В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

Действие третье. В самых общих чертах мы знакомимся с солнечными термоядерными циклами. За многие десятилетия пристального изучения Солнца накопилось немало достоверных сведений о нем. В частности, установлено, что главные солнечные вещества — это гелий и водород, по массе их там не менее 98 %. В то же время, исследуя ядерные превращения в своих земных лабораториях, физики выяснили, что при определенных условиях четыре атома водорода могут слиться в один атом гелия и что в этой ядерной реакции выделяется огромная энергия. Из 1 г водорода получается примерно 0,992 г гелия плюс такое количество энергии, для получения которого пришлось бы сжечь 200 т угля, т. е. 8—10 железнодорожных вагонов. А из всего этого сам собой напрашивается вывод — энергию солнечного излучения дает превращение водорода в гелий.

Это, конечно, только так говорится, «сам собой напрашивается вывод…», на проработку возможных вариантов солнечных термоядерных реакций ушли десятилетия, в этой работе участвовали сильнейшие умы физики. Одна из главных трудностей состояла в том, что четыре ядра атома водорода не могут сразу слиться в одно ядро гелия, и нужно было найти реальные цепочки промежуточных ядерных реакций, реальные солнечные циклы, открывающие путь из водорода в гелий. В итоге получили признание два таких цикла: углеродный (точнее, углеродно азотно-кислородный) и водородный, который в свою очередь может развиваться по нескольким разным ветвям — борной, бериллиевой, литиевой и другим. Названия химических элементов говорят о том, что именно через них проходит многоступенчатая термоядерная реакция; проходит путь из водорода в гелий.

Разные циклы в принципе могут давать разный вклад в солнечную энергетику — все зависит от неизвестных нам пока конкретных условий, и прежде всего от температуры и давления в солнечных недрах. Так, в частности, считается, что на углеродный цикл сейчас приходится всего 2–3 % излучаемой энергии, но его роль резко возрастет немного позже, через 2–3 млрд. лет, когда температура Солнца заметно повысится. А пока роль главного поставщика солнечной энергии отводится водородному циклу, который всегда начинается с так называемой рр– реакции — со слияния двух ядер водорода, т. е. двух протонов (они обозначаются буквой р), в ядро дейтерия. Реакция эта сопровождается выбрасыванием позитрона и нейтрино.

Действие четвертое.Обнаруживается чрезвычайно важная особенность рр– реакции, оберегающая Солнце от взрыва. Мир, в котором мы живем, устроен несколько сложней, чем это кажется с первого взгляда. Так, например, «невооруженным глазом» мы умеем ощущать только гравитационные взаимодействия— притяжение тел (скажем, падение яблока на землю), обусловленное особой сущностью, которую назвали массой. Но уже опыты с натертой расческой и компасом вводят нас в мир электромагнитных взаимодействий, обусловленных уже не массой, а совсем иными, незаметными поначалу свойствами — электричеством и намагниченностью. Свою особую природу имеют ядерные, или, иначе, сильные, взаимодействия — их не проиллюстрируешь простейшими опытами на столе, но кто может сомневаться в реальности ядерных сил после миллионов киловатт атомных электростанций! Наконец, еще один особый вид взаимодействий — их называют слабыми — со своими особыми законами и повадками, со своей сферой действий. Слабые взаимодействия, в частности, отличаются поразительной, если можно так сказать, инертностью, пассивностью, и это очень хорошо видно на примере рр– реакции.

Для того чтобы два водородных ядра, два протона, слились в ядро гелия, они обязательно должны сильно сблизиться, должны столкнуться. Но этого мало — должно еще произойти некое не очень понятное пока «нечто», которое как раз и называют слабым взаимодействием. Происходит такое «нечто» чрезвычайно редко — вы много раз сильно хлопаете дверью, пока наконец легонько срабатывает защелка замка и дверь захлопывается. Применительно к солнечной рр– реакции возможны такие цифры: на каждые 10⁵⁰ столкновений двух протонов в среднем приходится одно рождение ядра дейтерия; протон в среднем 2 млрд лет ждет своего включения в дейтерий. Подобная инертность слабых взаимодействий— это созданный природой своего рода защитный механизм, оберегающий Солнце от взрыва, — протонов много, сталкиваются они часто, но в каждый данный момент очень малая их часть совершает слабое взаимодействие, вступает в рр– реакцию. И поэтому Солнце не взрывается, а как бы тлеет, растягивая свои энергетические ресурсы на миллиарды лет.

В ядре дейтерия две тяжелые частицы — протон и нейтрон: перед рр– реакцией было два протона, один остался сам собой, а второй превратился в нейтрон и именно в результате слабого взаимодействия. При этом родились две новые частицы — позитрон, который унес положительный заряд протона, и нейтрино. У нейтрино нет ни ощутимой массы, ни электрического заряда, оно рождено слабыми взаимодействиями и только в них может участвовать.

