11
Атомная энергия и недра Солнца
Нашу ближайшую задачу можно назвать астрофи-
зической разведкой. Мы должны исследовать то, что на-
ходится под светящейся поверхностью Солнца. Решение
этой задачи не столь безнадежно трудно, как это может
представиться с первого взгляда. К этому у нас уже есть
не один ключ. Как упоминалось в гл. 1, массу Солнца
можно определить по силе притяжения. Известно также
количество и качество солнечного излучения. Известны
радиус и характерные особенности поверхности Солнца,
включая скорость его вращения. Орудием нашей развед-
ки служат законы математики и физики, которые счи-
таются применимыми всюду во вселенной. Посмотрим,
что можно извлечь из всех имеющихся в нашем распоря-
жении данных.
Проблема солнечной энергии
Общая отдача тепла Солнцем составляет около 3-1033
калорий в год, а его масса равна 2-1033 а. Таким образом,
средний годовой выход энергии 3 калории на каждые 2 г
— 249 —
или 1,5 калории на 1 г. Это число не представляется слишком
большим. Но если учесть что Солнце существует больше мил-
лиарда (109) лет и за этот промежуток времени ни излучение
света и тепла, ни масса Солнца, по-видимому, существенно не
изменились, то общий выход энергии на каждый грамм составит
более 109 калорий, что представляется огромной величиной. Один
грамм самого чистого угля и кислорода, смешанных в соответству-
ющей пропорции, необходимой для полного сгорания, выделяет
лишь 2200 калорий. Следовательно, если бы Солнце состояло из
кислорода и углерода, оно могло бы просуществовать всего-навсего
около 1500 лет.
Уже давно астрономы поняли, что возможности химических
источников энергии весьма ограничены, и стали искать другие.
Высказывалось предположение, что таким источником могут быть
метеоры. Однако вычисления показали, что метеорный источник
энергии крайне недостаточен.
В течение многих лет большинство ученых разделяли пред-
положение Гельмгольца, что состояние Солнца поддерживается
медленным сжатием. Сжатие автоматически нагревает газ, тогда
как расширение охлаждает его. Предположим, что Солнце когда-
то было по меньшей мере размером во всю солнечную систему.
Так как сила тяготения стремилась сблизить атомы, вещество
постепенно сжималось и нагревалось. Гельмгольц показал, что
максимальный возраст Солнца согласно этой гипотезе не больше
50 миллионов лет. Он как бы строго «запретил» геологам обосно-
вывать больший возраст Земли. Но последние «выкопали»
неоспоримые доказательства гораздо большего возраста Земли.
Согласно новейшим данным, основанным на определении воз-
раста старейших земных горных пород, это значение составляет
4,5 миллиарда лет.
Столкнувшись с этой трудностью, астрономы были вынужде-
ны принять гипотезу, казавшуюся единственно возможной: в
энергию переходит вещество. Эта идея зародилась гораздо раньше
работ Эйнштейна и атомной бомбы. Исаак Ньютон однажды раз-
мышлял о возможности превращения «тел в свет и света в тела».
Эйнштейн нашел количественное обоснование этого процесса,
выведя свое знаменитое уравнение
где Е — энергия в эргах, эквивалентная массе т в граммах, ас —
скорость света, 3-1010 см/сек. (Эрг — используемая в физике 1 * * * *
1 Автор, следуя установившейся на Западе традиции, неправильно
говорит о превращении вещества в энергию. На самом деле во всех рас-
сматриваемых им случаях имеет место превращение одного вида материи
(вещества) в другой вид материи (поле), при котором и масса и энергия
сохраняются. {Прим, перев.)
— 250 -
единица энергии. Она мала. Карандаш, падая с письменного стола
на пол, приобретает энергию в несколько миллионов эрг — почти
одну калорию.) Перепишем уравнение, выразив Е в калориях.
Тогда
Е = 2,15 • 1013 т калорий.
