Здравствуйте, уважаемые слушатели!
Сегодня мы с вами побеседуем
о термоядерных реакциях в звездах.
В результате лекции, я надеюсь,
вам станет понятно, как образовались звезды,
что является источником энергии в звездах,
как образовались некоторые химические элементы.
Давайте вначале разберемся,
что такое термоядерная реакция.
Термоядерная реакция – это
разновидность ядерной реакции,
в которой происходит слияние легких ядер.
Для того чтобы ядра слились,
необходимо преодоление потенциального
кулоновского барьера,
возникающего в результате того,
что сами ядра, обладающие положительным зарядом,
взаимно отталкиваются
Для того чтобы преодолеть этот барьер,
необходимо, чтобы энергия ядер
была достаточно высока.
Для того чтобы реакция осуществилась,
ядрам необходимо сблизиться
на расстояние порядка размера самого атома,
а это величины на уровне 10 в –10 степени метра.
Такие термоядерные реакции могут
происходить только при очень высоких температурах,
порядка десятка миллионов градусов.
Тепло и свет Солнца,
как раз результат непрерывной термоядерной
реакции в самой звезде.
Термоядерные реакции являются
источником жизни не только для людей,
но и для самих звезд.
Но кто дал жизнь самим звездам?
На сегодняшний день считается,
что начало нашей вселенной было дано
после Большого взрыва,
когда вся вселенная представляла собой
высокооднородную и изотропную среду.
После большого взрыва образовалась смесь
из элементарных частиц, из космической пыли.
В результате образования локальных сгустков
плотности этой смеси и, как следствие,
возникновение областей с более высокой гравитацией,
стали образовываться зародыши звезд –
так называемые протозвезды –
которые, по своей сущности,
являются массивными газовыми облакоми.
В результате гравитационного взаимодействия
частичек газа и пыли
протозвезда начинает расти.
В центре протозвезды температура и давление
поднимаются до тех значений,
пока, наконец, не зажигается термоядерная реакция.
При рождении звезды
в ней начинает протекать
сложная термоядерная реакция,
носящая название протон-протонная реакция.
Она протекает в три стадии.
На первой стадии происходит
взаимодействие двух протонов,
в результате которого образуется изотоп водорода,
называемый дейтерий, выделяется позитрон,
нейтрино и некоторое количество энергии.
На следующей стадии дейтерий вступает
во взаимодействие с другим протоном,
в результате чего образуется ядро гелия-3,
который является изотопом гелия-4,
известного нам элемента
химической таблицы Менделеева.
Выделяется энергия в размере 5,5 МэВ.
И наконец, на третьей стадии,
состоящей в том, что два ядра гелия
взаимодействуют между собой,
образуется стабильный изотоп гелия-4,
и выделяются два протона.
Помимо этого мы с вами получаем
12,5 МэВ энергии.
Все эти реакции идут с выделением тепла,
что приводит к еще большему
разогреву внутреннего ядра звезды
до сверхвысоких температур
порядка 100 млн градусов по Кельвину.
Сжигание водорода внутри звезды
позволяет создать давление,
которое противостоит гравитационному давлению,
и звезда продолжает жить.
Обратите внимание, что в реакции,
описанной выше, на каждой ее ступени
образовывалось все более тяжелое ядро.
Чем массивнее звезда,
тем быстрее она сжигает водород.
Но запасы водорода в звезде не безграничны,
поэтому звезды имеют
определенный срок своей жизни.
Поэтому, чем массивнее звезда,
тем меньше ее время жизни.
Самые крупные звезды живут
порядка 10 млн лет, а самые маленькие –
десятки миллиардов лет.
По мере истощения запасов водорода
в недрах звезды происходит гравитационное сжатие,
и звезда начинает резко уменьшаться
в своих размерах.
При этом температура внутри ядра
резко повышается, заставляя
оставшийся там водород
вступить в новую термоядерную реакцию.
Также, одновременно образовавшийся гелий
вступает в новую реакцию,
и из-за еще большого количества выделяемой энергии,
происходит расширение
и превращение звезды в красный гигант.
Возникают условия для протекания
так называемой тройной гелиевой реакции,
результатом которой должно стать
полное выжигание гелия внутри звезды.
Эта реакция протекает в две стадии.
Первая стадия идет за счет
взаимодействия двух атомов гелия
с образованием бериллия.
При этом необходимо затратить
на эту реакцию небольшое количество энергии.
Во второй реакции происходит
взаимодействие бериллия с ядрами гелия.
При этом образуется углерод
и уже выделяется более 7 МэВ энергии.
Напомню, что 1 эВ
представляет собой энергию,
равную 1,6 на 10 в –19 степени Джоуля.
Казалось бы, безумно низкая величина,
но, тем не менее,
в термоядерных реакциях выделяется
энергия порядка мегаэлектронвольт,
т.е. миллионы.
А при сжигании химического топлива
на один атом углерода
выделяется всего 4 эВ.
Таким образом, теплотворная способность
термоядерных реакций в десятки миллионов раз
превышает теплотворную способность
химических реакций.
Становясь красным гигантом,
у звезды есть два дальнейших пути
существования. Если ее масса мала
и сопоставима с массой Солнца, например,
то после истощения топлива
(то есть водорода и гелия)
звезда вступает в окончательную стадию коллапса.
Звезды с массой несколько раз
больше массы Солнца
после сгорания гелия и очередного сжатия
обладают достаточной энергией для того,
чтобы запустить следующие
термоядерные реакции,
которые приводят к нуклеосинтезу
и рождению новых, более тяжелых элементов,
таких как углерод, кремний,
магний и все последующие.
Все элементы, вплоть до железа,
образовались именно в звездах.
После образования железа
термоядерная реакция затухает,
в результате звезда коллапсирует
и превращается в так называемую
нейтронную звезду.
Размер звезды может уменьшиться
до размера примерно 2 км.
Нейтронная звезда по свой сущности –
конечный продукт эволюции звезд.
Она состоит из нейтронной сердцевины
и покрыта тонкой коркой,
представляющей собой тяжелые
атомные ядра и электроны.
Плотность нейтронной звезды
составляет десятки миллионов тонн
в кубическом грамме.
Для слияния атомов железа
необходим мощный приток
энергии извне,
на этом нуклеосинтез в звездах,
к сожалению, заканчивается.