Успешное осуществление реакции синтеза зависит от свойств используемых атомных ядер и возможности получения плотной высокотемпературной плазмы, которая необходима для инициирования реакции.

Ядерные силы и реакции. Энерговыделение при ядерном синтезе обусловлено действующими внутри ядра чрезвычайно интенсивными силами притяжения; эти силы удерживают вместе входящие в состав ядра протоны и нейтроны. Они очень интенсивны на расстояниях ?10-13 см и чрезвычайно быстро ослабевают с увеличением расстояния. Помимо этих сил, положительно заряженные протоны создают электростатические силы отталкивания. Радиус действия электростатических сил гораздо больше, чем у ядерных, поэтому они начинают преобладать, когда ядра удалены друг от друга.

В нормальных условиях кинетическая энергия ядер легких атомов слишком мала для того, чтобы, преодолев электростатическое отталкивание, они могли сблизиться и вступить в ядерную реакцию. Однако отталкивание можно преодолеть "грубой" силой, например сталкивая ядра, обладающие высокой относительной скоростью. Дж.Кокрофт и Э.Уолтон использовали этот принцип в своих экспериментах, проводившихся в 1932 в Кавендишской лаборатории (Кембридж, Великобритания). Облучая литиевую мишень ускоренными в электрическом поле протонами, они наблюдали взаимодействие протонов с ядрами лития Li. С тех пор изучено большое число подобных реакций. Реакции с участием наиболее легких ядер - протона (p), дейтрона (d) и тритона (t), соответствующих изотопам водорода протию 1H, дейтерию 2H и тритию 3H, - а также "легкого" изотопа гелия 3He и двух изотопов лития 6Li и 7Li представлены в приведенной ниже таблице. Здесь n - нейтрон, . - гамма-квант. Энергия, выделяющаяся в каждой реакции, дана в миллионах электрон-вольт (МэВ). При кинетической энергии 1 МэВ скорость протона составляет 14 500 км/с. См. также АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ
.

целенаправленное получение сложных веществ из более простых, основывающееся на знании молекулярного строения и реакционной способности последних. Обычно под синтезом подразумевается последовательность нескольких химических процессов (стадий).

В раннем периоде развития химии С. х. осуществлялся главным образом для неорганических соединений и носил случайный характер. Синтетическое получение сложных веществ стало возможным лишь после того, как были накоплены сведения об их составе и свойствах с развитием методов органического и физико-химического анализа. Принципиальное значение имели первые синтезы органических веществ - щавелевой кислоты и мочевины, осуществленные Ф. Вёлером в 1824 и 1828 (см. Органическая химия). Попытки синтеза аналогов сложных природных соединений, предпринятые в середине 19 в., когда стройной теории строения органических соединений не существовало, показали лишь принципиальную возможность синтеза таких веществ, как Жиры (П. Э. М. Бертло) и Углеводы (А. М. Бутлеров). Позднее уже на теоретической основе (см. Химического строения теория) были синтезированы индиго, камфора и другие сравнительно простые соединения, а также более сложные - некоторые углеводы, аминокислоты и пептиды. Начиная с 20-х гг. 20 в. плодотворное влияние на методологию С. х. оказали работы Р. Робинсона по получению ряда сложных молекул путями, имитирующими пути их образования в природе. С конца 30-х гг. наблюдается бурное развитие С. х. вначале в области стероидов, алкалоидов и витаминов, а затем в области изопреноидов, антибиотиков, полисахаридов, пептидов и нуклеиновых кислот. В 40-60-х гг. существенный вклад в развитие тонкого органического синтеза внёс Р. Б. Вудворд, осуществивший синтез ряда важных природных соединений (хинин, кортизон, хлорофилл, тетрациклин, витамин В 12 и др.). Примером больших успехов С. х. может служить также первый полный синтез гена аланиновой транспортной рибонуклеиновой кислоты (из дрожжей), осуществленный в 1970 Х. Г. Кораной (См. Корана) с сотрудниками.

