Химия Солнца

Трудно даже вообразить, что человек может изучить химию Солнца. Но наука сумела многое сделать: мы знаем теперь химический состав Солнца, знаем (и знаем уже немало) о грандиозных процессах — источниках солнечной энергии. С помощью спектрального анализа было найдено на Солнце более 60 элементов периодической системы Менделеева.

Определены даже количественные соотношения между химическими элементами на Солнце. Оказалось, что Солнце — это мир раскаленного водорода. Водородных атомов там почти в 5 раз больше, чем атомов гелия, и в 1000 раз больше, чем атомов всех остальных элементов, вместе взятых.

Среди других элементов на Солнце преобладают углерод, кислород и азот. Немало там и магния, алюминия, кремния, серы, железа. В меньшем количестве присутствуют калий, кальций, натрий, свинец и др. Обнаружено даже несколько представителей редких земель; можно быть уверенным, что будут найдены и остальные. Как и повсюду в мироздании, на Солнце преобладают легкие элементы, с малыми атомными номерами. Кроме того, как правило, элементов с четными порядковыми номерами на Солнце значительно больше, чем их соседей по периодической таблице с нечетными номерами.

Обнаружены на Солнце и простейшие химические соединения, молекулы которых способны выдержать очень высокую температуру. Это не какие-нибудь особые, «солнечные» соединения — нет, химики умеют их получать и исследовать на Земле. Это простейшие радикалы: СН, ОН, NH, CaH, SiH, CN. Более сложные молекулы, вероятно, не могут существовать на Солнце. С точки зрения старой химии, имеющей дело только с электронными оболочками атома, химия Солнцу, по-видимому, очень проста. Но на Солнце протекают процессы ядерной химии, и в очень грандиозных масштабах.

Периодический закон Менделеева помогает разобраться в том, что происходит на Солнце (и, конечно, на звездах, похожих на наше Солнце) и какие превращения испытывают на Солнце атомные ядра. В его недрах, при немыслимо высоких температуре и давлении, атомы элементов теряют почти все свои электроны. В условиях сжатого до огромной плотности газа, состоящего главным образом из протонов и электронов, ядер гелия и относительно небольшой примеси ядер и ионов других элементов, протоны могут вступать между собой и с ядрами других элементов в ядерно-химические реакции.

Солнце — это мир водорода. Ядра остальных элементов окружены со всех сторон протонами (ядрами водорода) и могут сталкиваться почти исключительно лишь с протонами. Другие столкновения происходят значительно реже. Если скорости и энергия сталкивающихся атомных ядер достаточно велики, то при столкновении оба ядра сливаются, и возникает новый элемент.

На Солнце протекает очень много различных ядерных реакций. Далеко не все они хорошо изучены, о многих из них мы еще и не подозреваем. Одна из известных нам ядерных реакций на Солнце имеет особое значение. Она определяет природу Солнца. Это реакция образования гелия из водорода. Она протекает различными путями. Протоны могут соединяться непосредственно друг с другом. При этом образуются ядра дейтерия (тяжелый изотоп водорода) и гелия-3 (легкий изотоп гелия). Реагируя с протонами, они образуют ядра гелия-4.

Но еще интереснее и важнее сложная ядерная каталитическая реакция — синтез гелия из водорода на углеродных атомах. Эта реакция протекает не сразу, а в несколько ступеней. Катализатором в этой солнечной реакции служит углерод, точнее, его наиболее распространенный изотоп ¹²С, тот самый, которого больше всего и на Земле. Первая стадия реакции — соединение ядер водорода с ядрами изотопа углерод-12. При этом возникает атомное ядро с семью положительными зарядами: у углерода их шесть, а с протоном добавляется еще один. С таким атомным ядром ученые знакомы; на Земле его нет, но они уже умеют получать его искусственно.

Согласно правилу сдвига элемент при увеличении заряда ядра на единицу превращается в другой, занимающий в таблице Менделеева следующую по порядку клетку. Углерод-12, захватив протон, превращается в азот — в радиоактивный изотоп азота — азот-13. Период его жизни невелик: за 10 мин он распадается наполовину. Выбрасывая позитрон и нейтрино, тяжелый азот превращается снова в тяжелый изотоп углерода ¹³С. Не нужно думать, что это какой-то особенный «солнечный» углерод. Его-много и на Земле: в земном углероде изотопа ¹³С около 1%.

Образовавшееся ядро тяжелого углерода ¹³С, подвергаясь новым ударам протонов, может слиться с тем из них, который обладает достаточно большой энергией. При этом, как следует из закономерностей периодического закона, возникает ядро азота, но уже с большей атомной массой: на этот раз возникает самый обычный азот ¹⁴N, который содержится в атмосфере Земли и который мы вдыхаем вместе с кислородом.

Какие бы элементы ни возникали на Солнце в цепи ядерно-химических превращений, какие бы элементы там ни существовали, их судьба предопределена: они снова и снова должны участвовать в протонных превращениях. Такова же судьба и изотопа азота ¹⁴N: его ядра будут реагировать с ядрами водорода. При их соединении, согласно правилу сдвига, должно возникнуть ядро легкого кислорода ¹⁵О. Однако такого изотопа на Земле нет, но физики умеют его получать и хорошо изучили его свойства. Он радиоактивен и исчезает в короткое время. При распаде этот изотоп испускает позитрон и нейтрино и уже в третий раз превращается в азот, в тяжелый изотоп азота — ¹⁵М. Он стабилен, хорошо известен и в небольшом количестве всегда присутствует в обычном земном азоте.

