Под знаком кванта.

Самая длительная стадия — первая: пройдет 13 млрд. лет, прежде чем протон найдет себе пару и образует с ним ядро дейтерия — слабосвязанное состояние протона и нейтрона. Это и неудивительно: для этого он должен предварительно превратиться в нейтрон, а скорость такой ядерной реакции p→n+e⁺+v весьма мала, поскольку она определяется слабыми взаимодействиями.

Образовавшийся дейтрон уже через 6 с вступает в реакцию с протоном и образует ядро легкого изотопа гелия ³Не, которое потом блуждает примерно миллион лет, прежде чем встретит другое такое же ядро и при слиянии с ним образует α-частицу (ядро ⁴Не), вновь освобождая 2 протона. Но пройдет еще несколько миллионов лет, прежде чем энергия, выделившаяся в центре Солнца, достигнет его поверхности и оттуда излучится в мировое пространство. Еще через 8 мин лучи Солнца достигнут Земли.

В действительности процесс «горения» ядер водорода происходит немного сложнее: кроме основного цикла идут побочные, благодаря которым энерговыделение в протон-протонном цикле снижается до 26,172 МэВ. Кроме того, наряду с основным циклом (его вклад составляет 86 %) синтез водорода в гелий происходит по так называемому углерод-азотному циклу, где энерговыделение равно 24,97 МэВ. Поэтому в среднем при слиянии 4 протонов в ядро гелия выделяется энергия

(26,17∙0,86 + 24,97∙0,14) МэВ = 26,00 МэВ,

то есть по 6,5 МэВ на каждое сгоревшее ядро водорода. Это означает, что его масса m_н=1,007825 а.е.м. уменьшается при этом на

Δm=6,5 МэВ/931,5 МэВ=0,006978 а. е. м., то есть на 0,69% — в семь раз больше, чем при делении ядра урана.

В 1 г водорода содержится 6,02·10²³ ядер, а при их ядерном горении выделится энергия (6,02·10²³)·6,5 МэВ = 3,91·10²⁴ МэВ = 6,27·10¹⁸ эрг = 6,27·10¹¹Дж.

Поэтому, чтобы обеспечить мощность излучения 3,8·1026 Вт, в недрах Солнца каждую секунду должно «сгорать»
водорода, масса Солнца уменьшится при этом на607 млн. т·0,0069 а. е. м./1 а. е. м. = 4,2 млн. т

и в виде фотонов рассеется в мировом пространстве. (Часть энергии (около 5 %) уносится нейтрино и не включена в этот баланс, поэтому в действительности водорода сгорает чуть больше, а именно 630 млн. т., или 0,63·10¹⁵ г/с.)

При таком темпе горения массы Солнца (2·10³³ г), из которых 75 % составляет водород, хватило бы на

то есть на 80 млрд. лет. В действительности при устойчивом горении допустима потеря массы не более 10%, то есть Солнце будет так же неизменно светить на небосклоне еще 5—7 млрд. лет. Несмотря на огромность излучаемой энергии, Солнце горит очень экономно: при массе 2·10³³ г оно излучает 3,8·10²⁶ Дж/с, то есть его удельная мощность равна всего

(3,8·10²⁶ Вт)/(2·10³³ г)=1,9·10^-7 Вт/г

— в 10 тыс. раз уступает удельной мощности человека (2·10^-3 Вт/г) и в 50 млрд. раз меньше удельной мощности горящей спички (примерно 10 000 Вт/г).

ТИГЛИ ЭЛЕМЕНТОВ

В недрах Солнца каждую секунду 630 млн. тонн водорода превращается в гелий. Но как возникли все остальные элементы, из которых состоит земля, растения и мы с вами? Квантовая физика и основанная на ней ядерная астрофизика могут теперь ответить и на этот вопрос.

Когда в ядре Солнца выгорит весь водород, сразу же уменьшится поток и давление излучения, которое препятствует сжатию Солнца под действием сил тяготения, его ядро начнет уменьшаться в объеме, и в процессе такого гравитационного сжатия плотность в центре Солнца достигнет 10⁵ г/см³, а температура превысит 100 млн. градусов,— как раз в этот момент начнет «гореть» гелий. Ядерная реакция горения гелия — тройной альфа-процесс (3α- процесс) — замечательна во многих отношениях и заслуживает более подробного рассмотрения.

Прежде всего, простая реакция слияния двух ядер гелия в ядро бериллия

⁴Не + ⁴Не→⁸Ве

невозможна, поскольку такой изотоп бериллия в природе отсутствует. К счастью, в сечении этой реакции при энергии около 0,1 МэВ наблюдается резонанс, который можно мыслить себе как очень нестабильное ядро ⁸Ве*. Это «ядро» живет всего 10^-16 c, однако по ядерным масштабам это не так мало: при столкновении α-частиц они, прежде чем разлететься вновь, успевают совершить около миллиона колебаний в составе ⁸Ве*. За это время к ним может приблизиться третья α-частица и образовать с ними ядро углерода ¹²С.

Эта возможность, однако, осталась бы нереализованной, если бы не вторая удача, сопутствующая успеху Зα-процесса. Дело в том, что масса трех α-частиц на 7,28 МэВ превышает массу ядра ¹²С и прямой процесс образования ядер углерода из трех α-частиц крайне маловероятен. Но у ядра ¹²С есть возбужденное состояние ¹²С* с энергией возбуждения 7,66 МэВ, то есть масса ядра ¹²С*, в отличие от массы ¹²С, не меньше массы трех α-частиц, а, наоборот, на 7,66 МэВ - 7,28 МэВ = 0,38 МэВ превышает ее. А это означает, что при достаточно высоких энергиях столкновения α-частиц возможна резонансная реакция