Один грамм воды, полностью перешедший в энергию, выделяет
2-1013 калорий, т. е. столько же, сколько 20 000 тонн угля.
Здесь, действительно, скрыт обильный источник энергии, если
только Солнце способно использовать его или контролировать.
Он смог бы поддержать жизнь Солнца в течение 10 миллионов
миллионов (Ю13) лет. Конечно, не в нашей власти полностью
«уничтожить» вещество. Но если бы мы могли только хотя часть
его превратить в энергию, мы далеко ушли бы вперед от исполь-
зования химической энергии (т. е. горения).
Пока открыто два способа получения этой энергии из вещества:
расщепление тяжелых атомов или синтез легких. О первом из этих
двух процессов кое-что известно еще с 1895 г., когда Беккерель
обнаружил, что соединения урана испускают лучи, способные
проходить сквозь бумагу или тонкие листки металла. Сам уран был
известен уже с 1789 г.
Это новое свойство, называемое радиоактивностью, зажгло
воображение Пьера и Марии Кюри. Мария Кюри открыла, что
другой известный элемент, торий, обладает подобными же свой-
ствами. В июле 1898 г. она открыла полоний (названный так по
имени ее родной Польши). Совместно с мужем спустя пять меся-
цев ей удалось выделить радий. Это все тяжелые и по своей при-
роде неустойчивые элементы, расположенные в конце таблицы
Менделеева.
Радиоактивный элемент может испускать альфа-частицы (ядра
атомов гелия) или бета-частицы (электроны). Первые заряжены
положительно, последние — отрицательно. Атом также может
испустить гамма-луч, подобный рентгеновскому и обладающий
ничтожно малой длиной волны. Процесс естественного радио-
активного распада нельзя ни ускорить, ни замедлить»
Строение атомного ядра
В гл. 3 много говорилось об атомах. Но там нас интересовала
их внешняя структура, образуемая отрицательными электронами.
Ядро, обладающее положительным зарядом и большей частью
всей массы, рассматривалось только как сердцевина, удерживаю-
щая атом. Теперь рассмотрим структуру самих ядер.
Как ни кажется ничтожным атом (около 10-8 сантиметров
в диаметре), атомное ядро значительно меньше (около 10-12 сан-
— 251 -
тиметров в поперечнике). Если представить, что маленькая пе-
пельница на письменном столе изображает ядро атома, то детские
шарики, летающие на расстоянии больше километра, будут соот-
ветствовать электронам. Большей частью атом — пустое про-
странство. Если бы можно было разнять атомы на части с помощью
сверхмикроскопических щипчиков, как биолог расчленяет червя,
и сложить кусочки в одну кучу, то сложенное таким образом веще-
ство Нью-Йоркского небоскреба Эмпайер Стейт Билдинг заняло бы
объем обычной булавочной головки! И только таинственные силы
электрического притяжения и отталкивания удерживают все-
ленную от подобного внезапного сжатия.
Существуют своего рода «строительные блоки», пригодные
;ля постройки ядра; они перечислены в табл. 6.
Таблица 6
Частицы, из которых состоят атомные ядра
Наименование
Заряд
Масса (в в)
Электрон . . .
Позитрон . . .
Протон . . . .
Антипротон . .
Нейтрон . . . .
Дейтрон . . . .
Альфа-частица .
Отрицательный
Положительный
»
Отрицательный
Нулевой
Положительный
»
9,1083-10"28
9,1083-10"28
1,6724-1О-24
1,6724-10"24
1,6747-10"24
3,3429-10“24
6,6430-10"24
Помимо этих частиц имеются также таинственные заряженные
мезоны, более тяжелые, чем электроны, и более легкие, чем про-
тоны. Недолго живущие мезоны представляются «связками»
энергии. Хотя мезоны чаще всего возникают под действием кос-
мических лучей, их можно также получить в лаборатории.