Развитие органического синтеза происходит по следующим принципиальным направлениям производство важнейших промышленных продуктов (полимеров, синтетического топлива, красителей и пр.); получение различных физиологически активных веществ для медицины, сельского хозяйства, пищевой промышленности, парфюмерии; подтверждение строения сложных природных соединений и получение молекул с "необычным" строением для проверки и совершенствования теории органической химии; расширение арсенала реакций и методов С. х., включая использование катализаторов (См. Катализаторы), высоких энергий (см. Плазмохимия, Радиационная химия), а также более широкое использование (в строго контролируемых условиях) микроорганизмов и очищенных ферментов. В 70-е гг. появились работы по применению ЭВМ для целей оптимизации многостадийного С. х.

Разработка и совершенствование синтетических методов позволили получать многие важные химические продукты в промышленных масштабах. В неорганической химии (См. Неорганическая химия) - это синтезы азотной кислоты (См. Азотная кислота), Аммиака, серной кислоты (См. Серная кислота), соды (См. Сода), различных комплексных и других соединений. Налажено многотоннажное производство органических веществ, используемых в различных отраслях химической промышленности (см. Основной органический синтез), а также продуктов тонкого органического синтеза (гормонов, витаминов).

Лит.: Реутов О. А., Органический синтез, 3 изд., М., 1954; Перспективы развития органической химии, пер. с англ. и нем., под ред. А. Тодда, М., 1959; Крам Д., Хеммонд Дж., Органическая химия, пер. с англ., М., 1964. См. также лит. при статьях, ссылки на которые даны в тексте.

С. А. Погодин, Э. П. Серебряков.

термоядерный синтез, реакция слияния легких атомных ядер в более тяжелые ядра, происходящая при сверхвысокой температуре и сопровождающаяся выделением огромных количеств энергии. Ядерный синтез - это реакция, обратная делению атомов: в последней энергия выделяется за счет расщепления тяжелых ядер на более легкие. См. также ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; АТОМНАЯ ЭНЕРГЕТИКА.

Согласно современным астрофизическим представлениям, основным источником энергии Солнца и других звезд является происходящий в их недрах термоядерный синтез. В земных условиях он осуществляется при взрыве водородной бомбы. Термоядерный синтез сопровождается колоссальным энерговыделением на единицу массы реагирующих веществ (примерно в 10 миллионов раз большим, чем в химических реакциях). Поэтому представляет большой интерес овладеть этим процессом и на его основе создать дешевый и экологически чистый источник энергии. Однако несмотря на то, что исследованиями управляемого термоядерного синтеза (УТС) заняты большие научно-технические коллективы во многих развитых странах, предстоит решить еще немало сложных проблем, прежде чем промышленное производство термоядерной энергии станет реальностью.

Современные атомные станции, использующие процесс деления, лишь отчасти удовлетворяют мировые потребности в электроэнергии. Топливом для них служат естественные радиоактивные элементы уран и торий, распространенность и запасы которых в природе весьма ограничены; поэтому для многих стран возникает проблема их импорта. Главным компонентом термоядерного топлива является изотоп водорода дейтерий, который содержится в морской воде. Запасы его общедоступны и очень велики (мировой океан покрывает ?71% площади поверхности Земли, а на долю дейтерия приходится ок. 0,016% общего числа атомов водорода, входящих в состав воды). Помимо доступности топлива, термоядерные источники энергии имеют следующие важные преимущества перед атомными станциями: 1) реактор УТС содержит гораздо меньше радиоактивных материалов, чем атомный реактор деления, и поэтому последствия случайного выброса радиоактивных продуктов менее опасны; 2) при термоядерных реакциях образуется меньше долгоживущих радиоактивных отходов; 3) УТС допускает прямое получение электроэнергии.

См. также:

ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (порядка 10⁷ К и выше). Высокие температуры, то есть достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатического барьера, обусловленного взаимным отталкиванием ядер (как одноимённо заряженных частиц). Без этого невозможно сближение ядер на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил, а следовательно, и "перестройка" ядер, происходящая при Т. р. Поэтому Т. р. в природных условиях протекают лишь в недрах звёзд, а для их осуществления на Земле необходимо сильно разогреть вещество ядерным взрывом, мощным газовым разрядом, гигантским импульсом лазерного излучения или бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

Т. р., как правило, представляют собой процессы образования сильно связанных ядер из более рыхлых и потому сопровождаются выделением энергии (точнее, выделением в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению энергии связи). При этом сам механизм этого "экзоэнергетического" сдвига к средней части периодической системы элементов Менделеева здесь противоположен тому, который имеет место при делении тяжёлых ядер: почти все практически интересные Т. р. - это реакции слияния (синтеза) лёгких ядер в более тяжёлые. Имеются, однако, исключения: благодаря особой прочности ядра ⁴He (α-частица) возможны экзоэнергетические реакции деления лёгких ядер (одна из них, "чистая" реакция ¹¹B + р → 3⁴Не + 8,6 Мэв, привлекла к себе интерес в самое последнее время).

