Беседы об атомном ядре

Какие же сверхнеобычные условия понадобились для переработки в течение двух десятков миллиардов лет всего одного процента свободных протонов в связанные ядерными силами нейтроны?

Заполнить всю периодическую систему элементов, имея под руками один водород, не так-то просто. По-видимому, начать пришлось с реакции слияния ядер водорода, ибо ничего другого придумать просто невозможно.

Но реакция соединения четырех ядер водорода в ядро гелия — это давно известная ученым термоядерная реакция, которая снабжает энергией наше Солнце. Термоядерный синтез идет в недрах солнечного вещества, где температура достигает десяти миллионов градусов. И даже в этих феноменальных условиях образование новых ядер происходит чрезвычайно медленно. Одно ядро гелия-4 образуется из четырех протонов только через 330 миллионов лет, а в другом термоядерном цикле — даже через 14 миллиардов лет. Эта сверхчерепашья скорость ядерных реакций на Солнце связана с тем, что даже при максимальной солнечной температуре еще очень мала вероятность преодоления сближающимися протонами сильного электростатического отталкивания.

Остывшая после расширения вселенная не могла обеспечить даже минимальных условий, необходимых для начала ядерных реакций. Их создали гравитационные силы.

Примерно 18 миллиардов лет назад в тех участках пространства, где масса вещества случайно превысила некоторую критическую величину, начали формироваться первые звезды. Сжимая вещество, гравитация могла разогреть водородный газ до необходимой температуры в несколько миллионов градусов. Силы тяготения разожгли термоядерный костер прямо в центре гигантского «резервуара» с водородным топливом. И звезда превратилась в пылающую печь, в которой водород, сгорая, преобразовывался в гелий.

Водород и гелий — два самых легких вещества, первые ступеньки в системе элементов. И только из этих двух ядер предстояло создать еще девять десятков более сложных конфигураций из нуклонов.

Говорят, лиха беда начало. Как только было положено начало синтезу элементов, так гравитационные и ядерные силы, по-видимому в полном согласии друг с другом, повели это сложное дело дальше. Достаточно было чуть-чуть выгореть в сердцевине звезды водороду и упасть давлению, как новое гравитационное сжатие поднимало температуру печи еще выше, до 100 миллионов градусов. А при такой температуре роль топлива играл уже сам новоиспеченный гелий. Ядра гелия приобретали энергию, достаточную для преодоления более высокого, чем у протона, электростатического барьера альфа-частицы. В звездной печи, которая топилась альфа-частицами, выпекался уже достаточно широкий ассортимент изделий — атомных ядер. Сливаясь между собой, альфа-частицы создавали ядра углерода. Углерод, захватывая ядро гелия, превращался в кислород. А кислород, проделывая то же самое, оборачивался неоном. И наконец, при температуре, доведенной гравитационным сжатием до миллиарда градусов, в топку шел уже углерод.

Но ядерная реакция «сгорания» — соединение ядер углерода, совсем непохожа на сгорание угля в топках электростанций. На углеродном топливе при ядерных реакциях выпекались уже такие «пироги и пышки», как ядра магния, кремния и всех других элементов, вплоть до железа.

Дальнейшее присоединение альфа-частиц или протонов только портило «железное» ядерное тесто, и оно разваливалось прямо в момент выпечки. Таблица химических элементов могла бы так и остаться заполненной лишь наполовину, если бы, к счастью, в недрах раскаленной звезды не накопилось достаточное количество нейтронов. Сложные ядра оказались как бы погруженными в ванну из этих частиц.

Захватывая нейтроны, атомные ядра, как по винтовой лестнице, начали медленно карабкаться вверх по дуге стабильных изотопов.

Дополнительный нейтрон сталкивает ядро в сторону избытка нейтронов от линии стабильности. А после бета-радиоактивного распада, при котором в связанном коллективе нуклонов возникает добавочный протон, ядро возвращается на линию стабильности с более высоким порядковым номером.

Конечно, так должно было бы происходить в идеальном случае. Множество же ядер, поглотив слишком много нейтронов или, наоборот, проявив к ним антипатию, наверняка заполняли весь материк стабильности до самых границ.

Самые тяжелые ядра, как предполагают ученые, возникают, например, при вспышке сверхновой звезды. В сверхновую превращается очень старая звезда, когда после выгорания топлива внутри ее падает давление. Резкое гравитационное сжатие приводит к взрыву оболочки. Извержение даже самого мощного земного вулкана — не более чем вспышка спички рядом с этим космическим катаклизмом. Взрыв захватывает даже самые глубокие области звезды. И долгие миллиарды лет копившиеся там сложные ядра — драгоценный продукт эволюции звезды, проносясь сквозь бушующие вокруг нейтронные смерчи, попадают вдруг в безмятежный покой межзвездного пространства.