Интересно обратить внимание на удивительную асимметрию
данных табл. 6. Ни один философ не смог бы вывести ее'из мета-
физических соображений. Хотя электрон и позитрон как бы вза-
имно дополняют друг друга, позитрону свойственна неустойчи-
вость. Продолжительность его жизни необычайно мала. В своем
стремительном движении в пространстве он проникает в ядро
первого встречного атома. Там он объединяется с нейтроном,
чтобы образовать протон.
Тогда происходит следующая реакция:
нейтрон 4- позитрон=протону
или обратная:
протон—позитрон=нейтрону.
Это последнее равенство говорит о том, что протоны являются пер-
вичным источником позитронов. Известно также, что существуют
еще две реакции
протон -|- электрон=нейтрон
и
нейтрон—электрон=п ротон.
Если позитрон и электрон сталкиваются, то они, как говорят,
аннигилируют друг с другом, испуская два кванта гамма-лучей,
уносящих высвободившуюся энергию и момент количества
движения.
Недавно обнаружилось существование отрицательно заря-
женного протона — антипротона. Такая частица может захватить
движущийся позитрон и образовать атом водорода, составные
части которого заряжены противоположно обычному.
Нет оснований отрицать, что где-то существуют более тяжелые
атомы, целиком состоящие из антивещества. Но так устроенная
вселенная будет крайне неустойчива, если встретится с другим
образованием из обычного вещества.
Из табл. 6 может показаться, что тяжелые ядра состоят из
большого числа элементарных частиц. Однако ясно, что на самом
деле существует только две частицы — протон и нейтрон. Дей-
троны и альфа-частицы сами являются атомными ядрами, состоя-
щими из этих основных частиц.
Дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона. Поэто-
му, как и протон, он обладает одним положительным зарядом.
Следовательно, он может удержать только один электрон на един-
ственном из возможных внешних уровней. Когда дейтрон захва-
тывает электрон, образуется нейтральный атом, очень похожий
на водород и также имеющий единственный внешний электрон.
Химические свойства определяются электронами самой внешней
оболочки. Поэтому с точки зрения химии оба атома являются
водородом. Вдвое более тяжелый атом, называемый дейтерием
или тяжелым водородом,— изотоп обычного водорода. Изотоп —
это атом, химически эквивалентный другому и отличающийся
тол'• ко массой ядра.
Можно также получить изотоп водорода с массовым числом,
равным трем. Такое атомное ядро (нуклон), состоящее из одного
протона и двух нейтронов, называется тритием. Можно думать,
что в результате прибавления различного числа нейтронов полу-
чатся изотопы водорода с массами, равными четырем, пяти, шести
и так далее. Однако это не так, и даже изотоп с весом 3 несколько
неустойчив и примерно через 12 лет, испуская электрон, распа-
дается и превращается в редкий изотоп гелия с весом 3. Ядро
наиболее распространенного изотопа гелия с весом 4 — альфа-
частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов. Посколь-
- 253 -
ку массы протонов и нейтронов почти одинаковы, ядро гелия вчет-
веро тяжелее протона. Гелий 5 настолько неустойчив, что едва ли
можно быть уверенным в его существовании. Наиболее устойчи-
вые изотопы легких атомов состоят из примерно равного количе-
ства протонов и нейтронов. В ядрах более тяжелых атомов ней-
троны постепенно начинают преобладать.
В настоящее время силы, удерживающие частицы в ядре, еще
недостаточно известны. Таинственные мезоны, возможно, играют
существенную роль, почему их иногда называют «атомным клеем».
Протоны обладают одинаковыми (положительными) зарядами
и потому сильно отталкиваются друг от друга. Но в присутствии
нейтронов и мезонов отталкивание близко расположенных в ядре
протонов таинственным образом превращается в сцепление. Пред-
ставим себе, что у ядра имеется ободок, подобный ободку пепель-
ницы, разделяющему ее на внутреннюю вогнутую часть и при-
мерно такого же размера внешнюю, образующую скат. Если
положить шарик внутрь ободка, то он останется
пепельнице,
а с внешней части он скатится на стол.
