Большая Советская Энциклопедия (ТЕ)

Т. р., как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением энергии (точнее, выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению энергии связи). При этом сам механизм этого «экзоэнергетического» сдвига к средней части периодической системы элементов Менделеева здесь противоположен тому, который имеет место при делении тяжёлых ядер: почти все практически интересные Т. р. — это реакции слияния (синтеза) лёгких ядер в более тяжёлые. Имеются, однако, исключения: благодаря особой прочности ядра ⁴ He (a-частица) возможны экзоэнергетические реакции деления лёгких ядер (одна из них, «чистая» реакция ¹¹ B + р ® 3⁴ Не + 8,6 Мэв, привлекла к себе интерес в самое последнее время).

Большое энерговыделение в ряде Т. р. обусловливает важность их изучения для астрофизики, а также для прикладной ядерной физики и ядерной энергетики. Кроме того, чрезвычайно интересна роль Т. р. в дозвёздных и звёздных процессах синтеза атомных ядер химических элементов (нуклеогенеза).

Скорости Т. р. В табл. 1 для ряда Т. р. приведены значения энерговыделения, основной величины, характеризующей вероятность Т. р. — её максимального эффективного поперечного сечения (s_макс , и соответствующей энергии налетающей (в формуле реакции — первой слева) частицы.

Главная причина очень большого разброса сечений Т. р. — резкое различие вероятностей собственно ядерных («послебарьерных») превращений. Так, для большинства реакций, сопровождающихся образованием наиболее сильно связанного ядра ⁴ He, сечение велико, тогда как для реакций, обусловленных слабым взаимодействием (например, р + р ® D + е⁺ + n), оно весьма мало.

Т. р. происходят в результате парных столкновений между ядрами, поэтому число их в единице объёма в единицу времени равно n₁ n₂ <vs(v) >, где n₁ , n₂ — концентрации ядер 1-го и 2-го сортов (если ядра одного сорта, то n₁ n₂ следует заменить на

n² ), v — относительная скорость сталкивающихся ядер, угловые скобки означают усреднение по скоростям ядер v [распределение которых в дальнейшем принимается максвелловским (см. Максвелла распределение )].

Температурная зависимость скорости Т. р. определяется множителем < vs(v) >. В практически важном случае «не очень высоких» температур T < (10⁷ ,10⁸ ) К она может быть приближённо выражена в виде, одинаковом для всех Т. р. В этом случае относительные энергии Е сталкивающихся ядер, как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера (последняя даже для комбинации ядер с наименьшим зарядом z = 1 составляет ~ 200 Кэв, что соответствует, по соотношению E = kT, T ~ 2x10⁹ K) и, следовательно, вид s(v) определяется в основном вероятностью «туннельного» прохождения сквозь барьер (см. Туннельный эффект ), а не собственно ядерным взаимодействием, в ряде случаев обусловливающим «резонансный» характер зависимости s(v) (именно такая зависимость проявляется в наибольших из значений s_макс в таблице 1). Результат имеет вид

< vs(v) > = constxТ^{– 2/3} ехр}

,

где const — постоянная, характерная для данной реакции, Z₁, Z₂ — заряды сталкивающихся ядер,

 — их приведённая масса, е — заряд электрона,

 — Планка постоянная , k — Больцмана постоянная .

Таблица 1

	Реакция	Энерговыделение, Мэв	sмакс , барн (в области энергий lb1 Мэв )	Энергия налетающей частицы, соответствующая sмакс , Мэв
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21	p + p ® D + e^+ + v p + D ® ^3 He + g p + T ® ^4 He + g D + D ® T + P D + D ® ^3 He + n D + D ® ^4 He + g D + T ® ^4 He + n T + D ® ^4 He + n T + T ® ^4 He + 2n D + ^3 He ® ^4 He + p ^3 Не + ^3 Не ®^4 Не+2р n + ^6 Li ® ^4 He + T p + ^6 Li ® ^4 He + ^3 He p + ^7 Li ® 2^4 He + g D + ^6 Li ® ^7 Li + p D + ^6 Li ® 2^4 He D + ^7 Li ® 2^4 He + n p + ^9 Be ® 2^4 He + D p + ^9 Be ® ^6 Li + ^4 He p + ^11 B ® 3^4 He p + ^15 N ® ^12 C + ^4 He	2,2 5,5 19,7 4,0 3,3 24,0 17,6 17,6 11,3 18,4 12,8 4,8 4,0 17,3 5,0 22,4 15,0 0,56 2,1 8,6 5,0	10^– 23 10^– 6 10^– 6 0,16 (при 2 Мэв ) 0,09 — 5,0 5,0 0,10 0,71 — 2,6 10^– 4 6x10^– 3 0,01 0,026 10^– 3 0,46 0,35 0,6 0,69 (при 1,2 Мэв )	— — — 2,0 1,0 — 0,13 0,195 1,0 0,47 — 0,26 0,3 0,44 1,0 0,60 0,2 0,33 0,33 0,675 1,2

