Лариса Михайлова - Сверхновая американская фантастика, 1997 № 01-02

Дженет, которая в детстве брала уроки игры на пианино и как раз может развлекать себя игрой, тепло посочувствовала, как обычно.

Но потом я стал искать в этом положительную сторону, поскольку не люблю расстраиваться подолгу, и сказал: « Конечно, пришлось бы при этом потратить кучу времени и безвозвратно убить при этом довольно значительную часть своей жизни ».

Это Дженет поняла, потому что она давно смирилась с мыслью, что я привык считать бесцельно потраченным любое время, когда не пишу (за исключением тех минут, что провожу с ней — если это не слишком долго).

А потому и восполняю время, проведенное вчера вечером за пианино, тем, что пишу об этом эпизоде — и теперь, чтобы не терять больше времени, я продолжу писать, хотя и совершенно о другом.

Все мы знаем, что можно извлекать энергию из ядер атомов, если делить их на более мелкие части (ядерное расщепление), или соединять в более крупные (ядерный синтез).

Тут кому-нибудь в голову может прийти, что можно получить неограниченное количество энергии, попеременно то расщепляя, то соединяя ядра между собой снова и снова. К сожалению, злонамеренная природа предусмотрела подобную идею и предотвратила её посредством законов термодинамики.

Действительно, можно расщеплять тяжёлые ядра и получать энергию, но продукты распада нельзя слить воедино и получить исходное ядро, не приложив по меньшей мере столько же энергии, сколько получилось в результате реакции распада.

Точно так же и лёгкие ядра, которые дают энергию в результате реакции синтеза, нельзя расщепить, не затратив по меньшей мере столько же энергии, сколько выделилось при синтезе.

Если мы проанализируем стихийные изменения, происходящие во Вселенной, то увидим, что тяжелые ядра другом случае появляются ядра, обладающие меньшим энергетическим потенциалом, чем те, которые были вначале; это значит, что частицы, из которых состоит конечный продукт, в целом легче, чем те, из которых состоят исходные ядра.

Если мы представим себе этот процесс, где тяжелые ядра становятся легче, а легкие — тяжелее, мы увидим, что можно вычислить ядро, где содержится наименьшее количество энергии и частицы с минимальной относительной атомной массой. Подобное «среднее» ядро не может далее отдавать энергию, увеличиваясь или уменьшаясь. В дальнейшем с ним не будет происходить никаких изменений.

Стабильная золотая середина представлена ядром железа-56, которое состоит из 26 протонов и 30 нейтронов. К подобному соотношению и количеству протонов и нейтронов в ядре стремятся прийти все ядерные реакции.

Давайте для примера рассмотрим некоторые факты.

Атомная масса ядерной частицы водорода-1 — 1,00797. Двенадцать ядерных частиц углерода 12 имеют относительную атомную массу 1,00000 (это величина, которая определяет единицу ядерной массы). Шестнадцать ядерных частиц кислорода-16 имеют относительную атомную массу 0,999884. (Разница в массе, конечно, невелика, но даже небольшая потеря массы может означать огромное увеличение потенциальной энергии).

С другого конца таблицы Менделеева, 238 ядерных частиц урана-238 имеют относительную атомную массу 1,00012. Масса 197 ядерных частиц золота-197 имеют относительную атомную массу 0,99983, 107 ядерных частиц серебра-107 — 0,99910. Как мы видим, с обоих концов таблицы Менделеева ядра элементов стремятся приблизиться к атомной массе железа-56, в котором атомная масса для ядерной частицы наименьшая. Железо-56 обладает наименьшим энергетическим потенциалом, поэтому этот элемент является наиболее стабильным.

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.