Очерки о Вселенной - Борис Александрович Воронцов-Вельяминов

Некогда существовало мнение, что энергия Солнца поддерживается падением на него метеоритов. Их кинетическая энергия превращается при падении в теплоту, поддерживающую излучение Солнца. Метеоритов должно было бы сыпаться на Солнце невероятно много, и они так быстро увеличивали бы массу Солнца, что это было бы заметно. Такой способ питания помог бы Солнцу не больше, чем нам, если бы мы вздумали вскипятить бочку воды, ставя на ее крышку горячие утюги.

Энергия должна в Солнце поступать изнутри к поверхности, как это показывают нам теперь все данные о природе Солнца.

С течением времени выдвигался еще ряд гипотез, отвергнутых впоследствии. Мы их перечислим вкратце, главным образом для того, чтобы кому-нибудь не пришло в голову взять на себя напрасный труд повторять ошибки прошлого.

Энергия Солнца могла бы пополняться за счет его сжатия, уменьшения в размерах. При этом энергия тяготения к центру переходила бы в энергию тепловую. Однако вычислено, что если бы даже Солнце было некогда бесконечно большим, то и в этом случае его сжатия до современного размера хватило бы на поддержание его энергии всего лишь в течение 20 миллионов лет. Между тем доказано, что земная кора существует и освещается Солнцем гораздо дольше. Сжатие может иметь и наверное имеет место, но не оно служит главным источником солнечной энергии.

Не состоят ли недра звезд из радиоактивных элементов таких, как торий, уран и радий? Распадаясь, они выделяют теплоту. Если бы Солнце целиком состояло из радия (а надо сказать, что на Земле его всего-навсего добыто только несколько десятков граммов), оно излучало бы больше энергии, чем действительное Солнце. Но при большой начальной расточительности, неизбежной при радиоактивном распаде, интенсивность его излучения спадала бы слишком быстро. Радий не мог бы поддерживать излучения Солнца так долго, как это необходимо. Допустить же существование тяжелых, «сверхрадиоактивных» элементов (не известных на Земле), да еще сконцентрированных в недрах Солнца, современная физика и теория внутреннего строения звезд не позволяют.

На наше счастье, физика атомного ядра, возникшая в двадцатых годах, указала нам источник звездной энергии, хорошо согласующийся с данными астрофизики и, в частности, с выводом о том, что большую часть массы звезд составляет водород.

Слышали ли вы о том, что водород горит? Да, водород в звездах «сгорает» и дает им нужное питание, но это совсем не то горение, т. е. не соединение с кислородом, которое известно из простого опыта. Горение — это химический процесс, т. е. перетасовка атомов между молекулами. Но энергии химических реакций недостаточно для поддержания солнечного тепла.

С другой стороны, при чудовищном жаре в недрах звезд невозможно существование ни молекул, ни атомов — они там распадаются. Там возможны только преобразования сложных систем, называемых ядрами атомов, когда-то считавшихся неделимыми. При температурах в миллионы градусов происходит распад не только атомов, но и их ядер и перетасовка продуктов распада, отчего образуются ядра новых элементов. Такие перетасовки называются ядерными реакциями.

Теория ядерных реакций привела к выводу, что источником энергии в большинстве звезд, в том числе и в Солнце, является непрерывное образование атомов гелия из атомов водорода.

Известно, что атом гелия имеет массу приблизительно в четыре раза большую, чем атом водорода. Однако мы не получим атома гелия, сложив попросту четыре атома водорода. Прежде чем материал четырех водородных атомов создаст атом гелия, должен произойти целый ряд чудесных превращений, напоминающих сказочные превращения оборотней. Но такие превращения не проходят «безнаказанно», при них выделяется энергия, что ведет к изменению массы. От того-то масса атома гелия получается несколько меньшей массы четырех атомов водорода.

Прежде чем ознакомиться подробнее, с тем, как происходят эти превращения и как работает фабрика гелия в недрах звезд, надо сначала мысленно «погрузиться» в недра крошечных атомных ядер.

Ядра и ядерные реакции

Наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев еще в 1869 г. распределил все известные в его время химические элементы в таблице, всему миру известной теперь под названием таблицы Менделеева.

Элементы расположены в ней в порядке весов их атомов, причем места элементов в таблице связаны с их химическими свойствами. Все открытые впоследствии химические элементы улеглись в клетки таблицы Менделеева, оставшиеся пустыми и ныне достигли числа 106 (В настоящее время искусственно получены новые элементы, более тяжелые, чем уран. Их назвали: нептуний (Np, Z=93), плутоний (Pu, Z=94), америций (Am, Z=95,), кюрий (Cm, Z-96), берклий (Bk, Z=97), калифорний (Cf, Z=98), эйнштейний (Es, Z=99), фермий (Fm, Z=100), менделевий (Md, Z=101), нобелий (No, Z=102), лоуренсий (Lr, Z=103), и курчатовий (Ku, Z=104). Кроме того, искусственным путем получены элементы: технеций (Тс, Z=43), прометий (Pm, Z=61), астат (At, Z=85) и франций (Fr, Z=87), не имеющие стабильных (т. е. не распадающихся) изотопов. Элементы 105 и 106 еще не получили официального наименования)). Порядковый номер элемента в этой таблице, начиная с 1 для водорода и кончая числом 106, называется атомным номером и обозначается Z. Впоследствии физики открыли, что существуют атомы, имеющие несколько различный атомный вес, но совершенно одинаковые химические свойства, и назвали их изотопами. Многие химические элементы представляют смесь таких изотопов, причем процент того и другого изотопа в их природной смеси оказывается почти всегда постоянным. Атомный вес каждого изотопа, обозначаемый А, по сравнению с весом атома водорода выражается почти точно целым числом. Неодинаковая доля участия изотопов в их смеси, известной химикам просто под названием того или другого элемента, и обусловила то, что в таблице Менделеева встречаются атомные веса, не выражаемые целыми числами. При этих исследованиях были открыты, в частности, изотоп водорода с атомным весом 2 (тяжелый водород, или дейтерий) и изотоп гелия с атомным весом 3, тогда как до этого считалось, что атомные веса этих элементов близки к 1 и к 4. «Тяжелого водорода» и «легкого гелия» встречается в природе очень мало, и потому вес «обычных атомов» (т. е. средний атомный вес) этих элементов очень близок к весу их основных изотопов, равному соответственно 1 и 4. Все это изменило прежние представления о том, что различие в атомном весе является главной причиной различия в химических свойствах элементов.

В помещенной здесь табличке приведены атомные номера Z и атомные веса А изотопов наиболее легких химических элементов, а также процентное участие каждого в их смеси, известной на Земле. Мы видим, например, что у бериллия нет изотопов, а у кислорода их целых три.