Вы уже знаете, что в середине XX в. возникла проблема поиска новых источников энергии. В связи с этим внимание ученых привлекли термоядерные реакции.
Термоядерной называется реакция слияния легких ядер (таких, как водород, гелий и др.), происходящая при температурах порядка сотен миллионов градусов.
Создание высокой температуры необходимо для придания ядрам достаточно большой кинетической энергии — только при этом условии ядра смогут преодолеть силы электрического отталкивания и сблизиться настолько, чтобы попасть в зону действия ядерных сил. На таких малых расстояниях силы ядерного притяжения значительно превосходят силы электрического отталкивания, благодаря чему возможен синтез (т. е. слияние, объединение) ядер.
В § 74 на примере урана было показано, что при делении тяжелых ядер может выделяться энергия. В случае с легкими ядрами энергия может выделяться при обратном процессе — при их синтезе. Причем реакция синтеза легких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжелых (если сравнивать выделившуюся энергию, приходящуюся на один нуклон).
Примером термоядерной реакции может служить слияние изотопов водорода (дейтерия и трития), в результате чего образуется гелий и излучается нейтрон:
Это первая термоядерная реакция, которую ученым удалось осуществить. Она была реализована в термоядерной бомбе и носила неуправляемый (взрывной) характер.
Как уже было отмечено, термоядерные реакции могут идти с выделением большого количества энергии. Но для того чтобы эту энергию можно было использовать в мирных целях, необходимо научиться проводить управляемые термоядерные реакции. Одна из основных трудностей в осуществлении таких реакций заключается в том, чтобы удержать внутри установки высокотемпературную плазму (т. е. почти полностью ионизированный газ, в котором и происходит синтез ядер). Плазма не должна соприкасаться со стенками установки, в которой она находится, иначе стенки обратятся в пар. В настоящее время для удерживания плазмы в ограниченном пространстве на соответствующем расстоянии от стенок применяются очень сильные магнитные поля. Но этот метод еще нуждается в совершенствовании.
Термоядерные реакции играют важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней.
Благодаря термоядерным реакциям, протекающим в недрах Солнца, выделяется энергия, дающая жизнь обитателям Земли.
Наше Солнце излучает в пространство свет и тепло уже почти 4,6 млрд лет. Естественно, что во все времена ученых интересовал вопрос о том, что является «топливом», за счет которого на Солнце вырабатывается огромное количество энергии в течение столь длительного времени.
На этот счет существовали разные гипотезы. Одна из них заключалась в том, что энергия на Солнце выделяется в результате химической реакции горения. Но в этом случае, как показывают расчеты, Солнце могло бы просуществовать всего нескольких тысяч лет, что противоречит действительности.
Оригинальная гипотеза была выдвинута в середине XIX в. Она состояла в том, что увеличение внутренней энергии и соответствующее повышение температуры Солнца происходит за счет уменьшения его потенциальной энергии при гравитационном сжатии. Она тоже оказалась несостоятельной, так как в этом случае срок жизни Солнца увеличивается до миллионов лет, но не до миллиардов.
Предположение о том, что выделение энергии на Солнце происходит в результате протекания на нем термоядерных реакций, было высказано в 1939 г. американским физиком Хансом Бете.
Им же был предложен так называемый водородный цикл, т. е. цепочка из трех термоядерных реакций, приводящая к образованию гелия из водорода:
где
— частица, называемая «нейтрино», что в переводе с итальянского означает
«нейтрончик».
Чтобы получилось два ядра
, необходимые для третьей реакции, первые две должны произойти дважды.
Мы знаем, что в соответствии с формулой
(см. § 73),
с уменьшением внутренней энергии тела уменьшается и его масса.
Чтобы представить, какое колоссальное количество энергии теряет Солнце в результате превращения водорода в гелий, достаточно знать, что масса Солнца ежесекундно уменьшается на несколько миллионов тонн. Но, несмотря на потери, запасов водорода на Солнце должно хватить еще на 5—6 миллиардов лет.
Такие же реакции протекают в недрах других звезд, масса и возраст которых сравнимы с массой и возрастом Солнца.
1. Какая реакция называется термоядерной?
2. Почему протекание термоядерных реакций возможно только при очень высоких температурах?
3. Какая реакция энергетически более выгодна (в расчете на один нуклон): синтез легких ядер или деление тяжелых?
4. Приведите пример термоядерной реакции.
5. В чем заключается одна из основных трудностей при осуществлении термоядерных реакций?
6. Какова роль термоядерных реакций в существовании жизни на Земле?
7. Какие гипотезы об источниках энергии Солнца вы знаете?
8. Что является источником энергии Солнца по современным представлениям?
9. На какой период должно хватить запаса водорода на Солнце по подсчетам ученых?
