Термоядерные процессы

Рассмотренные нами до сих пор процессы основаны на радиоактивном распаде ядер или на взаимодействии ядер с элементарными частицами. Удивительно, но существует некий особый класс реакций, основанных на слиянии двух или более ядер в одно. Такие процессы сопровождаются громадным выделением энергии и называются "реакциями термоядерного синтеза". Вот вам самый простой пример такой реакции. Берется смесь двух типов ядер водорода - ядра первого типа состоят из одного протона и одного нейтрона, а второго типа - из одного протона и уже двух нейтронов. Реакцию проводят при очень большой температуре: она нам необходима уже хотя бы для того, чтобы получить эти самые ядра, выгнав электроны из атомов. При взаимодействии двух разных ядер водорода они соединяются в ядра гелия (состоящие из двух протонов и двух нейтронов), а возникающий лишний нейтрон улетает восвояси. Реакция сопровождается таким огромным выделением тепла, что его с большим запасом хватает для самопроизвольного продолжения соединения остальных атомов водорода. Устройство, в котором с успехом проводят описанную выше реакцию, специалисты называют "водородной бомбой", а сам процесс синтеза - "термоядерным взрывом". По аналогии с цепной реакцией деления ядер урана люди многие годы пытаются найти способ управления термоядерными процессами, чтобы получать энергию постепенно, а не в виде взрыва. К сожалению, пока науке неизвестно, какие материалы следует в этом случае вдвигать в зону реакции, и эта проблема до сих пор не решена.

Строение Солнца

Наше Солнце - это огромный источник энергии. Не будь его, все живое на Земле давно бы загнулось. Немудрено, что люди испокон веков стараются разобраться в устройстве нашего светила и понять, откуда же там берется энергия. К сожалению, Солнце само по себе очень плотное, и поэтому ученым удается наблюдать только его поверхность. Но даже скудные знания об интенсивности свечения поверхности, спектре, наличии пятен и температуре позволяют разработать стройную теорию процессов, происходящих в недрах Солнца. И такая теория уже построена! В основе нее лежит разветвленная система реакций термоядерного синтеза, продукты которых вступают в аналогичные термоядерные реакции, приводящие к образованию все более тяжелых ядер. Ученым удалось подобрать такие реакции, которые должны в конечном итоге привести к наблюдаемым ими свойствам поверхности Солнца. Но как проверить эту теорию? Вроде бы несложно, ведь в результате термоядерных процессов образуется большое число самых разных элементарных частиц и ядер, которые можно было бы исследовать. Не тут то было! Эти частицы не долетают до нас по простой причине - Солнце большое и плотное, и все продукты реакции застревают в нем, как в хорошей защите, даже близко не подходя к поверхности. Единственная частица, нейтрино, которая обладает высочайшей проникающей способностью, легко проходит сквозь толщу Солнца и вылетает к нам наружу. Реакции в центре светила сопровождаются образованием нескольких видов нейтрино с известными из солнечной теории свойствами. Все эти нейтрино без всякого сомнения долетают до Земли. Вот бы удалось их исследовать, чтобы проверить, верна ли теория строения Солнца!

Нейтринная астрофизика

Поймать солнечное нейтрино, а тем более, исследовать его - непростая задача. Тем не менее, люди ее успешно решают. Дело в том, что нейтрино все же взаимодействует с атомами, только вот плохо. Но зато этих нейтрино очень много - каждую секунду через нас с вами пролетают многие миллиарды миллиардов миллиардов нейтрино! Если, к примеру, подставить под нейтринный поток большую мишень, состоящую из страшного количества атомов (а число это - с тридцатью нулями!), то иногда иное нейтрино нет-нет, да и провзаимодействует с одним из этих атомов. Тут-то и возникает задача - обнаружить этот видоизмененный атом и сообразить, что он образовался именно от нейтрино: ведь помимо нейтрино, со всевозможными мишенями куда охотнее взаимодействуют другие частицы, которых вокруг полно! И они образуют в мишенях в миллиарды миллиардов раз больше таких видоизмененных атомов. Чтобы уменьшить влияние ненужных гостей необходимо спрятать от них мишень, отделить специальными защитными материалами (которые, по возможности, сами не излучают никаких частиц). Самые опасные для мишени частицы - это мюоны, во множестве прилетающие к нам из космоса. Мюоны запросто проходят даже через очень толстую защиту. Чтобы спастись от них, лабораторию с мишенью помещают глубоко под землю. Как правило, толщины скальной породы в 2-3 км бывает достаточно, чтобы защититься от глупых мюонов. Но остается много других проблем. В частности, мишень под землю привозят все же с ее поверхности, где, благодаря тем же мюонам, она насыщена миллиардами миллиардов видоизмененных атомов, от которых мишень надо еще очистить! Тут на помощь приходит химия. Вторая проблема - это проблема регистрации. Дело в том, что совсем от источников радиоактивности избавиться невозможно даже под землей. Сама горная порода излучает радиацию, даже сотрудники, работающие с мишенью, тоже в достаточной мере являются для нее радиоактивными предметами. И приходится разбираться, какие из образовавшихся атомов появились от нейтрино, а какие - от других, так называемых "фоновых" воздействий. В настоящее время задача регистрации солнечных нейтрино в основном успешно решается двумя способами, о которых будет рассказано ниже.