Дневная звезда. Рассказ о нашем Солнце

В цепочке протон-протонных реакций первое событие состоит в соединении двух протонов и образовании ядра тяжелого водорода, или дейтерия. При этом возникает также положительно заряженный электрон — позитрон. Ведь дейтрон является результатом слияния протона и нейтрона и поэтому один из участвующих в реакции протонов должен быть превращен в нейтрон. Два маловероятных события предшествуют появлению дейтрона внутри Солнца. Во-первых, один из протонов должен иметь скорость в 5 раз больше средней; только тогда из-за своей высокой энергии он может подойти достаточно близко к другому протону, несмотря на отталкивание электрическим полем этого протона. Внутри Солнца распределение скоростей частиц таково, что только один протон из сотни миллионов имеет скорость, в 5 раз превышающую среднюю. Во-вторых, во время столкновения протонов, которое продолжается 10^-21 с, один из протонов должен превратиться в нейтрон. Маловероятно, не правда ли? Конечно, чрезвычайно маловероятно для каждого заданного наперед протона. Если выбрать какой-нибудь определенный протон, то можно ожидать, что такой цирковой трюк он сможет совершить лишь после десятков миллиардов лет тренировки. Если бы такие события не были маловероятны, то Солнце мгновенно бы взорвалось. Однако внутри Солнца так много протонов, что каждую секунду в таком маловероятном процессе участвуют 3×10³⁸ протонов. Комбинация низкой вероятности события и огромного числа возможных участников — протонов — приводит к довольно значительной скорости взаимодействия.

От таких слившихся без особого желания пар протонов рождаются дейтроны. В отличие от родительских частиц они легко соединяются с другими частицами. В течение всего нескольких секунд типичный дейтрон захватывает дополнительный протон. При этом образуется новая комбинация — ядро гелия-3 (³Не). У него три возможные судьбы. Сам он эту судьбу не выбирает, она определяется законами теории вероятности. Наиболее вероятное событие (95%) — его объединение с таким же ядром. Это событие приводит к конечному результату всей цепочки реакций, а именно к образованию ядра гелия-4 (⁴Не), называемого α-частицей, и двух протонов. Альфа-частица является ядром обычного атома гелия.

До рассмотрения двух других возможных ветвей цепочки, приводящих к выделению энергии, несколько подробнее остановимся на основной рассмотренной нами выше реакции. Сначала напишем ее в короткой форме, принятой в ядерной физике. Эту запись легко понять. В принятых символах ¹Н обозначает протон, ²Н — дейтрон, ³Не — легкий гелий, ⁴Не — обычную форму гелия, состоящего из двух протонов и двух нейтронов, е+ — позитрон, или положительно заряженный электрон, ν —нейтрино — предсказанную ранее, до ее экспериментального открытия, частицу без заряда и массы, очень редко взаимодействующую с веществом, и наконец, γ — фотон, или электромагнитную энергию (рентгеновские лучи, световое излучение, радиоволны и т. д.). Тогда описанные выше реакции запишутся так:

¹H+¹H —> ²Н + е⁺ + ν,

²Н+¹Н —> ³Не + ν,

³Не + ³Не —> ⁴Не+¹Н+¹Н.

Исходные частицы написаны слева от стрелки, а продукты реакции — справа от нее. В результате этой ветви протон-протонной цепочки из шести протонов получаются одна α-частица (⁴Не), два протона, один позитрон, одно нейтрино и некоторое количество энергии.

Сравним массу этих шести исходных протонов с массой конечных продуктов реакции. Расчет показывает, что теряется около 0,7 % массы 4 протонов, превращаемых в результате в ядро ⁴Не. При таком процессе каждый килограмм водорода теряет массу в 7 г, которая превращается в энергию, равную 6×10¹⁴ Дж, или примерно в 200 млн. кВт-ч. Такое количество энергии значительно превышает возможности химических реакций и гораздо больше того количества тепла, которое выделилось бы при непрерывном сжатии Солнца, согласно гипотезе Кельвина и Гельмгольца. На Солнце в начале его существования было столько водорода, что это могло обеспечить сохранение современного уровня солнечного излучения в течение 10 000 млн. лет. К настоящему времени исчерпана лишь половина этих запасов.

Вернемся теперь к другим возможным ветвям протон-протонной цепочки. Частица ³Не после своего образования не обязательно сталкивается с такой же частицей, она может столкнуться, хотя и с меньшей вероятностью (около 5%), с ядром ⁴Не и образовать бериллий-7 (⁷Ве). Последовательность реакций будет такой:

¹H+¹H —> ²Н + е⁺ + ν,

²Н+ ¹Н —> ³Не + γ,

³Не + ⁴Не —> ⁷Ве + γ.

После этого есть два пути: или бериллий-7 захватит электрон е^-

⁷Ве + е^- —> ⁷Li + γ,

⁷Li + ¹H —> ⁴Не + ⁴Не,

или бериллий-7 захватит протон, превратясь в бор-8 (⁸В), который, будучи неустойчивым, сразу же распадется на бериллий-8 (⁸Ве), а тот, в свою очередь, распадется на две частицы ⁴Не:

Таким образом, мы проследили три возможных пути слияния протонов, приводящих к образованию ядер обычных атомов гелия. Вероятность каждого пути можно рассчитать. В случае Солнца почти вся энергия (95%) генерируется в результате осуществления первой из трех возможных последовательностей реакций.