Мир на пике – Мир в пике

Для того чтобы понять, что жгут коричневые карлики, посмотрим на несколько диаграмм. Первая — это энергия связи ядер различных химических элементов в расчете на один нуклон — нейтрон или протон.

Рис. 180. График энергии связи ядер в расчете на 1 нуклон.

График начинается с ядра дейтерия, нелегкое образование которого из протия мы рассмотрели чуть выше. Сам протий — это ядро ¹H, или одиночный протон. На этом графике он не показан по понятной причине — энергия связи одиночного протона по определению равна нулю.

Энергия связи ядра «тяжелого водорода» — дейтрона составляет около 1 МэВ на нуклон. А уже для следующего химического преображения гелия, энергия связи в расчете на один нуклон резко возрастает до 7,03 МэВ. Такая энергия связи характерна для «магической частицы» всей ядерной физики — ядра гелия-4 или ⁴He, часто называемого еще и альфа-частицей (?-частица).

Альфа-частица — это сверхустойчивый ядерный организм. Как я уже сказал, превращаться во что-либо иное она согласна только при температурах более 100 млн градусов, в недрах достаточно массивных звезд. Кроме того, альфа-частица — это постоянный спутник многих радиоактивных распадов тяжелых ядер.

Почему? Это тоже очень легко наблюдать на графике. Энергия связи атома урана, например, составляет всего 7,6 МэВ на один нуклон. Разница между энергией связи нуклонов в уране и в альфа-частице — всего около 0,57 МэВ. Рано или поздно ядро урана не выдерживает ужасов социалистического общежития и скученности 238 нуклонов на ограниченной жилплощади — и выталкивает из себя альфа-частицу. Альфа-частица, со своим «блэкджеком и поэтессами», успешно улетает, ну а ²³⁸U превращается через пару быстрых ?-распадов… в тот же уран, изотопа ²³⁴U. В то же самое социалистическое общежитие, но уже с 234 жителями.

Исходя из такой мощной энергии связи альфа-частицы, мы можем теперь по-настоящему понять график распространенности химических элементов во Вселенной.

Рис. 181. Графики распространенности химических элементов во Вселенной.

Как видите, «магистральное шоссе» синтеза ядер у нас четкое и однозначное.

Водород горит в гелий, гелий горит в углерод и кислород, кислород и углерод горят в кремний, а кремний горит в железо.

Железо — это термоядерные угли, которые уже не могут гореть сами по себе, поскольку имеют максимально возможную для ядер энергию связи.

Практически все элементы группы железа и все, что тяжелее этого химического элемента, попадает во внешний мир только при взрывах сверхновых звезд. Если это вас утешит, то каждый атом углерода, кислорода или азота в вашем теле уже как минимум один раз побывал в звезде, ну а вся Земля в целом — это звездный пепел. По большей части, конечно.

И в этом звездном пепле можно все-таки отыскать немного недогоревших головешек. Именно эти головешки и жгут коричневые карлики и собираются поджечь хитрые ученые.

Это атомы, которые притаились в первой части таблицы, но которые имеют энергию связи меньшую, чем наша магическая альфа-частица.

Вот, поименно, весь этот список: дейтерий и тритий (это у нас изотопы водорода), литий, бериллий, бор.

Все.

Всего пять головешек оставила нам природа для того, чтобы поджигать наш земной костер из легких ядер. Причем это именно что «огарки», по сравнению с легким водородом — протием или по сравнению с гелием-4 таких элементов и изотопов у нас до обидного мало.

Но людишки бы не были Homo Sapiens, если бы не нашли интересный выход из сложившейся ситуации с недостатком легких ядер в составе Земли.

[103]

Энергия связи ядра протия, как мы помним, равна нулю. При встрече двух протонов должно произойти невероятное событие: один из протонов должен виртуально превратиться в нейтрон (за счет слабого взаимодействия) и тут же образовать устойчивое ядро дейтерия — дейтрон, энергия связи в котором чуть больше, чем разница в массах протона и нейтрона.

По сути, конечно, окончательное состояние двух протонов в ядре дейтрона энергетически более выгодно. Но вот в начале процесса вопрос того, кто превратится в нейтрон, отнюдь не столь очевиден.

А что будет, если протону подсунуть под нос уже готовый нейтрон?

Любой протон, который окажется достаточно близко с тепловым (то есть медленно идущим) нейтроном, тут же быстро захватит его и образует устойчивое ядро дейтерия — дейтрон.

Ну а дейтрон уже, в принципе, может захватить и еще один нейтрон и образовать ядро трития.

В общем, был бы у нас годный источник тепловых нейтронов — то задача наработки термоядерного горючего из обычной воды не стояла бы в принципе. Хочешь — дейтерий получай, хочешь — тритий, а хочешь — подожди 12,5 лет полураспада трития — и гелий-3 тоже получишь.