В недрах Солнца

Солнце состоит главным образом из водорода и гелия. Глубоко под наружным сверкающим покровом светила царит температура, равная примерно 13 миллионам градусов. При таких условиях солнечное вещество не может быть похожим на обычный газ. Бешено мчащиеся и сталкивающиеся атомы вдребезги разбиваются. Получается плотное скопище осколков атомов-атомных ядер и электронов. Эту смесь физики называют плазмой.

В глубинах Солнца ядра атомов водорода - протоны - нередко налетают друг на друга. Порой они сталкиваются с сильного разгона. Но, несмотря на огромную температуру и, следовательно, высокие скорости теплового движения, лишь в редчайших случаях (раз в несколько миллиардов лет) столкнувшиеся протоны получают способность пробить броню взаимного электрического отталкивания.

Любопытно отметить, что такие события происходят не по законам обычной механики, которую вы изучаете в средней школе. Тесное сближение протонов оказывается возможным, вопреки традиционным представлениям "классической" физики. Здесь выходит на сцену квантовая механика - наука о движении и взаимодействии мельчайших материальных частиц. По законам квантовой механики, атомные ядра приобретают способность как бы "проскальзывать" через электрическую броню, преодолевать ее, даже не имея для этого достаточного, согласно представлениям классической физики, запаса энергии.

Представьте себе двух людей, которые, спеша друг к другу, перепрыгивают каждый через десятиэтажный дом, стоящий на пути. Нечто подобное происходит в микромире со сталкивающимися атомными ядрами (правда, в редчайших случаях). Это, пожалуй, один из самых удивительных парадоксов микромира. И именно благодаря ему, оказывается, светит Солнце! Вот как протекают реакции в недрах светила. В один прекрасный момент случайно, но с неизбежностью, присущей случаю, два протона сближаются друг с другом. В среднем раз в 14 миллиардов лет одни из протонов такой пары, не успев отскочить, преобразуется в нейтрон. Слившиеся нейтрон и протон образуют ядро тяжелого водорода - дейтон. При этом испускаются новые частицы - легкий положительно заряженный позитрон и почти неуловимое нейтрино. Стоит заметить, что существование нейтрино - удивительных частиц, не имеющих ни массы покоя, ни заряда и движущихся всегда со скоростью света,- вначале было предсказано физиками-теоретиками и только впоследствии доказано на опыте в результате сложных и тонких экспериментальных исследований. Любопытно и другое: неуловимые нейтрино уносят, оказывается, довольно значительную часть энергетического богатства Солнца. На их долю приходится около пяти процентов энергии солнечного излучения.

Итак, два протона в недрах Солнца сливаются воедино.

С каждой парой солнечных протонов подобное превращение совершается невообразимо редко. Но так как протонов в глубинах светила неисчислимые миллиарды, то "очередь" для все новых реакций наступает непрерывно, и поэтому ядерный синтез разворачивается в громадных объемах солнечной плазмы.

Образовавшиеся ядра тяжелого водорода недолго живут в недрах Солнца. Меньше чем через 6 сек. они присоединяют к себе еще по одному "вольному" протону и превращаются в ядра легкого гелия, а те, проплутав в глубинах Солнца в среднем миллион лет, встречаются друг с другом, чтобы слиться и образовать ядро обычного гелия. При этом отщепляются два протона, оказавшиеся "лишними".

Водород через три этапа попарных ядерных взаимодействий превращается в гелий. Из легких ядер возникают более тяжелые, из менее прочных - более прочные. Каждая из трех ступеней процесса сопровождается выделением солидной порции энергии, которая ускоряет частицы или испускается в виде гамма-лучей.

Описанная цепочка солнечных реакций синтеза носит название протонно-протонного цикла.


По мнению большинства ученых, именно этим способом наше светило вырабатывает подавляющую долю своего лучистого богатства. Вместе с тем в недрах Солнца идут и другие реакции - так называемого углеродного цикла.

Дело в том, что в составе солнечного вещества, видимо, присутствуют ничтожные примеси атомных ядер углерода с атомным весом 12. Они могут служить своего рода посредниками преобразования протонов в ядра гелия. Вот как разворачиваются события.

В среднем раз в 13 миллионов лет быстрый протон проникает в ядро углерода-12 и образует ядро азота-13, который приблизительно через 14 мин. претерпевает радиоактивный распад, излучая позитрон и нейтрино и превращаясь в ядро углерода-13. Примерно через 2,7 миллиона лет ядро углерода-13 захватывает второй протон, что приводит к возникновению устойчивого ядра азота-14. Это ядро в среднем раз в 32 миллиона лет способно захватить третий протон и преобразоваться в ядро кислорода-15, которое очень быстро (в среднем через 3 мин.) выбрасывает позитрон и нейтрино, чтобы превратиться в ядро азота-15. Наконец, 100 тысяч лет спустя ядро азота-15 захватывает четвертый протон, выбрасывает ядро гелия и превращается в ядро углерода-12, с которого и началась вся цепочка реакций.

Внимательно приглядевшись к этой последовательности реакций, вы убедитесь, что углеродные ядра в ней не расходуются. Зато в результате цикла 4 протона превращаются в ядро гелия. Другими словами, энергетический итог получается точно такой же, как и в протонно-протонном цикле. Итог этот колоссален. Синтез каждого грамма гелия сопровождается выделением 175 тысяч квт-ч энергии.

Поддерживая огромную температуру в недрах светила, энергия ядерного синтеза не дает затухнуть порождающему ее грандиозному солнечному пожару и мощными лучистыми потоками вырывается наружу.

Надо подчеркнуть, что слияние атомных ядер в недрах Солнца имеет некоторое сходство с обыкновенным горением. Мы поджигаем спичкой кучу хвороста, и она пылает, пока не истлеет последняя ветка. На Солнце же "топливо" ядерное. Оно поджигается высокой температурой солнечных глубин, затем цепочками попарных ядерных взаимодействий захватываются большие массы вещества, выделяющаяся огромная энергия поддерживает высокую температуру, и "пожар" длится, пока не исчерпается все "горючее".

Такие процессы в физике именуются цепными термоядерными реакциями синтеза. Первая часть слова - "термо" означает, что реакция возбуждается действием теплоты, высокой температуры.

Вы можете спросить, как первоначально возник солнечный термоядерный пожар. Ведь не мог водород "гореть" вечно. Некоторые ученые так отвечают на этот вопрос.

Когда-то в далеком прошлом существовало облако холодной разреженной межзвездной материи. Постепенно под действием силы тяготения оно сгущалось, уплотнялось. Сжатие влекло за собой повышение температуры (по тому же закону, по которому нагревается воздух, сдавленный поршнем велосипедного насоса). Наконец, температура достигла многих миллионов градусов. Вот тогда-то и начал разгораться цепной термоядерный процесс синтеза гелия.

Кстати сказать, термоядерного горючего - водорода - на Солнце колоссальные запасы. И хватит его на срок, который невозможно себе даже представить: примерно на сто миллиардов лет! Добавим еще, что цепные термоядерные реакции синтеза (причем не только гелия, но и других элементов) - не редкость во Вселенной. Именно они дают лучистую энергию звездам. Именно от них берет начало длинная вереница энергетических преобразований, вливающих свет, тепло и жизнь во все существующее в природе.