Реакции, протекающие в звездах и приводящие к синтезу гелия из ядер водорода, «нагретых» в результате теплового движения, называются термоядерными.
В момент возникновения процесса синтеза ядер гелия звезда однородна по своему химическому составу. До вследствие того, что температура в ее центре в тысячи раз больше, чем на поверхности, ядерные процессы начинаются только в центре звезды. В настоящее время известно два механизма термоядерных реакций. Они получили название протон-протонного и углеродно-азотного циклов.
Протон-протонный цикл состоит из нескольких последовательных ядерных превращений. Они в зависимости от высоты потенциального барьера, вероятности туннельного эффекта, величины сечения протекают с различными скоростями, обычно характеризующимися средней продолжительностью, т. е. временем, в течение которого ядро А, столкнувшееся с ядром В, вступит с ним в ядерное взаимодействие. Основные характеристики отдельных реакций протон-протонного цикла приведены в табл. 10. К ним относятся величина энергии, выделяемой в каждой реакции, их сечение и продолжительность. Схематически ядерные реакции протон-протонного цикла изображены на рис. 32.
Вначале происходит слияние двух протонов, что приводит к образованию ядра дейтерия Н2 или иначе дейтрона D. Этот процесс сопровождается испусканием позитрона и нейтрино.
Таблица 10
В лабораторных условиях подобные процессы еще никогда не наблюдались, однако теоретически эта реакция поддается расчету, который показывает, что в условиях большинства звезд ее продолжительность составляет 14 млрд, лет и определяет время всего цикла. Сечение ее ничтожно мало.
Рис. 32. Схема ядерных превращений протон-протонного цикла.
Вторая стадия — это превращение образовавшегося дейтерия в ядро Не3 с выделением избытка энергии в Еиде гамма-кванта. Эта реакция протекает примерно за 6 сек:
На третьей стадии происходит слияние двух ядер Не3 с образованием ядра гелия Не4 и двух ядер водорода:
Это тоже довольно медленный процесс, его продолжительность составляет около миллиона лет. Однако он сопровождается выделением наибольшего количества энергии. По мере того как в звездах накапливаются ядра гелия или в том случае, когда в веществе, из которого образовалась звезда, уже содержатся ядра гелия, возможны другие варианты в последней стадии про-тон-протонного цикла.
В варианте А ядро Не3 реагирует с ядром Не4 с образованием ядра Be7. Последний захватывает электрон с образованием Li7. В условиях земли происходит захват электрона с К-оболочки с периодом полураспада, равным 52 дням. В звездных системах, где атомы ионизированы, захватываются, по-видимому, электроны плазмы. По вычислениям Г. Бете, период полураспада Be7 в условиях Солнца должен увеличиться до 14 месяцев. Цикл завершается реакцией взаимодействия ядра Li7 с протоном. Образующееся составное ядро распадается на два ядра гелия Не4. Именно на этой стадии и выделяется основная часть энергии всего цикла ядерных реакций.
В варианте В образующееся ядро Be7 соединяется с ядром водорода и превращается в неустойчивое ядро В8, которое путем позитронного распада переходит в Be8, последнее ядро очень неустойчиво и мгновенно распадается на два ядра гелия. В протон-протонном цикле образуется изотоп лития Li7, содержание которого составляет примерно 93 % общего содержания лития в земной коре. Однако литий до сих пор не удалось обнаружить в атмосфере Солнца и других звезд. Это может указывать на то, что он полностью выгорает в протекающих термоядерных процессах.
В результате протекания реакции протон-протонного цикла в звездах выделяется огромная энергия, равная 6,2 Мэе, или 153 млн. больших калорий на 1 г водорода. Она в три миллиона раз больше, чем энергия, которая выделяется при его сжигании по реакции Н2 + О2 = 2Н2О и в 15 млн. раз больше, чем при сжигании такого же количества высокосортного каменного угля, следовательно, термоядерная реакция синтеза ядер гелия из ядер водорода является самым эффективным источником энергии из всех источников, известных человеку. Поэтому в последнее время весьмa интенсивно ведутся работы по исследованию термоядерных реакций. Были изучены наиболее выгодные «энергетическом отношении реакции синтеза ядер гелия, которые могут протекать за короткое время. Найдено, что наиболее эффективной является реакция H3 + Н2 = Не4 + оn1 +17 Мэв. Она протекает за 1,2 X X10-6 сек. Дейтерий в природе встречается в больших количествах; на каждые 6000 атомов водорода приходится 1 атом дейтерия, и его производство не представляет особых затруднений. Второй исходный продукт этой реакции — тритий, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 12,1 года, — можно получить при бомбардировке природного лития нейтронами в ядерном реакторе. Существуют и другие высокоэнергетические реакции с изотопами водорода, приводящие к синтезу гелия. Но вышеуказанная реакция между тритием и дейтерием отличается тем, что может протекать самопроизвольно за счет тепла, выделяющегося при синтезе ядер гелия. Однако для начала реакции требуется высокая температура, которую можно создать благодаря теплу, выделяемому при делении ядер урана медленными нейтронами. На этом принципе и основано действие водородных бомб.