Продолжим несколько эту аналогию. Попытаемся построить
тяжелое ядро, вкатывая шарики по внешней стороне пепельницы
во внутреннюю. Если вкатывать шарик слишком медленно,
он где-то остановится и покатится обратно. Если кинуть его слиш-
ком резко, он перекатится и выйдет с другой стороны. Толька
при вполне определенной начальной энергии он останется
внутри.
Благодаря трению опыт с пепельницей выполнить легче, чем
осуществить его с настоящим атомным ядром. Без трения никогда
не удалось бы заставить шарик остаться в пустой пепельнице.
Иное дело, если он при этом столкнется с другим шариком, уже
находящимся в пепельнице, так как в этом случае его энергия
разделится, и даже при отсутствии трения оба шарика могут
остаться внутри.
В одном отношении аналогия совершенно отсутствует. Пока-
тый край «стенки», окружающей атомное ядро, иногда проница-
ем. Частица, энергия которой недостаточна, чтобы «перепрыгнуть»
стенку, может «вкатиться» почти до ее верха, а затем — раз!
и она как по волшебству, сквозь невидимый туннель в стене,
проникает в ядро.
Когда ядро захватывает быструю частицу, отскакивающие от
нее возбужденные нейтроны и протоны могут различными спосо-
бами отдать избыток энергии своего движения. Ядро может излу-
чить гамма-квант еще более энергичный, чем рентгеновские лучи,
или один из протонов может испустить позитрон и превратиться
в нейтрон. Эта положительно заряженная частица также уносит
с собою энергию. В каждом из этих случаев образуется устой-
чивое ядро.
- 254 -
Современная алхимия
Хорошо известные «атомные пушки» физиков — это устрой-
ства для обстреливания различных нуклонов протонами, нейтро-
нами или другими ядерными «снарядами». Современные физики
достигли цели прежних алхимиков превращать один элемент
в другой.
Рис. 168. Общий вид электростатического ускорителя,
используемого для изучения ядерных реакций, представ-
ляющих интерес для астрофизики.(Лаборатория Келлога
при Калифорнийском технологическом институте.)
На некоторых этапах ядерного превращения может выделять-
ся определенная энергия. Выше говорилось, что ядро гелия в че-
тыре раза тяжелее протона. Но это не совсем точно. Если взять
1,0078 г водорода и весь его превратить в гелий, то в результате
получится только 1,0000 г гелия. Остальные 0,0078 г (т. е. немного
меньше одного процента) перешли в энергию. Согласно уравне-
нию Эйнштейна выделяется энергия, соответствующая 0,0078 г
массы, равная 1,7-1011 калорий. Это количество тепла в 5 000 000
- 255 -
раз больше того, что выделяется при сгорании 1 г водорода в при-
сутствии 8 г кислорода.
Имеется несколько способов превращения водорода в гелий.
Простейший и наиболее эффективный был предложен Г. Бете.
В этом процессе важную роль играет ядро обычного углерода,
состоящее из шести протонов и шести нейтронов. На некотором
этапе оно захватывает протоны и превращается в различные эле-
менты. После присоединения четвертого протона выделяется ядро
гелия, а углерод, принимая свой первоначальный вид, готов снова
вступить в реакцию. Здесь углерод играет роль катализатора
обычных химических реакций.
В табл. 7 приведены различные ступени этого так называемого
углеродного цикла. Первая — совсем простая. После прибавле-
ния одного протона число этих частиц в ядре углерода увеличи-
вается до семи. Всякий атом с семью положительными зарядами,
Таблица 7
Отдельные этапы углеродного цикла превращения водорода в гелии
Исходное вещество
Результат реакции
Этап
эле-
мент
число
про-
тонов
число
ней-
тронов
Характер реакции
эле-
мент
число
про-
тонов
число
ней-
тронов
6
6.
