Наиболее распространенные ядерные реакции в нашей Вселенной — реакции синтеза. В первые моменты большого взрыва Вселенная состояла из водорода и гелия (у которых легкие ядра) и больше ничего. С момента большого взрыва 15 миллиардов лет всей истории Вселенной состоят из ядерного синтеза легких ядер в тяжелые.
При этом процессе сформировалось значительное количество тяжелых ядер, одних разновидностей чуть больше, чем других (в зависимости от скорости реакций синтеза), включая количество железа, которого гораздо больше, чем элементов с близкой атомной массой. Таким образом считается, что ядро Земли в основном состоит из железа, что. вероятно, справедливо и в отношении ядер Венеры и Меркурия. Многие метеориты — на 90% из железа. И все это потому, что железо — стабильная золотая середина.
Конечно, встречаются элементы более тяжелые, чем железо. Так как существуют такие условия, при которых скорость реакции ядерного синтеза водорода в железо огромна, и часть энергии не успевает выделиться, а вместо этого поглощается атомами железа, которые увеличивают энергетический потенциал до уровня урана и даже элементов с более тяжелыми ядрами.
Эти более тяжелые ядра присутствуют во Вселенной в ничтожно малых количествах. Собственно, за все 15 миллиардов лет ее существования только небольшая часть материи Вселенной преобразовалось в ядра с атомной массой равной массе железа и меньше. Из всех веществ, образующих Вселенную, водород все еще составляет 90%, а гелий — 9%. Все остальные вещества, образованные в результате синтеза, составляют только 1% от общего количества.
Почему же так происходит? Причина в том, что для того, чтобы процесс синтеза пошел, необходимо соблюдение ряда условий. Ядра должны столкнуться со значительной силой — но при обычных условиях этому препятствуют электроны. И даже если удалить препятствуют электроны. И даже если удалить электроны, все ядра будут иметь положительный заряд и станут отталкиваться друг от друга.
Поэтому для того, чтобы произошла реакция синтеза, должны соблюдаться такие параметры, как высокое давление и температура, что достижимо только в ядрах звезд.
Для того, чтобы вытеснить электроны из атомов водорода и затем столкнуть чистые ядра (отдельные протоны), преодолевая силу отталкивания их одинаковых зарядов, должна быть приложена огромная энергия. Как тогда мы можем говорить о синтезе как о самопроизвольном изменении, когда необходимо затратить столько энергии, чтобы произошла реакция?
Дело в том, что эта энергия является энергией активации и служит для того, чтобы процесс начался. Как только процесс пошел, освобождаемой энергии хватает для его продолжения, даже если большая часть излучается наружу. Таким образом, при синтезе выделяется гораздо больше энергии по сравнению в небольшим первоначальным импульсом. Поэтому в целом, сам по себе синтез является самопроизвольной энергопорождающей реакцией.
Если это трудно понять сразу, давайте рассмотрим пример с обычной спичкой. При комнатной температуре она никогда сама по себе не возгорится. Но если чиркнуть ею по шершавой поверхности, то головка спички от трения нагреется и воспламенится. Вскоре тепло от огня поднимет температуру находящихся рядом материалов до точки их возгорания. Это может продолжаться до бесконечности, и поэтому единственная непогашенная спичка может стать причиной огромного лесного пожара, выжигающего бесчисленные гектары леса.
Даже в центре звезды процесс ядерного синтеза проходит относительно медленно и постепенно. Процессы синтеза в нашем Солнце продолжаются уже почти 5 миллиардов лет при весьма незначительных внешних переменах, и этот процесс будет продолжаться, по крайней мере, еще 5 миллиардов лет.
Процесс преобразования водорода в гелий называется основной последовательностью. Этот процесс длится долго, так как при преобразовании водорода в гелий выделяется огромное количество энергии.
На протяжении миллиардов лет основной последовательности все больше и больше гелия скапливается в ядре Солнца, которое тем самым постепенно становится все массивнее. Усиливающееся гравитационное поле сжимает ядро все сильнее, увеличивая при этом температуру и давление, пока, наконец, параметры не достигнут такой величины, чтобы сообщить достаточную энергию активации для синтеза ядер атомов гелия в ядра с большей массой.