Сергей Язев - Лекции о Солнце

Чтобы понять смысл этой концепции, вспомним, как устроены атомы.

Самое простое и распространенное вещество в нашей Вселенной – это водород. Атом водорода устроен предельно просто. Его ядро – это элементарная частица с единичным положительным электрическим зарядом, которая называется протоном . Атом – электрически нейтральное образование. Вокруг протона движется частица, которая примерно в 1840 раз меньше протона по массе. Эта частица обладает единичным отрицательным электрическим зарядом. Это электрон . Положительный заряд протона нейтрализуется отрицательным зарядом электрона.

Второй по распространенности во Вселенной химический элемент – это гелий. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух электрически нейтральных частиц – нейтронов . Масса нейтрона чуть меньше массы протона и в 1838 раз больше массы электрона. Вокруг ядра атома гелия витают уже два электрона.

Другие типы атомов устроены сходным образом. У каждого очередного типа атомов (химического элемента) в ядре все больше протонов и нейтронов, а число электронов, обращающихся вокруг ядра, равно числу протонов.

Мечта средневековых алхимиков заключалась в том, чтобы научиться получать из одного химического элемента другой (причем не какой-нибудь, а, разумеется, золото!). Однако все попытки достичь желаемого так и не увенчались успехом. Сегодня мы понимаем, что для того чтобы из одного типа атомов получить другой – например, из водорода получить гелий, – нужно попытаться объединить между собой ядра атомов водорода.

В обычных условиях это невозможно. Протоны положительно заряжены, а одинаковые заряды, как мы помним из курса физики средней школы, отталкиваются. При этом отталкиваются они с гигантской силой: сила электрического взаимодействия, или сила Кулона, оказалась чрезвычайно мощной! Она и сводила на нет все усилия алхимиков.

Но как же тогда два протона в ядре атома гелия уживаются между собой, находясь совсем рядом? Что удерживает от разлета взаимно отталкивающиеся протоны в ядрах еще более тяжелых атомов (того же золота), где их (протонов) может оказаться несколько десятков?

Выяснилось, что в природе существует так называемое сильное ядерное взаимодействие – сила, работающая внутри ядер атомов. Она примерно в 100 раз сильнее кулоновского отталкивания. Именно сильное ядерное взаимодействие прижимает протоны друг к другу внутри ядер атомов, «склеивает» их между собой. Но это взаимодействие обладает удивительным свойством: оно работает только на очень коротких расстояниях – порядка размеров атомного ядра! Достаточно протонам чуть разойтись между собой – и эта удивительная сила сейчас же исчезает, и тогда кулоновское отталкивание отбрасывает протоны друг от друга.

Итак, для того чтобы «собрать» из ядер водорода (протонов) ядро более тяжелого атома, нужно решить практически нерешаемую задачу: преодолевая могучее кулоновское отталкивание, необходимо приблизить протоны вплотную друг к другу – настолько, чтобы они за счет включившегося сильного взаимодействия «слиплись» между собой.

Как сказано выше, в обычных условиях это невозможно. Но оказалось, что это становится возможным в недрах Солнца, в самой его сердцевине, которая называется солнечным ядром !

Гигантская масса Солнца приводит к тому, что под воздействием силы тяжести вещество (это и есть преимущественно ядра атомов водорода, то есть протоны) сжато в центре нашей звезды до огромных плотностей. Расчеты показывают, что плотность вещества в ядре Солнца достигает 153 граммов в кубическим сантиметре, что в 153 раза больше плотности воды! Даже аналогичный по объему кубик железа весит всего около восьми граммов. В единице объема в ядре Солнца оказывается очень много вещества.

Второй фактор, помогающий термоядерным реакциям, – это колоссальная температура в недрах светила. Мы уже отмечали, что она превышает 15 миллионов градусов. Но что такое температура? Это мера кинетической энергии отдельных частиц (в данном случае протонов), то есть характеристика их скорости!

Если мы говорим об абсолютном нуле температуры, это означает, что частицы просто не движутся. Потому-то температура не может быть ниже абсолютного нуля: если движения уже нет, то и уменьшать его дальше некуда. Если же частицы начинают двигаться, то мы говорим, что температура газа, состоящего из этих частиц, отлична от нуля. Если же частицы движутся с большими скоростями, мы рассуждаем о высокой температуре.

Что же может произойти с протонами, если заставить их двигаться с гигантскими скоростями и при этом набрать огромное их количество в единице объема? Появляется слабая, очень малая, но все-таки отличная от нуля вероятность столкновений!

На самом деле происходящие процессы оказываются гораздо сложнее. Здесь начинает работать так называемый туннельный эффект , описанный квантовой физикой. Он позволяет протонам иногда преодолевать кулоновский барьер и сближаться – практически до столкновения.

Современная ядерная физика довольно подробно изучила эти процессы. Каждый протон сам по себе чрезвычайно устойчив, он может существовать многие миллиарды лет. Но, оказавшись очень близко к другому протону, он может распасться, превратившись в нейтрон с испусканием двух частиц: одна из них называется позитрон (электрон с положительным зарядом), а другая – нейтрино (частица с микроскопической массой и не обладающая электрическим зарядом). Эти легкие частицы быстро покидают «поле боя»: нейтрино практически не взаимодействует с тяжелыми частицами и может свободно пройти сквозь все Солнце с околосветовой скоростью, покинув его. Позитрон немедленно превратится в порцию (квант) гамма-излучения , аннигилируя (взаимноуничтожившись) при столкновении с первым же встречным электроном.

Что же будет с образовавшимся нейтроном? Он объединится с тем самым протоном, с которым произошло его столкновение. Эти две частицы образуют так называемое ядро тяжелого водорода – дейтрон .

Описанный процесс может происходить крайне редко. Теоретические расчеты показывают, что протоны из-за гигантской плотности и высокой температуры в ядре Солнца сталкиваются там между собой миллионы раз в секунду. Но только одно из десяти миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов столкновений может окончиться распадом одного из сталкивающихся протонов и немедленным объединением образовавшегося нейтрона с другим протоном. Для каждой пары протонов такое объединение может происходить в недрах Солнца в среднем один раз за 14 миллиардов лет! Именно поэтому термоядерные реакции идут так долго, и Солнце не погасло (и не погаснет!) на протяжении долгих миллиардов лет. А благодаря тому, что протонов очень много, реакция все-таки идет непрерывно – каждую секунду в нее вступают примерно 4 миллиона тонн протонов.