7
7
7
8
Прибавление протона
Испускание позитрона
Прибавление протона
» »
Испускание позитрона
Прибавление протона
N
N
О
N
С
Не
вне зависимости от количества нейтронов, является азотом. Но
образовавшийся таким путем азот неустойчив: один из протонов
испускает позитрон и превращается в нейтрон. Цикл продолжается
до тех пор, пока не получится первоначальный атом углерода
и атом гелия. Избыток массы переходит в энергию отчасти путем
испускания позитронов, а остальное в виде гамма-излучения.
Непосредственное соединение двух протонов с испусканием
одного позитрона и образованием дейтрона составляет основу
другого значительно более простого процесса выделения атомной
энергии. В результате этой реакции путем, указанным в табл. 8,
также могут образовываться ядра гелия. Этот термоядерный
процесс осуществлен в водородной бомбе; в настоящее время он
изучается в лабораториях для применения в мирных целях.
Какой из этих двух процессов — углеродный цикл или про-
тон — протонная реакция — преобладает в данной звезде, зави-
сит от ее внутренней температуры. Для первого процесса необхо-
Таблица 8
Гермоядерный процесс непосредственного превращения водорода в гелий
Исходное вещество
Результат реакции
г); а и
эле-
мент
число
про-
тонов
*
г
1
I
число
ней-
тронов
Характер реакции
Прибавление протона
Испускание позитрона
Прибавление протона
Соединение с другим
атомом Не3
Испускание двух про-
тонов
эле-
мент
н
Не
2Н
число i число
про-
тонов j тронов
ней-

г
I
а
J
♦
дима более высокая температура, к небольшим изменениям кото-
рой он гораздо чувствительнее. В настоящее время полагают, что
большая часть энергии Солнца выделяется в результате протон —
протонной реакции.
Большое обилие водорода в звездах приводит к тому, что этот
элемент оказывается чрезвычайно важным для выделения энер-
гии. Если бы Солнце почти целиком состояло из водорода, то при
современной скорости выделения энергии его максимальный воз-
раст составлял бы около 1011 лет. Таким образом, время жизни
нашей звезды достаточно велико. Светимость звезд-гигантов,
таких как Капелла, по-видимому, соответствует возрасту всей
звездной системы х). Однако в сверхгигантах, подобных Ригелю
или Денебу, весь водород превращается в гелий за несколько
миллионов лет. Таким образом,
мы должны сделать вывод, что
некоторые звезды могли образоваться недавно и даже, что процесс
«рождения» звезд все еще продолжается.
Спицер, Уиппл и Бок высказали гипотезу о том, что маленькие
темные глобулы, наблюдаемые в виде едва заветных темных об-
разований на светлом фоне ярких туманностей, являются еще
не родившимися звездами. Давление лучей света сжимает газ,
придавая ему вид сферы, уменьшающейся до тех пор, пока грави-
тация не усилится настолько, что не завершит это сжатие. Весь
этот процесс конденсации происходит так медленно, что едва ли
мы можем надеяться его заметить для отдельной звезды даже в те-
чение всей истории человечества.
Углеродный цикл и протон—протонная реакция являются
процессами построения атомов. Они говорят о возможности все-
общей эволюции элементов. В самом деле, специалисты по строе-
нию атомов в последнее время развили теории, объясняющие обра-
’) По мере эволюции звезды ее светимость определенным образом
меняется. (Прим, перев.)
