Ведь выделившаяся после соединения частиц энергия должна каким-то образом обнаружиться в их движении. Чтобы это произошло, необходим третий участник реакции — например, еще один нейтрон, который после слияния другого нейтрона с протоном начинает двигаться с большой скоростью; одновременно начинает двигаться и вновь образовавшийся дейтрон, причем с такой скоростью и в таком направлении, что суммарный импульс системы остается неизменным. Если перед соединением все три частицы находились в покое, то выделившаяся энергия будет равна сумме кинетических энергий дейтрона и нейтрона. Сумма масс движущихся дейтрона и нейтрона (которая превышает суммарную массу покоя этих двух частиц) в таком случае точно равна сумме масс покоя двух свободных нейтронов и протона. Впрочем, сталкиваясь далее с другими атомами и ядрами, образовавшиеся в реакции слияния дейтрон и нейтрон теряют свою кинетическую энергию (соответственно и массу), передавая ее атомам газа или иного вещества.
Избыток энергии, возникающий при соединении двух частиц, может также испускаться в виде фотона. В этом случае не обязательно присутствие третьей частицы, а соответствующий импульс принимает на себя фотон. Однако такой процесс реализуется значительно труднее, чем предыдущий.
В любом случае энергию, высвобождающуюся в процессе слияния нуклонов, должны уносить какие-то частицы; фотон, электрон, нейтрино, другой; нейтрон (иди протон,) и т. д. Правда, сам по себе закон сохранения энергии не требует участия в этом процессе других частиц - избыточную, энергию, мог бы нести сам возникший дейтрон (при этом возросла бы его кинетическая, энергия), но тогда был бы нарушен закон сохранения импульса.
Следовательно» слияние протона с нейтроном, т. е. сближение их до расстояния, равного радиусу сильных взаимодействий невозможно без участия других частиц. Поэтому реальный ход процесса слияния протонов и нейтронов в тяжелые ядра далеко не прост, а его скорость может быть очень мала даже при благоприятных условиях (каковые существуют, например, в недрах звезд). Кроме того, и в недрах звезд, вероятно, нет достаточного количества свободных нейтронов. А чтобы могли объединиться в ядро дейтерия протон с протоном
p + p = d + e+ + ne,
они должны, кроме того, преодолеть силу электростатического отталкивания, а для этого протоны должны обладать очень большой энергией.
Даже если двум протонам при столкновении с высокой энергией удается сблизиться настолько, что между ними возникает сильное взаимодействие, остается еще следующее препятствие: один из протонов должен превратиться в нейтрон, ибо связанного состояния двух протонов (т. е. ядра, состоящего из двух протонов) не существует. Но пока такое превращение произойдет, протоны могут разлететься. Ведь превращение протона.в нейтрон обусловлено не сильными, а слабыми взаимодействиями, а такие реакции, как мы знаем из гл. 5, протекают примерно в 1014 раз медленнее, чем реакции, вызванные сильными взаимодействиями. Очевидно, именно поэтому указанный процесс соединения протонов, который в принципе возможен (закон сохранения импульса при этом не нарушается), не удалось до сего времени обнаружить в земных условиях ни в экспериментах на ускорителях, ни при ядерных взрывах. Однако подобные реакции, вероятно, протекают в недрах большинства звезд: протоны ионизованного водорода (преобладающего в недрах звезд) при невообразимо большом давлении и температуре порядка 10—20 млн. градусов сталкиваются внутри звезды настолько часто, что названная (трудноосуществимая) реакция, обусловленная слабым взаимодействием, реализуется с большой вероятностью. «Медленный» темп этой реакции определяет скорость, с которой водород расходуется в звездах а следовательно, и скорость излучения ими энергии. Именно благодаря тому, что реакция синтеза протона с протоном протекает под влиянием слабых взаимодействий, наше Солнце и большинство других звезд светят сравнительно долго (и спокойно), медленно расходуя свои запасы ядерного топлива. Если бы мы могли «отметить» в центре Солнца какой-то протон и следить, за какое время он соединится с другим протоном, образуя дейтрон, то нам пришлось бы дожидаться такого события в среднем 14 млрд. лет. За это время число столкновений этого протона другими протонами достигло бы 1028 (но это были бы так сказать, встречи без серьезных последствий).
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.