p — протон, D — дейтрон (ядро дейтерия ² H), Т — тритон (ядро трития ³ H), n — нейтрон, е+ — позитрон, v — нейтрино, g — фотон.

Т. р. во Вселенной играют двоякую роль — как основной источник энергии звёзд и как механизм нуклеогенеза. Для нормальных гомогенных звезд, в том числе Солнца, главным процессом экзоэнергетического ядерного синтеза является сгорание Н в Не, точнее, превращение 4 протонов в ядро ⁴ He и 2 позитрона. Этот результат можно получить двумя путями (Х. Бете и др., 1938—39): 1) в протон — протонной (рр) цепочке, или водородном цикле; 2) в углеродно-азотном (CN), или углеродном, цикле (таблицы 2 и 3).

Первые 3 реакции входят в полный цикл дважды. Времена реакций рассчитаны для условий в центре Солнца: Т = 13 млн К (по другим данным — 16 млн К), плотность Н — 100 г /см³. В скобках указана часть энерговыделения, безвозвратно уходящая с n.

В CN-цикле ядро ¹² С играет роль катализатора. Для Солнца и менее ярких звёзд в полном энерговыделении преобладает рр-цикл, а для более ярких звёзд — CN-цикл.

Табл. 2. — Водородный цикл

Реакция	Энерговыделение, Мэв	Среднее время реакции
р + р ® D+e^+ + v е^+ + е^– ®2g p + D ® ^3 He + g ^3 Не + ^3 Не ® ^4 Не+2р	2x0,164 + (2x0,257) 2x1,02 2x5,49 12,85	1,4x10^10лет— 5,7 сек 10^6 лет
Итого 4p ® ^4 He + 2e^+	26,21 + (0,514)

Водородный цикл разветвляется на 3 варианта. При достаточно больших концентрациях ⁴ He и T > (10 , 15) млн К, в полном энерговыделении начинает преобладать др. ветвь рр-цикла, отличающаяся от приведённой в таблице 2 заменой реакции ³ He + ³ He на цепочку:

³ He + ⁴ He ® ⁷ Be + g, ⁷ Be + e^– ® ⁷ Li + g,

p + ⁷ Li ® 2⁴ He,

а при ещё более высоких Т — третья ветвь:

³ He + ⁴ He ® ⁷ Be + g, р + ⁷ Ве ® ⁸ В + g,

⁸ B ® ⁸ Be + e⁺ + n, ⁸ Be ® 2⁴ He.

Для звёзд-гигантов с плотными выгоревшими (по содержанию Н) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы Т. р.; они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем рр- и CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей, начиная с T » 200 млн К, является так называемый процесс Солпитера: 3⁴ He ® ¹² C + g₁ + g₂ + 7,3 Мэв (процесс не строго тройной, а двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро ⁸ Be). Далее могут следовать реакции ¹² C +⁴ Не ® ¹⁶ O + g, ¹⁶ O + ⁴ He ® ²⁰ Ne + g; в этом состоит один из механизмов нуклеогенеза. Возможность процесса Солпитера, а тем самым и нуклеогенеза большинства элементов (предпосылка возникновения всех форм жизни!) связана с таким случайным обстоятельством, как большая «острота» резонанса в ядерной реакции 3⁴ Не ® ¹² С, обеспечиваемая наличием подходящего дискретного уровня энергии у ядра ⁸ Be.