"Цепкие" ядра и "катастрофическое" железо: Удивительные процессы, лежащие в основе ядерного синтеза

Процесс термоядерного синтеза - настоящее чудо природы. В декабре Министерство энергетики США разнесло по всему миру весть о прорыве в термоядерной энергетике: впервые удалось достичь реакции, в результате которой было получено больше энергии, чем было использовано для питания лазера, запустившего этот процесс. Хотя это был огромный шаг вперед, количество энергии необходимой для работы лазера в большинстве случаев по-прежнему требуется в 100 раз больше, чем вырабатывается в результате реакции, поэтому впереди еще много работы. Но все эти исследования поднимают ряд интересных вопросов: как вообще работает термоядерный синтез, и какое отношение все это имеет к жизни и смерти звезд? Железо называют пеплом звёздного синтеза, накапливающимся внутри звёзд, поскольку это последний элемент, получаемый в результате слияния ядер - процессе который потребляет не больше энергии, чем ее вырабатывает. Journal Science Focus. ESO/L. CALSADA/M. Cornmesser. Железо называют пеплом звездного синтеза, накапливающимся внутри звезд, поскольку оно является последним элементом, образующимся в результате слияния ядер, который потребляет не больше энергии, чем образуется в результате термоядерной реакции. Photo. Если вы знакомы с основами ядерной энергетики и ядерного оружия, вы должны обратить внимание на очевидное противоречие. Атомные электростанции и атомные бомбы работают за счет расщепления атомных ядер (деление), в то время как термоядерный синтез и водородные бомбы работают за счет энергии, получаемой при слиянии (синтезе) ядер. Это интересно: Астрономы разрабатывают инструменты для предсказания вспышек на Солнце и корональных выбросов массы. Но как возможно и то, и другое? Это связано со странной "цепкостью" атомных ядер и ее зависимостью от количества протонов и нейтронов в атоме. Начнем с ядерной реакции, которая питает Солнце: водород превращается в гелий. Нейтральный атом водорода — это протон с привязанным к нему электроном. Новорожденные звезды состоят в основном из ядер водорода (т.е. только протонов), с небольшим количеством ядер гелия, электронов и других элементов. Поскольку все протоны положительно заряжены, они электрически отталкиваются друг от друга, но при достаточном количестве тепла и давления они иногда сталкиваются между собой. Когда это происходит, они начинают взаимодействовать с помощью мощных ядерных сил, и тогда картина кардинально меняется. На таких близких расстояниях сила притяжения сильнее электрического отталкивания, поэтому два протона, столкнувшиеся на очень близком расстоянии, сливаются. Художественное изображение красной сверхгигантской звезды Бетельгейзе, открытое Очень большим телескопом Very Large Telescope ESO. На снимке видна горячая поверхность и материал, рассеиваемый звездой по мере ее старения. Barbara Bubbi Share. Journal Science Focus. "Слипшиеся" протоны в ядре звезды проходят через несколько стадий трансформации, прежде чем превратиться в гелий (протон-протонный цикл), но ключевым моментом является то, что большие ядра связаны более прочно, чем маленькие. Такое свойство можно назвать "цепкостью". Обычно элементы более легкие, чем железо, становятся более цепкими по мере увеличения их плотности, и когда при слиянии менее цепких ядер образуются более цепкие, выделяется энергия. Представьте себе санки (ледянку) на вершине снежной горки. Чтобы начать движение, вам нужно подтолкнуть их, но как только вы это сделаете, они наберут энергию в процессе спуска и смогут продолжать движение до тех пор, пока не доедут до подножия горы. Читайте также: Миниатюрные атомные генераторы, способные обеспечить энергией небольшие космические корабли, удалось разработать ученым Рочестерского технологического института. Именно поэтому термоядерная энергия в принципе достижима: если вам удастся запустить реакцию и поддерживать ее, вы сможете создать систему, в которой водород превращается в гелий и выделяется энергия. Водородные бомбы работают по тому же принципу, только они намного взрывоопаснее. В звездах в результате термоядерного синтеза образуются некоторые из самых распространенных на Земле элементов. Когда массивная звезда израсходует все свои запасы водорода, она, условно говоря "поднимется вверх по периодической таблице" и начинает создавать условия для синтеза гелия, углерода, неона, кислорода и кремния. В процессе синтеза этих элементов увеличение количества протонов усиливает цепкость ядер, что приводит к выделению энергии. Но когда очередь доходит до железа, ситуация катастрофические меняется. Некоторые из тяжелых элементов во Вселенной образовались в результате катастрофического столкновения и взрыва нейтронных звезд, впервые доказали исследователи. Некоторые из тяжелых элементов Вселенной образовались в результате столкновений нейтронных звезд. Легкие элементы, такие как водород и гелий, образовались во время большого взрыва, а элементы вплоть до железа - в результате термоядерного синтеза в ядрах звезд. Некоторые более тяжелые элементы, такие как галлий и бром, нуждаются в чем-то большем, например, в сверхновой звезде. Другие - такие, как золото и уран, которые наиболее богаты нейтронами, - требуют процесса, называемого захватом быстрых нейтронов. В этом случае атомное ядро бомбардируется нейтронами. В результате чего оно разрастается до нестабильных размеров, но все происходит так быстро, что элемент не успевает расщепиться на части. Journal Science Focus. Из всех ядер, которыми изобилуют звезды, именно железо является наиболее цепким - с технической точки зрения, существует более цепкий изотоп никеля, но она редко образуется в процессе звездообразования. Таким образом, если в процессе слияния более мелких ядер образуется железо, вы получаете больше энергии, но если вы попытаетесь добавить больше протонов, то в итоге получите что-то менее прочно связанное, поэтому процесс будет скорее забирать, чем отдавать энергию. Железо — это атом в самом низу лестницы, с одной стороны которой находятся ступеньки, ведущие к водороду, а с другой - к самым тяжелым элементам. Последствия для звезды таковы: когда ее ядро заполняется железом, термоядерный синтез перестает работать, и, следовательно энергия, удерживающая звезду от разрушения, больше не вырабатывается. Читайте также: Страны БРИКС намерены создать новую платежную систему и полностью отказаться от доллара. В этот момент звезда взрывается в виде сверхновой, образуя либо невероятно плотную нейтронную звезду, либо черную дыру. В результате взрыва энергия выбрасывается в звездные обломки, в которых могут зародиться более тяжелые элементы, (подобно тому, как если бы вы подтолкнули санки с горки). Более тяжелые элементы менее прочно связаны друг с другом, поэтому в результате реакций, разрывающих ядра, выделяется энергия. Именно так работает деление: очень тяжелые элементы, такие как уран и плутоний, расщепляются контролируемым образом на атомных электростанциях или же в момент взрыва в атомных бомбах. Для того чтобы запустить этот процесс, требуются определенные усилия, нужен первоначальный толчок, но количество высвобождаемой энергии может быть огромным. Будет ли термоядерная энергия когда-нибудь питать наши города, это нам еще предстоит узнать. А пока мы всегда можем по достоинству оценить тот огромный термоядерный реактор, который находится в небе прямо над нами, а также тот факт, что он находится на достаточно безопасном расстоянии, и водорода в нем хватит на несколько миллиардов лет. Источники и ссылки: Journal Science Focus, M.V. Lomonosov Moscow State University 1. (http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/063.htm) 2. (https://www.sciencefocus.com/news/clingstrange-science-nuclear-fusion/)