Большое энерговыделение в ряде Т. р. обусловливает важность их изучения для астрофизики, а также для прикладной ядерной физики и ядерной энергетики. Кроме того, чрезвычайно интересна роль Т. р. в дозвёздных и звёздных процессах синтеза атомных ядер химических элементов (нуклеогенеза).

Скорости Т. р. В табл. 1 для ряда Т. р. приведены значения энерговыделения, основной величины, характеризующей вероятность Т. р. - её максимального эффективного поперечного сечения (См. Эффективное поперечное сечение) (σ_макс, и соответствующей энергии налетающей (в формуле реакции - первой слева) частицы.

Главная причина очень большого разброса сечений Т. р. - резкое различие вероятностей собственно ядерных ("послебарьерных") превращений. Так, для большинства реакций, сопровождающихся образованием наиболее сильно связанного ядра ⁴He, сечение велико, тогда как для реакций, обусловленных слабым взаимодействием (См. Слабые взаимодействия) (например, р + р → D + е⁺ + ν), оно весьма мало.

Т. р. происходят в результате парных столкновений между ядрами, поэтому число их в единице объёма в единицу времени равно n₁n₂ <vσ(v) >, где n₁, n₂ - концентрации ядер 1-го и 2-го сортов (если ядра одного сорта, то n₁n₂ ñëåäóåò çàìåíèòü íà 1/2n²), v - относительная скорость сталкивающихся ядер, угловые скобки означают усреднение по скоростям ядер v [распределение которых в дальнейшем принимается максвелловским (см. Максвелла распределение)].

Температурная зависимость скорости Т. р. определяется множителем < vσ(v) >. В практически важном случае "не очень высоких" температур T < (10⁷÷10⁸) К она может быть приближённо выражена в виде, одинаковом для всех Т. р. В этом случае относительные энергии Е сталкивающихся ядер, как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера (последняя даже для комбинации ядер с наименьшим зарядом z = 1 составляет Термоядерные реакции 200 Кэв, что соответствует, по соотношению E = kT, T Термоядерные реакции 2․10⁹ K) и, следовательно, вид σ(v) определяется в основном вероятностью "туннельного" прохождения сквозь барьер (см. Туннельный эффект), а не собственно ядерным взаимодействием, в ряде случаев обусловливающим "резонансный" характер зависимости σ(v) (именно такая зависимость проявляется в наибольших из значений σ_макс в таблице 1). Результат имеет вид

< vσ(v) > = const․Т^-2/3ехр}

,

где const - постоянная, характерная для данной реакции, Z₁, Z₂ - заряды сталкивающихся ядер, - их приведённая масса, е - заряд электрона, η - Планка постоянная, k - Больцмана постоянная.

Таблица 1

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| | Реакция | Энерговыделение, | σ_макс, Барн (в | Энергия налетающей |

| | | Мэв | области энергий ≤1 | частицы, |

| | | | Мэв) | соответствующая σ_макс, |

| | | | | Мэв |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 1 | p + p → D + e⁺ + v | 2,2 | 10^-23 | - |