17 Наше Солнце

зование атомов тяжелее гелия. Для соответствующих реакций
необходимы чрезвычайно высокие температуры и плотности. Когда
Эддингтон впервые высказал предположение, что подобные усло-
вия могут существовать в недрах звезд, Джинс резонно возразил,
что звезды не настолько горячи. Ответ Эддингтона в настоящее
время считается классическим: он предложил Джинсу «поискать
более горячее место». Если рассматривать среднюю звезду, то
кажется, что справедливость на стороне Джинса. Однако недавно
выполненные расчеты показывают, что когда в звезде «выгорает»
весь водород, превращаясь в гелий, она должна сжаться и стать
горячее внутри. В конце концов ее температура должна увели-
читься (примерно до 100 миллионов градусов), что достаточно для
того, чтобы началось превращение гелия в более сложные ядра
углерода, кислорода и неона. Когда гелий исчерпан, температура
снова возрастает, и наступает ряд других ядерных реакций синте-
за остальных элементов.
Яд ер ное деление
Радиоактивные атомы обладают неустойчивостью двух типов.
Уже упоминалось об альфа-, бета- и гамма-распадах. Также может
иметь место атомное деление, вызванное попаданием нейтрона
в ядро, находящееся на грани устойчивости.
В природе имеются две важнейшие разновидности атомов урана.
У каждого из них 92 протона. Чаще встречающийся изотоп имеет
146 нейтронов; таким образом, его массовое число равно 238. Более
редкий изотоп обладает 143 нейтронами, так что его атомный вес
равен 235. Эти изотопы соответственно называются U 238 и U 235.
Когда нейтрон ударяется о ядро U 235, может произойти одно
из двух: нейтрон либо может «застрять», образовав новый изотоп,
либо вызвать деление ядра на две неравные части. В результате
последнего процесса выделяется огромная энергия. Помимо этого,
каждое деление приводит к образованию нескольких новых
нейтронов, которые в свою очередь могут вызвать деление других
атомов. Поэтому, если деление началось в куске чистого U 235
достаточно большой массы, чтобы испускаемые нейтроны не смогли
его покинуть, эти нейтроны в свою очередь вызовут новые деления.
и возникнет цепная реакция. Если количество освобождающихся
нейтронов не регулируется и неограниченно увеличивается, то
быстрое выделение энергии приведет к взрыву всей массы. Расчет
показывает, что даже если реакция эффективна только на несколь-
ко процентов, каждый килограмм U 235 в бомбе эквивалентен
300 тоннам тринитротолуола.
Опыты показали, что для деления U 235 медленные нейтроны
эффективнее быстрых. С другой стороны, U 238 активно поглощает
медленные нейтроны, образуя атомы U 239. Это ядро неустойчиво.
— 258 —
Два его нейтрона один за другим быстро излучают электроны,
в результате чего образуются нептуний (Np) и плутоний (Ри) —
новые химические элементы периодической таблицы с атомными
весами 93 и 94. Затем плутоний ведет себя подобно U 235, распа-
даясь при поглощении медленного нейтрона. Из двух изотопов
урана только U 235 легко поддается расщеплению. Отделение
U 235 от U 238 — трудный процесс: оба атома химически одина-
ковы, так что методы разделения должны основываться на неболь-
шом различии в массах. Кроме того, U 235 значительно менее
обилен, чем более тяжелый изотоп. Природный уран содержит
на каждые 140 атомов U 238 один атом U 235. Однако плутоний
уже другой элемент, и его выделение из урана сравнительно лег-
че можно выполнить химическим методом.
Вместо того чтобы иметь дело непосредственно с U 235, спе-
циалисты поступают следующим образом. Прежде всего они
получают чистый уран, состоящий из смеси обоих изотопов.
Куски этого металла, как изюминки в пирог, погружаются в тол-
стый слой чистого углерода, который должен замедлять испускае-
мые нейтроны, так как нейтроны, возникающие в результате деле-
ния, обладают слишком большими скоростями, чтобы этот процесс
мог эффективно продолжаться. Самопроизвольное деление атомов
U 235 приводит к образованию нейтронов. Некоторые из них
поглощаются ядрами U 238 и образуют плутоний. Остальные стал-
киваются с другими ядрами U 235 и таким образом поддерживают
течение цепной реакции. Через некоторое время толстые метал-
лические стенки убираются, и образовавшийся плутоний извле»
кается химическими методами.
