Termojaderne reakce na Slunci a hvezdach

Spolecnym principem uvolnovani energie ve Slunci, hvezdach, ve vodikove bombe i v termojadernem reaktoru je slucovani jader lehkych prvku na tezsi jadra. Jadra, ktera se spojuji, maji v sume vetsi hmotnost nez sumarni hmotnost vysledneho jadra a dalsich vznikajicich castic. Tento rozdil v hmotnosti je podle znameho Einsteinova vzorce E = mc2 ekvivalentni energii, ktera se pri teto reakci uvolni ve forme kineticke energie vznikleho jadra ci dalsich vzniklych castic (elektronu, pozitronu, fotonu). Na obrazku je jako priklad takove slucovaci reakce uvedeno slouceni jadra tezkeho vodiku (deuteria) s jadrem supertezkeho vodiku (tritia) na jadro helia a volny neutron, unasejici prevaznou cast energie.

Spojeni jader brani odpudive elektricke sily jejich kladnych naboju. Aby se jadra sloucila musi se vuci sobe pohybovat velkou rychlosti, ktera jim umozni priblizit se pres odpudive sily na velice malou vzdalenost, na niz jiz prevladaji pritazlive jaderne sily. Tak velkou rychlost a tudiz i energii mohou jadra ziskat v urychlovaci castic. Existuje vsak i druha moznost jak "rozhybat" jadra. Vime prece, ze se vzrustajici teplotou roste i rychlost neusporadaneho pohybu castic hmoty. Energii potrebne ke slouceni jader odpovidaji teploty mnoha miliard stupnu. Ukazuje se vsak, ze diky tak zvanemu rychlostnimu rozlozeni castic postaci teploty "jen" nekolika desitek ci set milionu stupnu. Takove teploty jsou dosahovany v centralnich oblastech hvezd a tedy i naseho Slunce. A protoze ke slucovacim reakcim dochazi pusobenim tepla, mluvime v takovem pripade o termojadernych reakcich.

Pro objasneni zareni naseho Slunce i ostatnich hvezd predlozili v roce 1938 H. A. Bethe a K. F. von Weizsacker dva cyklicke jaderne procesy, ktere se nazyvaji proton - protonovy a uhliko - dusikovy. Schema prvniho cyklu muze byt predstaveno nasledujicim retezcem reakci:

2 ( p + p --> d + e+ + neutrino ),
2 ( d + p --> 3He + gamma ),
3He + 3He --> 4He + 2p,

ktery sumarne vede k pretvoreni protonu v jadro helia s vydelenim velkeho mnozstvi energie:

6p --> 4He + 2p + 2e+ + 2 neutrino + 2 gamma + 26 MeV.

Kde p znaci proton, e+ pozitron ad znaci deuteron (jadro tezkeho vodiku). Energie 1 MeV je rovna 1,6.10-13 Joulu.

S nejmensi pravdepodobnosti probiha prva reakce a je tedy z uvedenych tri reakci nejpomalejsi s polocasem T = 1,4.1010. Presto, ze se v jedne reakci uvolnuje velke mnozstvi energie, je merna uvolnena energie velice mala, pouze 0,2 mJ na kg za sekundu, coz je mensi nez merna energie uvolnovana lidskym organizmem. Avsak diky kolosalni hmotnosti Slunce, jez je rovna 2.1030 kg, vyzaruje Slunce obrovske mnozstvi energie, ktere je ekvivalentni ztrate hmotnosti rovne 4,3 milonu tun za sekundu.

Uhlikovo-dusikovy cyklus probiha v retezci sesti jadernych reakci, v nichz jadro uhliku je katalizatorem:

12C + p --> 13N + gamma;
13N --> 13C + e+ + neutrino;
13C + p --> 14N + gamma;
14N + p --> 15O + gamma;
15O --> 15N + e+ + neutrino;
15N + p --> 12C + 4He,
_________________________________________
4p --> 4He + 2 neutrina + 2 e+ + 3 gamma + 26 MeV.

Vysledek obou cyklu je v podstate totozny, ale uhliko-dusikovy cyklus ma podstatne mensi charakteristicky polocas T = 3.108 let, ktery je urcen pravdepodobnosti ctvrte reakce cyklu.

Ktery z uvedenych retezcu ve hvezde prevlada, zavisi na jeji hmotnosti. Pri hmotnosti mensi nez 1,7 hmotnosti naseho Slunce, a tedy i v nasem Slunci, je hlavnim proton - protonovy retezec. Potvrzeni o tom, ze zdrojem naseho Slunce jsou uvedene termojaderne reakce by mel byt tok vznikajicich neutrin. Ten se vsak pri dosavadnich experimentalnich moznostech nepodarilo prokazat.

V dalsim vyvoji hvezdy pri jejim smrstovani, a tim i vzrustajici centralni teplote, se postupne uplatnuji dalsi termojaderne reakce jako je slucovani tri jader helia na jadro uhliku nebo ctyr jader helia na jadro kysliku, dale slouceni jadra kysliku s jadrem helia na neon. Slucovanim jader uhliku vznika sodik nebo horcik nebo neon, slucovanim jader kysliku jadra kremiku, fosforu nebo siry atd. Cela posloupnost termojadernych reakci vede postupne ke vzniku stabilnich jader az po jadra skupiny zeleza.

Krome uvedenych reakci existuji i dalsi reakce vodiku ci jeho izotopu deuteria a tritia (viz priklad uvedeny vyse na obrazku), ktere prichazeji do uvahy k energetickemu vyuziti v pozemskych podminkach v tak zvanych termojadernych reaktorech nebo ve vodikove bombe.

S pripadnymi pripominkami, dotazy ci namety se prosim obracejte na administratora techto stranek.
Administratorem techto stranek je Vladimir Kopecky Jr.
Posledni revize teto stranky 8. 5. 1997.