Солнце – главный источник жизни на Земле, который выделяет колоссальное количество энергии. Как же происходит производство этой энергии внутри светила?
К 1938 году Ганс Бете, американский физик-термоядерщик, провёл фундаментальный анализ всех известных тогда публикаций по ядерной физике и написал три статьи, известные сейчас как «Библия Бете». Их публикация состоялась одновременно с конференцией физиков и астрофизиков, где обсуждались вопросы внутреннего строения звёзд. Результатом этой встречи стали расчёты Бете относительно ядерных процессов, в ходе которых водород преобразуется в гелий. Они опубликованы в труде «Генерация энергии в звёздах» (1939), выводом которого стало следующее утверждение: Солнце и звёзды светятся по причине того, что в их ядрах имеются реакторы ядерного синтеза
История изучения протон-протонных реакций
Как установил в 60-х годах XX века Бете, запаса гравитационной энергии звёзд недостаточно для того, чтобы поддерживать их жизнь. Это следует из частного потенциальной энергии 1 грамма вещества, падающего на поверхность Солнца, и мощности излучения Солнца.
Открытие радиоактивности позволило определить возраст Земли и метеоритов, по которым можно было судить о появлении в Солнечной системе вещества в твёрдой фазе. Из этих данных было установлено, что Солнце существует около 5 млрд лет. Таким образом, тяготение не единственный источник энергии светила. Это стало подтверждением Бете вывода о том, что звёздная энергия поддерживается за счёт термоядерных реакций.
Они представлены протон-протонными и CNO-циклами, которые препятствуют дальнейшему сжатию звезды и её коллапсированию. В их ходе из четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия с выделением энергии и нейтрино. Существование этих частиц стало доказательством того, что на небесном теле действительно происходит горение водорода.
Протон-протонные реакции невозможно наблюдать напрямую, поскольку они проходят внутри небесного светила. Их наличие доказывается косвенно: через толщу Солнечного вещества проходят нейтрино, фундаментальные частицы, о существовании которых предположили в рамках проблемы бета-распада ещё в 30-х годах XX века. Проблема регистрации нейтрино на поверхности Земли связана с их низкой энергией. Чтобы уловить эти частицы, требуется огромное количество сверхчистого вещества (сцинтиллятора). В нём при столкновении нейтрино и атома данного вещества рождается электрон или мюон (неустойчивая элементарная частица с отрицательным зарядом), который испускает черенковский свет, улавливающийся фотоумножителями. Это позволяет измерить энергию и направление прихода нейтрино, что и доказывает их "солнечное" происхождение.
Чем обуславливалась необходимость измерения нейтрино? С помощью него было возможно подтвердить Стандартную солнечную модель, согласно которой 99 % энергии производится в ходе реакций протон-протонного цикла
Цепочка протон-протонных реакций
Цикл начинается со слияния двух протонов и последующего бета-распада дипротона, в результате которого образуется ядро дейтерия, позитрон (античастица электрона) и электронное нейтрино. Гораздо реже – 0,25 % случаев – дейтрон (ядро изотопа водорода) и нейтрино рождаются при столкновении двух протонов и электрона (pep-реакция). Затем ядро дейтерия поглощает еще один протон, превращается в ядро гелия-3 и испускает фотон. Следующий этап цикла идёт по одному из четырёх сценариев, которые описаны ниже (цветом выделены реакции, в ходе которых рождается нейтрино)
Вывод
Итак, основной источник энергии Солнца составляют протон-протонные реакции, которые предположил и доказал американский физик-ядерщик Ганс Бете, за что получил нобелевскую премию в 1967 году. Протон-протонный цикл – термоядерный процесс, в результате которых из четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия с выделением энергии и нейтрино. Нейтрино – фундаментальные частицы, продукты бета-распада – позволяют косвенно доказать существование данного процесса. На Земле они улавливаются с помощью сцилляторов – сверхчистых веществ – и фоточувствительных датчиков. Результаты измерения нейтрино позволяют утверждать, что 99 % энергии Солнца выделяются в ходе протон-протонных реакций