Sukibę atomai ir geležies sukeliama katastrofa: keistas mokslas, kuriuo grindžiama branduolių sintezė

Gruodį JAV Energetikos departamentas sumirgėjo pasaulio žiniasklaidos antraštėse dėl proveržio sintezės energijos srityje – pirmą kartą pavyko sukurti reakciją, kurios metu susidarė daugiau energijos nei sunaudojo ją įžiebęs lazeris. Nors tai buvo didelis žingsnis į priekį, energija, reikalinga lazeriams paleisti, vis tiek yra 100 kartų didesnė už reakcijos metu susidarančią energiją, todėl dar teks įdėti nemažai darbo, rašo „Science Focus“. Visgi analizuojant šį eksperimentą, kyla keletas įdomių klausimų: kaip veikia sintezės energija ir ką visa tai turi bendro su žvaigždžių gyvenimu ir mirtimi?

Jei esate susipažinę su branduolinės energijos ir branduolinių ginklų gamybos pagrindais, greičiausiai pastebėsite akivaizdžią prieštarą. Atominių elektrinių ir atominių bombų veikimas yra grįstas atomų branduolių skaidymu, kurio metu gaunama energija (dalijimasis), o sintezė ir vandenilio bombos naudoja energiją, susidarančią branduoliams susiliejant.

Kaip ir viena, ir kita gali būti įmanoma? Tai susiję su keistu atomų branduolių kibumu, kuris priklauso nuo to, kiek protonų ir neutronų atomas turi.

Pradėkime nuo branduolinės reakcijos, kuri teikia energiją Saulei, – vandenilis čia virsta heliu. Neutralus vandenilio atomas yra protonas su prie jo prisišliejusiu elektronu. Naujai susiformavusias žvaigždes daugiausia sudaro vandenilio branduoliai (t. y. tik protonai), šiek tiek helio branduolių, elektronų ir kitų elementų pėdsakų.

Kadangi visi protonai turi teigiamą krūvį, jie atstumia vienas kitą, tačiau esant pakankamai šilumos ir slėgio, gali ir susiliesti. Kai taip nutinka, jie ima sąveikauti stipria branduoline jėga, kuri viską apverčia aukštyn kojomis. Protonams atsidūrus taip arti vienas kito, traukos jėga tampa stipresnė už stūmos jėgą, todėl du labai arti vienas kito esantys protonai susijungia.

Susijungę protonai žvaigždės šerdyje pereina keletą transmutacijos etapų, kol virsta heliu, tačiau svarbiausia yra tai, kad didesni branduoliai yra tvirčiau susieti nei mažesni. Galima tai įsivaizduoti kaip kibumą.

Paprastai tariant, už geležį lengvesni elementai sunkėdami tampa kibesni, o sujungus mažiau kibius branduolius į labiau kibius branduolius, susidaro energija. Įsivaizduokite žaislinę spyruoklę ant laiptų. Ją reikia šiek tiek stumtelėti, kad ji pradėtų judėti laiptais žemyn, tačiau tai padarius, ji įgyja energijos ir gali leistis tol, kol tęsiasi laiptai.

Štai kodėl branduolių sintezės energija iš principo yra įmanoma – jei pavyksta pradėti reakciją ir ją tęsti, galima sukurti sistemą, kurioje vandenilis virsta heliu ir išsiskiria energija. Tokiu pačiu, tik kiek sprogesniu, principu veikia ir vandenilinės bombos.

Žvaigždėse branduolių sintezės būdu susiformuoja kai kurie labiausiai Žemėje paplitę elementai. Kai masyvioje žvaigždėje konvertuojamas visas, kiek tik įmanoma, vandenilis, ji ima judėti aukštyn periodine elementų lentele, sukurdama koncentrinius apvalkalus helio, anglies, neono, deguonies ir silicio sintezei. Visų šių elementų atveju, pridėjus daugiau protonų, padidėja branduolio kibumas, todėl proceso metu išsiskiria energija. Bet viskas pasikeičia, pasiekus geležį. Ir tai gali turėti katastrofiškų pasekmių.

Geležies branduolys yra kibiausias iš visų elementų, kurių gausu žvaigždėse, branduolių – techniškai yra viena šiek tiek tvirčiau susieta nikelio forma, tačiau žvaigždėse ji susidaro retai. Tai reiškia, kad energijos galima gauti sulydant mažesnius branduolius, sukuriančius geležį, tačiau pabandžius pridėti daugiau protonų, kibumas silpnėja, todėl proceso metu energija vartojama, o ne išskiriama.

Geležis yra atomas laiptų, kurių viena pusė veda link vandenilio, o kita – link sunkiausių elementų, apačioje. Kai žvaigždės branduolys prisipildo geležies, atomų sintezė ten nustoja veikusi ir energija, sauganti ją nuo kolapsavimo, nebesigamina.

Tokia žvaigždė virsta supernova ir sprogsta, sukurdama fantastiškai tankią neutroninę žvaigždę arba juodąją skylę. Sprogimas permeta energiją į žvaigždės nuolaužas, kurios gali sukurti sunkesnius elementus, kitaip tariant, pasiųsti spyruoklę laiptais aukštyn.

Sunkesniuose elementuose ryšiai nėra tokie tvirti, todėl branduolius suskaldančios branduolinės reakcijos išskiria energiją. Taip vyksta dalijimasis – itin sunkūs elementai, tokie kaip uranas ir plutonis, kontroliuojamai skaidomi atominėse elektrinėse arba sprogstamuoju būdu atominėse bombose. Ir čia reikia tam tikrų pastangų, kad procesas pajudėtų, – reikia stumtelėti spyruoklę laiptais žemyn – tačiau išskiriamos energijos kiekis gali būti didžiulis.