Юрий Фиалков - Как там у вас, на Бета-Лире? Страница 27

С помощью спектрального анализа химический состав Солнца был изучен давно и с большой доскональностью. Три четверти массы светила приходится на долю водорода, 24 % составляет гелий и лишь один, от силы два процента массы Солнца составляют все остальные элементы. Как видите, не случайно в первой же фразе этой главы я упомянул и водород и гелий. Потому что в данном случае все дело в них или, как справедливо было отмечено, в том, что атомная масса водорода равна 1,008, а атомная масса гелия — 4,0030. А чтобы быть совсем точным, следует отметить: все дело в том, что атомная масса гелия немногим меньше, чем учетверенная атомная масса водорода. В самом деле 1,008 x 4 = 4,032. Можно наполнить эти пока что безразмерные числа вполне конкретным содержанием: отмеченное различие (4,032—4,003) означает, что 1 грамм-атом гелия весит на 0,029 грамма меньше, чем 4 грамма-атома водорода.

Надеюсь, не последует вопроса: «Ну и что?» Потому что и четвероклассник и, уж конечно, все, кто постарше, знают, что на Солнце водород превращается в гелий и дефект массы, сопровождающий это превращение, и есть источник солнечной энергии. Каждый, кто задастся целью провести расчеты с помощью главного уравнения теории относительности (E = mc2), убедится, что 0,03 грамма массы соответствует громадному количеству энергии. Ну, а 4,5 миллиона тонн массы… Словом, теперь уже понятно, почему светит и греет Солнце.

Солнце без малейших натяжек можно назвать водородной печкой, в которой водород, сгорая, превращается в золу — гелий. Конечно, правоверный химик поморщится, услышав, как глагол «гореть» применяют для описания процесса, не имеющего ничего общего не только с реакцией восстановления кислорода, но и вообще с химией. Ну, а во всем остальном аналогия безупречна.

Сама реакция «горения» предельно проста:

4Н = Не.

Но это простенькое уравнение, может быть, устроит шестиклассника, но уже для эрудита-девятиклассника оно, безусловно, недостаточно. Собственно говоря, для осуществления написанной реакции должны столкнуться не атомы водорода, а атомные ядра, то есть протоны.

И тут-то выходит неувязка. Не в том даже дело, что вероятность столкновения в одной точке одновременно четырех протонов очень мала (примерно такого же порядка, что и выигрыш «Москвича» по денежно-вещевой лотерее). И не в том закавыка, что протоны эти должны столкнуться с довольно высокой скоростью. А в том дело, что четыре одноименно заряженных протона, подходя друг к другу, будут думать не столько о том, как слиться в ядро гелия, а о том, как бы побыстрее разойтись. Причина — все тот же Кулон!

Надо полагать, что реакция образования гелия из водорода так бы и не пошла, если бы не незначительная примесь углерода, который присутствует в солнечном газе. Потому что вначале водород взаимодействует именно с углеродом:

C12 + H1 = N13.

При этой реакции, как видим, образуется изотоп азота с массовым числом 13. Изотоп радиоактивен и быстро распадается, выбрасывая позитрон. Масса при этом не изменяется, а вот порядковый номер, конечно, уменьшается на 1, и, следовательно, образуется изотоп углерода-13. Дальше в игру снова вступает протон:

C13 + H1 = N14

Образовавшийся азот взаимодействует с очередным протоном:

N14 + H1 = O15.

Кислород-15 радиоактивен: выбрасывая позитрон, он превращается в азот-15. И именно с этим изотопом разыгрывается заключительный этап цепочки превращения:

N15 + H1 = C12 +He4.

Давайте проанализируем все эти реакции. Прежде всего обратим внимание на углерод. Хотя сравнение с птицей Фениксом, безусловно, относится к числу наиболее эксплуатируемых, но здесь, право, ничего лучшего не придумаешь. Действительно, какие только превращения не претерпевал этот углерод-12! Становился своим собственным изотопом, и превращался в азот, кислород, но в конце концов воскресал!

А результат? Результат написан выше: четыре ядра атома водорода (посчитайте, сколько протонов участвует в приведенных реакциях) превращаются в ядро атома гелия.

У химиков имеется предельно точное обозначение роли, которую здесь играет углерод-12: катализатор. Оказывается, существуют катализаторы не только химических реакций, но и ядерных. И в данном случае я не стал бы пенять на природу за отсутствие разнообразия.

