Термоядерные реакции во Вселенной играют двоякую роль - как основной источник энергии звёзд и как один из основных механизмов нуклеосинтеза. Для нормальных гомогенных звёзд, в т. ч. Солнца, главным процессом экзоэнергетического ядерного синтеза является сгорание H в Не, точнее, превращение 4 протонов в ядро 4He, 2 позитрона и 2 нейтрино. Этот результат можно получить двумя путями:
1) в протон - протонной (pp) цепочке, или водородном цикле;
2) в углеродно-азотном цикле (CN).
Для звёзд-гигантов с плотными, выгоревшими (по содержанию H) ядрами, существенны гелиевый и неоновый циклы термоядерных реакций; они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем pp - и CN -циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с T» 2*108 K, является реакция:
3 4He ® 12С + γ1+g2 + 7,3 МэВ (3.9.7)
Далее могут следовать реакции:
12С+ 4He ® 16O + g, 16О+ 4He ® 20Ne + g; (3.9.8)
в этом состоит один из механизмов нуклеосинтеза.
Если продукты реакции гелиевого цикла вступят в контакт с H, то осуществляется неоновый (Ne - Na) цикл, в котором ядро 20Ne играет роль катализатора для процесса сгорания H в Не.
|
|
Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу, только ядра 12С, 13N, 13C, 14N, 15O, 15N заменяются соответствующими ядрами 20Ne, 21Na, 21Ne, 22Na, 23Mg, 23Na. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Однако он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеосинтеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (21Ne) может служить источником нейтронов:
21Ne+ 4He ® 24Mg + n (3.9.9)
(аналогичную роль может играть и ядро 13C, участвующее в CN-цикле).
Последующий "цепной" захват нейтронов, чередующийся с процессами b - распада, является механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер.
Cpедняя интенсивность энерговыделения e в типичных звёздных термоядерных реакциях по земным масштабам ничтожна; так, для Солнца (в ср. на 1 г солнечной массы) e = 2 эрг/с · г. Это гораздо меньше, например, скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена веществ, а обычная электрическая лампочка по мощности эквивалентна многим тоннам солнечного вещества. Однако вследствие огромной массы Солнца (2×1033 г) полная излучаемая им мощность (4×1026Bт) столь велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца ~ на 4 млн. т), что даже ничтожной её доли достаточно, чтобы оказывать решающее влияние на энергетический баланс земной поверхности, жизни и т. д.
Благодаря колоссальным размерам и массам Солнца и звёзд, в них идеально решается проблема удержания (в данном случае гравитационного) и термоизоляции плазмы: термоядерные реакции протекают в горячем ядре звезды, а теплоотдача происходит с удалённой от ядра и гораздо более холодной поверхности. Только поэтому звёзды могут эффективно генерировать энергию в таких медленных процессах, как pp - и CN -циклы. В земных условиях эти процессы практически неосуществимы.
|
|
Характерные реакции параметры водородного углеродного циклов
1. Водородный цикл
~ 1010 лет
~ 106 лет
В результате
(n,g)
2. Углеродный цикл
~ 107 лет
7 млн
106 лет
108 лет
105 лет
Полное энерговыделение в pp - цикле 26,2 МэВ в СN - цикле 25 МэВ
Характерные времена реакций рассчитаны для условий в центре Солнца: T» 1,5 ×107 К, Плотность водорода» 100 г/см3.