание реакций синтеза более тяжелых ядер требует еще больших энергетических затрат и предположительно происходит в оболочках массивных взрывающихся звезд. Тогда в космической среде появляются тяжелые элементы, синтезированные на бывшей звезде, которые могут использоваться при формировании планет.

Представленные взгляды на синтез химических элементов во Вселенной не стоит считать окончательными, поскольку в этой области знаний существует еще большой ряд нерешенных проблем. Однако появление во Вселенной, кроме преобладающих водорода и гелия, всей гаммы химических элементов открыло новый этап в развитии вещества и в формировании его структур. Сегодня в космосе уже обнаружено большое разнообразие органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы аминокислот.