В небольших вполне определенных количествах расщепляю-
щееся вещество U 235 или Ри не может привести к самопроизволь*
ному взрыву. «Опасные» частицы, а именно нейтроны, полностью
покидают

ещество и не захватываются. Но если соединить две
или несколько небольших масс и образовать большой кусок, кото-
рый будет удерживать нейтроны расщепляющихся атомов, то
произойдет то, что случилось в Хиросиме.
В результате атомного деления плутония и урана 235 выде-
ляются большие количества энергии. Однако в обычных звездах
процессы расщепления атомов, по-видимому, менее вероятны,
чем построение новых атомов. Расщепление представляет осо-
бый интерес, так как оно является безусловным подтверждением
основной гипотезы о переходе вещества в энергию.
Внутреннее строение Солнца
Выше отмечалось, что температура внутри Солнца достаточна
для протон—протонной реакции. Но как установлено наличие
там такой высокой температуры? Прежде всего известно, что
— 259 —	17*
4
плотность внутри звезды выше, чем снаружи. Из большого числа
матрацев, положенных друг на друга, нижние окажутся сжатыми
сильнее, чем верхние. Так же точно внешние слои звезды стре-
мятся сжать внутренние.
В то время как давление стремится сжать, высокая температу-
ра старается расширить газ. В результате, плотность в каждой
точке звезды зависит от величины этих противоположно действую-
щих сил. Условия внутри звезд
известны благодаря трудам
многих исследователей: Лейна,
Рис. 169. Артур Эддингтон, пионер
исследования звездных недр.
(Кларк, Кембридж, Англия.)
Эмдена, Эддингтона, Джинса,
Милна, Рессела, Чандрасека-
ра, Шварцшильда и многих
других. Хотя подробности их
расчетов слишком специальны,
чтобы о них говорить здесь,
можно проследить общий ход
рассуждений. Начнем с поверх-
ности Солнца, где температура
и плотность известны. Выберем
вторую точку чуть глубже, под
поверхностью, и припишем ей
некоторое произвольное значе-
ние температуры. Тогда сразу
определится плотность, потому
что вес и давление вышележа-
щих слоев можно вычислить.
Затем можно взять третью точ-
ку и снова приписать ей какую-
нибудь температуру и вычи-
слить плотность. Так можно
продолжать и дальше вплоть до
центра. К концу подобного рас-
чета мы имеем два контроля. Полная масса всех слоев должна
совпадать с наблюдаемой массой Солнца, а средняя плотность,
также в соответствии с измерениями, равняться 1,4.
На самом деле процедура не так сильно зависит от произвольно-
го выбора. Действительно, если следовать в точности сказанному
можно получить не одно, а много распределении температуры,
удовлетворяющих задаче. Однако большая часть энергии,
по-видимому, образуется во внутреннем ядре звезды, поэтому
полное количество тепла, проходящего через сферическую
поверхность с центром в центре Солнца, должно быть постоян-
но и равняться наблюдаемому количеству энергии, излучающе-
муся с поверхности. На этом основываются дальнейшие
рас четы.
Непрозрачность газовых слоев определяет скорость потока
энергии. Это свойство не пропускать излучение зависит как от
плотности, так и от температуры газа. Необходимость учесть
это позволяет найти единственное решение. Последние расчеты
Шварцшильда (1957 г.) показывают, что в центре Солнца темпера-
тура порядка 15 000 000° С, а плотность в 130 раз больше плотно-
сти воды.
Современные расчеты позволяют учесть изменение среднего
молекулярного веса с глубиной. Если бы Солнце состояло исклю-
чительно из ионизованного водорода, то на каждый атом прихо-
дилась бы одна единица молекулярного веса, а на каждый элек-
трон практически нуль. Тогда в среднем на каждую частицу при-
шлась бы х/2 молекулярного веса. Окончательный расчет тем-
пературы затрудняется отсутствием точных данных о действитель-
ном химическом составе внутренних слоев.