Вообще думаю, человеку на природу жаловаться не приходится. Вот природа на человека сетовать может. Но это разговор совсем для другой книги.

«Пусть всегда будет Солнце!»

К этому возгласу из прекрасной песни А. Островского я присоединяюсь всей душой (особенно к ее словам, где говорится о маме…). И тем не менее я рискую поссорить поэзию с астрофизикой (хотя, видит бог, мне этого очень не хочется!), отметив, что этому прекрасному пожеланию сбыться не суждено. Нет вечных материальных тел во Вселенной. И Солнце, как бы нам этого ни хотелось, исключением здесь не является.

Категорически отвожу возможные упреки в упадочничестве. Разве признание того, что все живое смертно, заставляет нас предаваться унынию? Да и не может, не должна быть пессимистической никакая позиция, основанная на признании объективных законов природы.

Прежде всего следует выяснить, не несет ли на себе Солнце какую-либо печать исключительности. Конечно, светило, которое даровало человечеству жизнь и поныне всеми силами поддерживает ее, достойно любой степени необычности! Но — увы! — ничего из ряда вон выходящего в свойствах Солнца обнаружить нельзя: заурядная звезда, и только!

Положение? В периферийной области Галактики.

Масса? Не очень малая — бывают звезды и поменьше, но и не очень большая — бывают светила куда больше. Можно сказать, что звезд по массе, близких к Солнцу, в видимой части Вселенной, пожалуй, большинство.

Температура? В общем, тоже не особенно высокая, но и далеко не низкая. Впрочем, как раз о температуре звезд следует поговорить подробнее.

Как и у человека, температура звезды красноречиво свидетельствует о ее состоянии. Поэтому астрономы подразделяют звезды на восемь классов, кладя в основу классификации температуру поверхности. Вряд ли стоит перечислять признаки каждого из классов. Скажу только, что температура поверхности звезд изменяется в очень широких пределах.

Слова о связи температуры с состоянием звезды — вовсе не литературный прием. Эти параметры действительно тесно взаимосвязаны. И это для нас, пожалуй, интереснее всего.

Чтобы у читателя не создалось впечатления, что все последующие рассуждения касаются только Солнца, будем говорить не о нем, а о какой-то отвлеченной, но похожей на Солнце по массе и химическому составу звезде по имени, скажем, Суирис. Такой звезды нет в астрономических каталогах, но поскольку Вселенная бесконечна, то должна же быть где-то звезда Суирис!

Какими бы астрономическими — вот уж подходящее для этого случая слово! — числами ни выражались запасы водорода на звезде, рано или поздно он должен «выгореть» (зная, что применение этого слова к ядерному процессу должно царапать слух правоверных химиков, я, следуя физикам, буду все же применять именно этот термин, причем даже не прибегая к кавычкам). Да и как не выгореть, если на Суирисе ежесекундно — ежесекундно! — миллионы тонн водорода превращаются в гелий.

Примерно через 10–12 миллиардов лет Суирис процентов на восемьдесят будет состоять из гелия, который соберется в центре звезды, образуя плотное ядро. К этому времени возникнет громадный перепад температур между наружной оболочкой звезды, которая резко охладится по сравнению с нынешней поверхностью Суириса, и ядром, которое из-за сильного сжатия нагреется до 100 миллионов градусов. При такой температуре начинается процесс, об искусственном осуществлении которого физики пока что могут только мечтать, — синтез углерода из гелия:

ЗНе = С.

При такой температуре гелий активничает вовсю и поэтому, присоединяясь к углероду, образует кислород. Затем тот же гелий переводит кислород в более высокий ранг неона; он же дарует затем неону звание магния (реакций не привожу — взглянув на таблицу Менделеева, можете убедиться, что здесь все достаточно просто). На этом изменение химического состава Суириса временно прекращается: дальнейшие ядерные превращения, связанные с образованием более тяжелых элементов, требуют более высокой температуры ядра. И это повышение не замедлит последовать. Но тут надобно отметить одно обстоятельство…

Все эти прелюбопытные процессы протекают в ядре звезды. А оболочка светила тем временем охлаждается все больше. И вот уже на вращающиеся вокруг Суириса планеты падает тепла впятеро, вдесятеро, в сотни раз меньше. Население планет вынуждено перейти на ядерные источники энергии (сырье для них еще сохранилось на планетах), либо зарываться поглубже в недра планет (если эти недра к тому времени не остыли), либо строить громадные ракеты и искать другую подходящую планетную систему.