Впрочем, мы ведь говорили о Солнце. И о том, что строить солнечный термоядерный реактор в земных условиях нам не стоит. Почему?
Да потому, что в Солнце идет очень специфическая ядерная реакция и стараться повторить ее на Земле – это пытаться прикрутить термоядерный реактор посередине грудной клетки с помощью синей изоленты, как в Голливуде.
Вот эта реакция. Я вначале нарисую ее в упрощенной форме, а потом покажу вам, где нам категорически не хватает магической синей изоленты, чтобы прикрутить где-нибудь на Земле этот природный термоядерный реактор к прочному бетонному фундаменту.
Два ядра атомов водорода, простые протоны, которые рано или поздно встречаются между собой где-нибудь в центре нашего Солнца, в результате этой реакции образуют… снова водород. Правда, уже не обычный, «легкий» водород, еще называемый протием, а «тяжелый» водород, дейтерий.
Самое интересное, что нейтрон, который образуется из одного из протонов в результате этой реакции, чуть тяжелее протона. Масса нейтрона – 939,57 МэВ, а масса протона – 938,27 МэВ.
Один МэВ – это очень маленькая масса, 1 МэВ равен 1,7810−30 килограмма. Поэтому-то и получается, что в одном килограмме водорода собрана такая бездна атомов, которые и состоят, в основном, из своих ядер – протонов. Для того чтобы собрать килограмм
Но как же получается, что образовавшийся нейтрон тяжелее протона, вступившего в реакцию? Все дело в том, что это масса покоя нейтрона. И если взять «сферический нейтрон в вакууме», то он будет весить именно 939,56 МэВ. Точно так же, как и одинокий «сферический протон в вакууме» будет весить 938,27 МэВ. А вот вместе они будут весить меньше, чем по отдельности, в одиночестве друг от друга.
И да, одинокий нейтрон без протона – не жилец.
Время жизни свободного нейтрона без протона вблизи него – всего около 15 минут. За это время большая часть нейтронов успевает распасться обратно на протон, электрон и антинейтрино.
Но в рамках ядра дейтерия нейтрон «связан» с протоном силами сильного взаимодействия. Это взаимодействие и в самом деле очень сильное – настолько, что значительно меняет массу участвующих в нем частиц. И не просто меняет, а уменьшает их наблюдаемую массу.
Если брать «сферический» протон и «сферический» нейтрон, то для ядра дейтерия (дейтрона) у нас получится по математике вот такой формальный расчет:
938,27 + 939,57 = 1877,84 МэВ.
По факту же ядро дейтерия весит чуть меньше – 1875,61 МэВ. Разница между значениями массы, полученной путем механического сложения массы свободных протона и нейтрона и точным измерением реальной массы дейтрона и дает нам значение энергии связи или дефекта массы. Ее точное значение для дейтрона равно 2,22 МэВ. Это и есть масса (или энергия) магической синей изоленты, которая и прикручивает частицы в ядре друг к другу. Ну а поскольку энергия связи у нас понятие отрицательное (для того чтобы оторвать нейтрон от протона, надо затратить энергию), то правильно энергию связи дейтрона писать как —2,22 МэВ.
И вот тут у нас на арене появляется знаменитая формула: E=mc2.
Та самая, которую и придумал камрад Эйнштейн.
Что мы имеем? В начале реакции у нас два протона с массой по 938,27 МэВ каждый, а в конце – ядро-дейтрон, которое весит 1875,61 МэВ.
Нетрудно посчитать, что в чистом выходе по энергии мы имеем что-то около 0,93 МэВ в расчете на одно слияние.
Ура? Победа?
Нет, нам по-прежнему не хватает магической синей изоленты, чтобы привязать два протона друг к другу и заставить их, наконец-то, сделать для нас ядро дейтрона, которое отдаст нам лишнюю энергию, которую мы уже можем потратить на всякие разные приятные вещи.
Это связано с тем, что протон-протонный цикл в недрах нашего Солнца идет по более сложной схеме, чем нарисовано на первом рисунке. И она как раз и ставит для нас крест на всех наших попытках примотать протон-протонный цикл к нашим скромным нуждам где-нибудь на нашей скорлупке-Земле. Все дело в том, что два столкнувшихся протона образуют в начале реакции слияния не дейтрон, а очень экзотическое ядро – дипротон. Пока это просто два протона, слитых в единое целое. И, как и положено двум заряженным частицам, они не прочь оттолкнуться друг от друга.