Обычно предполагается, что в глубоких слоях содержится
относительно больше тяжелых элементов, чем в рассматривавших-
ся выше внешних слоях. Относительное содержание тяжелых
элементов, которое впервые Рессел определил для атмосферы Солн-
ца, называется ресселовой смесью. К этим основным ингредиентам
добавляют различные количества водорода и гелия до тех пор,
пока не получится смесь, непрозрачность которой согласуется
с наблюдениями.
Во многих вычислениях учитывается определенная роль гра-
витационного разделения элементов. Часть более легкого водоро-
да поднимается вверх. Далее расчеты показывают, что конвекция,
т. е. вертикальное перемешивание газов, стремится противостоять
дальнейшему разделению элементов. Если бы этого не было, слой
одорода был бы тоньше 1000 км. Тяжелые металлы, даже уран,
составляли бы большую часть Солнца. Вот почему Эддингтон
в своих первых расчетах предполагал, что Солнце и звезды состоят
главным образом из железа. Однако затем он нашел, что при этом
невозможно согласовать наблюдаемую и вычисленную непрозрач-
ность вещества, переносящего тепло.
Не стоит подробно рассматривать справедливость современных
предположений о химическом составе и конвекции. Протуберанцы
являются доказательством существования вертикального пере-
мешивания на поверхности. Унзольд показал, что под поверх-
ностью, где происходит ионизация атомов водорода, вещество
должно находиться в турбулентном состоянии. Об этом говори-
лось раньше в связи с грануляцией и спикулами. Если бы, как
раньше предполагалось, выделение солнечной энергии происходи-
ло за счет углеродного цикла, то из расчетов следует, что цен-
тральные части ядра Солнца должны находиться в состоянии силь-
ной конвекции. Сейчас известно, что основную роль играет про-
тон—протонная реакция; поэтому конвекция в ядре очень слаба.
261
Имеется три способа передачи тепла: теплопроводность, луче-
испускание и конвекция. Примеры этих явлений хорошо извест-
ны: горячая ручка ложки, отражательный электрический нагре-
ватель и воздуходувная печь. Конвекция может переносить часть
энергии наружу благодаря движениям горячих газов вверх, а
холодных вниз. Однако большинство астрономов в настоящее
время пришли к выводу, что наиболее эффективный способ перено-
са тепла от одного слоя к другому — излучение. Исключением
являются лишь самые внешние слои, занимающие 10% солнечно-
го радиуса, где существенную роль в переносе тепла играет кон-
векция.
Один факт из наблюдений дает пример того, как необходимо
быть осторожным относительно некоторых сделанных выше
допущений. Во время полных солнечных затмений, когда Луна
закрывает фотосферу, появляется возможность исследовать
внешние слои. В спектре вспышки наблюдаются далеко прости-
рающиеся линии водорода и гелия, указывающие на большие вы-
соты, до которых поднимаются в солнечной атмосфере атомы этих
элементов. Линии распространенных металлов видны не до таких
больших расстояний от края Солнца, а линии так называемых
редких земель заметны только у самого края. Создается впечатле-
ние, что тяжелые атомы редких земель осели в самые нижние слои
атмосферы, однако наблюдаемый эффект — влияние возбуждения
или ионизации, а не гравитационного разделения.
Проблема вращения и общей циркуляции внутри звезд пол-
ностью еще не разрешена. Тот факт, что поверхностные слои на
экваторе вращаются быстрее, чем на больших широтах, говорит
о том, что атмосфера движется изнутри, иными словами, скорость
движения увеличивается с глубиной. Где-то в глубоких недрах
лежит ключ к проблеме солнечных пятен и других изменяющихся
образований в солнечной атмосфере.