| 2 | p + D → ³He + g | 5,5 | 10^-6 | - |

| 3 | p + T → ⁴He + g | 19,7 | 10^-6 | - |

| 4 | D + D → T + P | 4,0 | 0,16 (при 2 Мэв) | 2,0 |

| 5 | D + D → ³He + n | 3,3 | 0,09 | 1,0 |

| 6 | D + D → ⁴He + g | 24,0 | - | - |

| 7 | D + T → ⁴He + n | 17,6 | 5,0 | 0,13 |

| 8 | T + D → ⁴He + n | 17,6 | 5,0 | 0,195 |

| 9 | T + T → ⁴He + 2n | 11,3 | 0,10 | 1,0 |

| 10 | D + ³He → ⁴He + p | 18,4 | 0,71 | 0,47 |

| 11 | ³Не + ³Не →⁴Не+2р | 12,8 | - | - |

| 12 | n + ⁶Li → ⁴He + T | 4,8 | 2,6 | 0,26 |

| 13 | p + ⁶Li → ⁴He + ³He | 4,0 | 10^-4 | 0,3 |

| 14 | p + ⁷Li → 2⁴He + γ | 17,3 | 6․10^-3 | 0,44 |

| 15 | D + ⁶Li → ⁷Li + p | 5,0 | 0,01 | 1,0 |

| 16 | D + ⁶Li → 2⁴He | 22,4 | 0,026 | 0,60 |

| 17 | D + ⁷Li → 2⁴He + n | 15,0 | 10^-3 | 0,2 |

| 18 | p + ⁹Be → 2⁴He + D | 0,56 | 0,46 | 0,33 |

| 19 | p + ⁹Be → ⁶Li + ⁴He | 2,1 | 0,35 | 0,33 |

| 20 | p + ¹¹B → 3⁴He | 8,6 | 0,6 | 0,675 |

| 21 | p + ¹⁵N → ¹²C + ⁴He | 5,0 | 0,69 (при 1,2 Мэв) | 1,2 |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

p - протон, D - дейтрон (ядро дейтерия ²H), Т - тритон (ядро трития ³H), n - нейтрон, е+ - позитрон, v - нейтрино, γ - фотон.

Т. р. во Вселенной играют двоякую роль - как основной источник энергии звёзд и как механизм нуклеогенеза. Для нормальных гомогенных звезд, в том числе Солнца, главным процессом экзоэнергетического ядерного синтеза является сгорание Н в Не, точнее, превращение 4 протонов в ядро ⁴He и 2 позитрона. Этот результат можно получить двумя путями (Х. Бете и др., 1938-39): 1) в протон - протонной (рр) цепочке, или водородном цикле; 2) в углеродно-азотном (CN), или углеродном, цикле (таблицы 2 и 3).

Первые 3 реакции входят в полный цикл дважды. Времена реакций рассчитаны для условий в центре Солнца: Т = 13 млн К (по другим данным - 16 млн К), плотность Н - 100 г /см³. В скобках указана часть энерговыделения, безвозвратно уходящая с ν.

В CN-цикле ядро ¹²С играет роль катализатора. Для Солнца и менее ярких звёзд в полном энерговыделении преобладает рр-цикл, а для более ярких звёзд - CN-цикл.

Табл. 2. - Водородный цикл

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Реакция | Энерговыделение, Мэв | Среднее время реакции |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| р + р → D+e⁺ + v | 2․0,164 + (2․0,257) | 1,4․10¹⁰ лет |

| е⁺ + е^- →2γ | 2․1,02 | - |

| p + D → ³He + g | 2․5,49 | 5,7 сек |

| ³Не + ³Не → ⁴Не+2р | 12,85 | 10⁶ лет |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Итого 4p (r) ⁴He + 2e⁺ | 26,21 + (0,514) | |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Водородный цикл разветвляется на 3 варианта. При достаточно больших концентрациях ⁴He и T > (10 ÷ 15) млн К, в полном энерговыделении начинает преобладать др. ветвь рр-цикла, отличающаяся от приведённой в таблице 2 заменой реакции ³He + ³He на цепочку:

³He + ⁴He → ⁷Be + γ, ⁷Be + e^- → ⁷Li + γ,

p + ⁷Li → 2⁴He,

а при ещё более высоких Т - третья ветвь:

³He + ⁴He → ⁷Be + γ, р + ⁷Ве → ⁸В + γ,

⁸B → ⁸Be + e⁺ + ν, ⁸Be → 2⁴He.

