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.