Действие пятое. Настойчивый Рэй Девис дает повод для острых споров о втором солнечном кризисе. Тщательно отработанные гипотезы солнечных циклов — это пока лишь гипотезы. И у нас, у землян, пока есть только одна возможность убедиться в том, что гипотетические ядерные циклы действительно идут на Солнце. Эта возможность — изучение нейтрино, рожденных в солнечных термоядерных реакциях и добравшихся до Земли. Только нейтрино, безразличные ко всему, почти никогда не вступающие в контакты с веществом (частицы слабых взаимодействий!), могут вырваться из солнечных глубин, где как раз полыхает термоядерное топливо, идет превращение водорода в гелий. Никакие другие известные нам гонцы, кроме нейтрино, ни электромагнитные волны, ни разнообразные атомные частицы, не могли бы пройти сквозь толщу Солнца и принести на Землю сообщения о том, что в действительности происходит в недрах нашей звезды.

Но если нейтрино так легко проходят сквозь все и вся, то как можно их обнаружить на Земле? В какие сети поймать? В 1946 г. молодой в то время физик, ныне академик, лауреат Ленинской премии Бруно Максимович Понтекорво предложил хлор-аргоновый метод регистрации нейтрино, на основе которого развились нынешние системы детектирования (обнаружения) этих неуловимых частиц. Сущность метода состоит в следующем: некоторые нейтрино, попав в атомы вещества, все же взаимодействуют с их ядрами; при этом один из нейтронов ядра, выбросив электрон, превращается в протон; число положительных зарядов в ядре увеличивается на единицу; атом передвигается в следующую клеточку таблицы Менделеева; это значит, что происходит рождение нового химического элемента, т. е. именно то, о чем мечтали средневековые алхимики. Вот так нейтрино может превратить атом хлора-37 в атом аргона-37 (рис. 6 на цветной вклейке). Выделив из хлора атомы аргона и посчитав их, мы узнаем число нейтрино, пойманных веществом.

Почти через 10 лет после того, как был предложен этот метод, американский физик Рэй Девис построил первую установку с хлор-аргоновым детектором для регистрации нейтрино, вылетающих из атомного реактора. Основой установки был бак на 12 т перхлорэтилена — хлористого соединения, для которого была отработана технология извлечения атомов аргона-37. Первые же результаты, полученные на новой установке, оказались совершенно неожиданными — никаких нейтрино вообще не было обнаружено. Позже, через несколько лет, этому нашли объяснение — в реакторе образуются антинейтрино, а не нейтрино. Но еще до того, во времена, когда многие компетентные люди считали, что нужно бросить это пустое хлор-аргоновое предприятие, Девис, продемонстрировав пример удивительной целеустремленности, начал создание новой, значительно более крупной установки с 600-тонным перхлорэтиленовым детектором. Установка в этот раз была рассчитана на регистрацию солнечных нейтрино, строилась она 4 года, и в 1968 г. пошли первые результаты измерений. Эти результаты тоже были отрицательными — профессор Девис солнечных нейтрино не обнаружил.

Результаты Девиса, конечно же, вызвали поток идей и мнений, в том числе и самых экстремальных. Кое-кто считал, что наступил второй солнечный кризис, что нужно полностью отказаться от термоядерных циклов и признать свою полную несостоятельность — в звездах, в частности в Солнце, действуют какие-то незнакомые нам источники энергии. А может быть, там горит вакуум… Или полыхает время… Или тлеет еще какое-нибудь неизвестно что. И другая крайность — результаты Девиса вообще нельзя принимать всерьез. Где гарантия, что из детектора извлекается весь аргон? Может быть, атомы аргона просто «прилипают» к хлору и мы, таким образом, не получаем вообще никакой информации о действии нейтрино…

Что касается экспериментальной «грязи», то Девис, кажется, сделал все возможное, чтобы исключить ее. Он, например, поштучно вводил в бак атомы аргона-37, а затем извлекал их почти все до одного. Или превращал хлор в аргон, но уже не с помощью нейтрино, а совсем другим, тщательно контролируемым способом, и опять-таки извлекал все атомы, которые должны были появиться согласно расчетам. Кое-кто из скептиков еще пытается раздуть уголек сомнений, но вряд ли из "него разгорится пламя, способное ликвидировать проблему. И в то же время пока никак не скажешь, что проблема солнечных нейтрино переросла во второй солнечный кризис.

Действие шестое. Неожиданный результат нейтринных экспериментов пока может привести к одному только выводу — нужно работать. Начнем с того, что Девис, повысив точность метода, все же обнаружил нейтрино, хотя и в чрезвычайно малом количестве, пока оно согласуется с моделями Солнца не на много лучше, чем прежнее «ничего». Вместе с тем теоретики пересмотрели эти модели и заметно снизили свои требования касательно нейтринных потоков. Началось также конструктивное обсуждение некоторых, как казалось раньше, слишком смелых гипотез, которые могли бы объяснить низкий уровень нейтринных потоков, регистрируемых на Земле.