Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Нет сомнения, что возникнут новые идеи, способствующие решению проблемы осуществления управляемых реакций слияния легких ядер. Полагают, что эту проблему удастся решить в XXI веке и человечество будет обеспечено практически неисчерпаемым источником энергии.
Генезис химических элементов и ядерные реакции на Солнце и звездах. Существует несколько теорий, позволяющих обсуждать пути возникновения Вселенной. Они призваны объяснить процессы, которые приводят к сгущению вещества до огромных плотностей и к достижению очень высоких температур и давлений. Предполагают, что исходное вещество Вселенной было представлено атомами водорода. В определенных условиях вещество сгущалось и уплотнялось настолько, что возникали огромные гравитационные силы. С участием этих сил температура поднималась до 10б... 109 К и создавались условия для ядерных реакций.
Возможно, что на первом этапе происходили реакции с участием водорода и нейтронов:
,'Н+>-* 2H, 2H+ |Н-> 2Не, IHe+[п-+ 4JHe, J H + [ п -» I Не.
Последующее обогащение ядер Не нейтронами не возможно, т.к. период полураспада 2 Не равен всего 2•1O-21C В результате таких реакций происходило накопление гелия. И до настоящего времени вещество Вселенной обогащено водородом: содержание
264
В.В. Вольхин. Общая химия
атомов H = 88,6 %, атомов Не - около 11,3 %. В целом они составляют 99,9 % массы Вселенной. Из вещества примерно такого же состава сформированы звезды.
Не касаясь физики процессов образования и эволюции звезд, отметим лишь, что они представляют собой сгустки вещества огромной плотности ( « 108 г/см') и имеют очень высокую температуру (и 107 К). Температура оказывается достаточной для того, чтобы ядра [H при столкновении преодолевали силы взаимного отталкивания и происходили реакции синтеза ядер Не:
Если эти реакции суммировать так, чтобы сократились промежуточные продукты, то получим общее уравнение
4 J H -»J Не + 2? + + 2v + 2у, AE = 26,72 МэВ.
Такая серия реакций является основным источником энергии, излучаемой звездами. Они представляют также основной тип реакций, протекающих на Солнце.
Возраст Солнца порядка 5-109 лет. Но до сих пор в нем сохранилось около 90% водорода. Реакция сжигания (в ядерном смысле) водорода является источником солнечной энергии. Ежесекундно Солнце излучает энергию 3,9•1023ZJiW, что соответствует уменьшению его массы на 4,3 тысячи тонн. Но масса Солнца около 2,7•1O24 т, и потеря нескольких тысяч тонн оказывается лишь ничтожной долей от его массы. Мощность излучения Солнца мало изменилась за несколько миллионов лет существования Солнечной системы.
В более старых и массивных звездах аккумулируются значительные количества ядер Не. И в наиболее плотной и горячей части звезд происходит реакция
3 JHe-» 1IC+у.
Далее ядра углерода выступают катализатором для превращения протонов в ядра Не. Реакция включает в себя следующие стадии:
[H+1J1C-VjN+у,
1JN-V 1JCH-P +4- V, i H+'JC-VJN+у, [H + 'JN-» 'JO + у,
•;o-V5N + ? + + v,
|H+'75N-» 12C+ J Не,
нов в ядра гелия (см. выше). Но за счет каталитического действия ядер углерода реакция протекает с более высокой скоростью, чем предыдущая.
[H+ [H-» 2H + ? +V, I H + IH -» J Не + у, JHe+ JHe-» jHe + 2 [Н,
AE = 1,44 МэВ, AE = 5,49 МэВ, AE= 12,86 МэВ.
Ядерные реакции
265
дород «выгорает», происходит дальнейшее повышение плотности вещества в сердцевине звезд, и температура достигает 108 К. Наступает стадия «горения» гелия. Так, происходит реакция
I Не + J Не -» ] Be + у.
Но бериллий не накапливается. В его составе нечетное число нейтронов, и он неустойчив. Быстро происходят дальнейшие превращения:
jBe+jH-^ *В+у, 8B-» 2 jHe+? + + v,
которые подтверждают, что нестабильными являются также ядра 8B. Не накапливаются и ядра Li. Неустойчивость ядер ряда легких элементов приводит к тому, что гелий непосредственно превращается в углерод и кислород. Протекают реакции
3 jHe-V2C+y, 12C + J Не-> 1JO.
Такие реакции протекают и на Солнце. Но синтез более тяжелых элементов, чем С и О, на Солнце затруднен. Процессы «горения» углерода и кислорода осуществляются в более массивных звездах и при более высоких температурах. Например, протекают реакции
12C+12C-^Ne+JHe, '!О+ 1JO-* SSi + J Не.
При температурах порядка 109 К становятся возможными реакции
J00Ne+JHe-+2J Mg+ у,
2;Si + jHe-> J2S + Y идругие.
Такие реакции остаются экзотермическими вплоть до образования нуклида Fe. Преимущественно образуются те элементы, ядра которых стабильны. Реакции образования ядер более тяжелых элементов, чем 2gFe, становятся эндотермическими, и их прямой ядерный синтез оказывается нереальным. Но возможны реакции захвата нейтрона с последующими (одним или несколькими) ? "-распадами.
Пример реакций такого типа:
первая стадия
JZn +iw-> SZn+Y,
вторая стадия
JZn-+ jGa+?"+ v.
В итоге реакции образуется нуклид, атомный номер которого на единицу больше материнского нуклида. Наиболее тяжелые элементы синтезируются при одновременном
266
В.В. Вольхин. Общая химия
захвате ядром нескольких нейтронов. Такие реакции вполне возможны в мощных потоках нейтронов. Поэтому не удивительно, что следы 2Ц Cf существуют на звездах. В продуктах взрыва водородной бомбы были обнаружены такие элементы, как 99ES и iooFm.