На Солнце в это атомное ядро снова внедряется протон, и тут ядро ¹⁵N сразу распадается, выбрасывая а-частицу (ядро атома гелия), и превращается в ядро изотопа обычного углерода ¹²С, с которого началась эта удивительная цепь последовательных ядерных превращений. Итак, на Солнце атомное ядро углерода в результате четырех последовательных ядерных реакций с протонами, трижды превратившись в азот, один раз — в тяжелый углерод, один раз — в кислород, выбросив по дороге два позитрона, потеряв две загадочные частицы — нейтрино, превращается в конце концов в тот же самый изотоп углерода ¹²С и а-частицу.

В результате углерод остался таким же, каким он и был. Но исчезли четыре водородных ядра, и возникло ядро гелия. Оно сформировалось на углеродном атомном ядре, которое осталось без изменений, послужив ядерным катализатором в ядерно-химической реакции — в синтезе гелия из водорода. Таким образом, водород на Солнце — топливо, а гелий — зола, отбросы.

Долго, невообразимо долго продолжается этот замечательный ядерный цикл реакций: должно пройти почти 5 млн. лет, пока атом углерода после всех последовательных превращений станет снова атомом углерода. Ведь далеко не каждое соударение с протоном ведет к реакции. Требуются миллионы лет, чтобы среди бесчисленного множества столкновений ядер углерода с протонами произошло столкновение с таким быстрым протоном, энергия которого так велика, что он способен проникнуть в маленькую неприступную крепость — атомное ядро.

Но и с такой скоростью (за 5 млн. лет одно полное превращение) эта реакция может идти только при температуре не ниже 20 млн. К. Температура же на поверхности Солнца не превышает 6000 К. Это означает, что тайна Солнца скрыта в его недрах, в его центральных областях, где, как рассчитывают ученые, царят чудовищно высокие температуры, близкие к 20 млн. К.

Не нужно думать, что все только что изложенное — это лишь предположение ученых. Физики уже сумели повторить в лабораториях все стадии солнечного ядерно-химического процесса. Ученым не нужно ждать миллионы лет, чтобы осуществить самую медленную стадию этого цикла. В ускорителях получают протоны с такой большой энергией, которая превышает их возможную энергию при 20 млн. К на Солнце. Спектроскописты сумели определить, сколько углерода на Солнце. Они измерили, сколько в нем тяжелого изотопа ¹³С. Физики рассчитали скорость этой реакции, нашли, сколько энергии выделяется при каждом полном цикле. Астрономы измерили массу солнечного шара, рассчитали температуры в его глубинах.

В результате большой общей работы было найдено, что при 20 млн. К при том количестве изотопа ¹³С, какое было найдено на Солнце, должно возникать ровно столько энергии, сколько ее излучает Солнце. Несмотря на то что как будто бы ученые выяснили и поняли, каким образом рождается солнечная энергия, дающая жизнь нашей Земле, все еще остается неразгаданной тайна процессов в недрах Солнца. Дело в том, что во всех ядерно-химических реакциях на Солнце, протекающих с выделением позитрона, одновременно должны появляться удивительные, неуловимые, лишенные массы частицы — нейтрино. Но до сих пор ученым не удается, несмотря на все попытки, обнаружить поток нейтрино от Солнца. Почему их нет, пока никто не знает. Может быть, наши представления о механизме солнечных реакций неверны или эти частицы почему-то до нас не долетают? А может быть, просто мы еще не научились их ловить?

Посмотрите на солнышко, как много чудесного рассказали ученым его ласковые лучи, в которых вы греетесь и загораете летом, о таинственных и загадочных процессах, протекающих за миллионы километров от нашей Земли. Но еще не все понято, не все изучено. Многое и многое остается на вашу долю, юные читатели Детской энциклопедии.

Солнце — ядерный реактор

Может возникнуть вопрос: хороший ли с точки зрения техники наших дней ядерный реактор Солнце? Но какое в этом может быть сомнение? Давайте посчитаем... Основной источник энергии на Солнце — термоядерная реакция: синтез гелия из водорода. Главным образом за счет этой реакции оно каждую секунду излучает в мировое пространство 3,86*10²⁶ Дж. Только для того чтобы поддержать этот расход энергии, масса Солнца каждую секунду уменьшается на 4,3 млн. тонн! Из этой невообразимо чудовищной по земным масштабам энергии и до нас доходит немало: у границ земной атмосферы на каждый квадратный сантиметр приходится в секунду энергии 0,14 Дж. Это составляет две калории в минуту на 1 см². Прикиньте сами, сколько приходится на весь наш земной шар. Неплохой ведь, кажется, реактор! Верно? Сколько же энергии выделяется на Солнце в расчете на единицу его массы? Какова его удельная мощность? Массу Солнца астрономы сумели измерить очень точно: она равна 1,991*10³⁰ кг, или 1,991*10²⁷ т. Из этого следует, что удельная мощность Солнца очень невелика, она составляет всего 0,194 Вт/т. Таким образом, удельная мощность Солнца равна всего-навсего приблизительно 0,2 Вт на тонну! Пожалуй, Солнце не очень эффективный источник энергии.

перейти к началу страницы