Ядерные реакции

Ядерными реакциями называются процессы превращения атомных ядер. Они могут происходить при самопроизвольном радиоактивном распаде или при взаимодействии ядер с элементарными частицами, а также между собой. Многие из них сопровождаются выделением энергии.

Во Вселенной основную роль играют ядерные реакции синтеза, которые являются источниками энергии звезд и причиной образования всех, кроме водорода, химических элементов во Вселенной (см. Звезд, эволюция). Они протекают как в недрах звезд, так в некоторых случаях (см. Барстеры) и при аккреции вещества на их поверхности.

Реакции деления атомных ядер происходят в недрах планет со значительно меньшим выделением энергии и влияют на соотношение химических веществ, являющихся малыми примесями планетных атмосфер и литосфер.

Превращение водорода в гелий, основной источник энергии Солнца и звезд, происходит путем двух различных циклов термоядерных реакций. Далее - левый индекс у обозначения химического элемента обозначает величину его электрического заряда, правый индекс - его атомный вес.

Протон-протонная реакция - основная цепочка.

Углеродный цикл (основная цепочка).

Во второй цепочке реакций углерод восстанавливается, т.е. является катализатором.

Как видно, общее время превращения четырех ядер водорода в одно ядро гелия при цепочке реакций углеродного цикла составляет 6,5 миллионов лет, а при цепочке протон-протонной реакции - несколько десятков миллиардов лет. Однако столь длительное время компенсируется огромным количеством атомных ядер, вовлеченных в реакции одновременно. При температуре менее 17 миллионов градусов и массах звезд порядка массы Солнца основной цепочкой реакций является протон-протонная, при более высоких температурах - углеродный цикл.

После истощения запасов водорода и увеличения температуры до 200-300 миллионов градусов начинаются реакции синтеза углерода и кислорода из гелия:

⁴He + ⁴He + ⁴He = ¹²C _{(возбужденное ядро)} = ¹²C + энергия;

¹²C + ⁴He = ¹⁶O + энергия.

В некоторых случаях возможен синтез небольших количеств неона и магния:

¹⁶O + ⁴He = ²⁰Ne + энергия;

²⁰Ne + ⁴He = ²⁴Mg + энергия.

Интенсивности этих реакций в большой мере зависят от массы звезды. Однако “выгорание” гелия происходит за время, меньшее миллиона лет, т.е. гораздо быстрее, чем “выгорание” водорода. 

Вслед за этим, при температурах порядка 500-700 миллионов градусов, начинаются реакция “горения” углерода: 

¹²C + ¹²C = ²⁴Mg + энергия;

¹²C + ¹²C = ²³Na + протон;

¹²C + ¹²C = ²³Mg + нейтрон.

Затем, при температурах порядка 2 миллиардов градусов, начинаются реакции “горения кислорода”:  

¹⁶O + ¹⁶O = ³²S _{(возбужденное ядро)} = ²⁸Si + альфа частица + энергия; 

¹⁶O + ¹⁶O = ³²S _{(возбужденное ядро)} = ³¹P + протон + энергия; 

¹⁶O + ¹⁶O = ³²S _{(возбужденное ядро)} = ³¹S + нейтрон + энергия. 

Кроме того, синтезируется некоторое количество ³⁰Si, ³²S, ³⁶Ar.

После окончания горения кислорода образовавшиеся атомные ядра подвергаются все усиливающейся бомбардировке гамма-фотонами, от них отщепляются протоны, нейтроны и альфа-частицы. В условиях все повышающейся температуры - от 3 до 5 миллиардов градусов - они в разных сочетаниях присоединяются к ядрам и происходит образование всего набора атомных ядер вплоть до железа и никеля. 

Механизмы синтеза более тяжелых, чем железо, химических элементов основаны на нейтронных захватах с последующими бета-распадами. 

Схема этого процесса выглядит следующим образом. Нейтроны, которым не препятствуют кулоновские силы, проникают в ядра атомов и связываются там внутриядерными полями (см. Поле физическое, сильных взаимодействий). В результате каждого захвата нейтрона образуется все более тяжелый изотоп исходного химического элемента. При бета-распаде - испускании одного электрона из ядра - количество протонов в ядре увеличивается на единицу, т.е. образуется ядро следующего по номеру химического элемента. 

Активный “р – процесс” (здесь “р” от английского “r” – rapid – быстрый) образования более тяжелых, чем железо, химических элементов происходит при взрывах сверхновых звезд т.е. в условиях, при которых потоки свободных нейтронов наиболее интенсивны.

Менее активный “с – процесс” (здесь “с” от английского “s” – slow – медленный) образования этих элементов протекает в недрах звезды в тот период ее эволюции, когда значительная часть ее водорода уже синтезирована в гелий. Причем, в это время в недрах звезды уже должен начаться этап синтеза углерода и кислорода из гелия, а хотя во внешней части зоны ядерных реакций еще догорает водород.