Для звёзд-гигантов с плотными выгоревшими (по содержанию Н) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы Т. р.; они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем рр- и CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей, начиная с T ≈ 200 млн К, является так называемый процесс Солпитера: 3⁴He → ¹²C + γ₁ + γ₂ + 7,3 Мэв (процесс не строго тройной, а двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро ⁸Be). Далее могут следовать реакции ¹²C +⁴Не → ¹⁶O + γ, ¹⁶O + ⁴He → ²⁰Ne + γ; в этом состоит один из механизмов нуклеогенеза. Возможность процесса Солпитера, а тем самым и нуклеогенеза большинства элементов (предпосылка возникновения всех форм жизни!) связана с таким случайным обстоятельством, как большая "острота" резонанса в ядерной реакции 3⁴Не → ¹²С, обеспечиваемая наличием подходящего дискретного уровня энергии у ядра ⁸Be.

Если продукты реакций гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществляется неоновый (Ne-Na) цикл, в котором ядро ²⁰Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу (табл. 3), только ядра ¹²C, ¹³N, ¹³C, ¹⁴N, ¹⁵O, ¹⁵N заменяются соответственно ядрами²⁰Ne, ²¹Na, ²¹Ne, ²²Na, ²³Na, ²³Mg.

Табл. 3. - Углеродный цикл

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Реакция | Энерговыделение, Мэв | Среднее время реакции |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| р + ¹²С → ¹³N + γ | 1,95 | 1,3․10⁷ лет |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| ¹³N → ¹³С + е⁺ + v | 1,50(0,72) | 7,0 мин |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| р + ¹³С → ¹⁴N + γ | 7,54 | 2,7․10⁶ лет |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| р + ¹⁴N → ¹⁵O + γ | 7,35 | 3,3․10⁸ лет |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| ¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ +v | 1,73 + (0,98) | 82 сек |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| р + ¹⁵N → ¹²С + ⁴Не | 4,96 | 1,1․10⁵ лет |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Итого 4р →⁴Не + 2е⁺ | 25,03 + (1,70) | |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Однако он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеогенеза, так как одно из промежуточных ядер цикла (²¹Ne) может служить источником нейтронов: ²¹Ne + ⁴He → ²⁴Mg + n (аналогичную роль может играть и ядро С, участвующее в CN-цикле). Последующий "цепной" захват нейтронов, чередующийся с процессами β^--распада, является механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер.

Средняя интенсивность энерговыделения ε в типичных звёздных Т. р. по земным масштабам ничтожна. Так, для Солнца (в среднем на 1 г солнечной массы) . Это гораздо меньше, например, скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена веществ. Однако вследствие огромной массы Солнца (2․10³³г) полная излучаемая им мощность (4․10²⁶ вт) чрезвычайно велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца на Термоядерные реакции 4 млн. т) и даже ничтожной её доли достаточно, чтобы оказывать решающее влияние на энергетический баланс земной поверхности, жизни и т. д.

Из-за колоссальных размеров и масс Солнца и звёзд в них идеально решается проблема удержания (в данном случае - гравитационного) и термоизоляции плазмы: Т. р. протекают в горячем ядре звезды, а теплоотдача происходит с удалённой и гораздо более холодной поверхности. Только поэтому звёзды могут эффективно генерировать энергию в таких медленных процессах, как рр- и CN-циклы (табл. 2 и 3). В земных условиях эти процессы практически неосуществимы; например, фундаментальная реакция р + p → D + е⁺ + ν непосредственно вообще не наблюдалась.

Т. р. в земных условиях. На Земле имеет смысл использовать лишь наиболее эффективные из Т. р., связанные с участием изотопов водорода D и Т. Подобные Т. р. в сравнительно крупных масштабах осуществлены пока только в испытательных взрывах термоядерных, или водородных бомб (см. Ядерное оружие). Энергия, высвобождающаяся при взрыве такой бомбы (10²³- 10²⁴эрг), превышает недельную выработку электроэнергии на всём земном шаре и сравнима с энергией землетрясений и ураганов. Вероятная схема реакций в термоядерной бомбе включает Т. р. 12, 7, 4 и 5 (табл. 1). В связи с термоядерными взрывами обсуждались и др. Т. р., например 16,14, 3.

Путём использования Т. р. в мирных целях может явиться Управляемый термоядерный синтез (УТС), с которым связывают надежды на решение энергетических проблем человечества, поскольку дейтерий, содержащийся в воде океанов, представляет собой практически неисчерпаемый источник дешёвого горючего для управляемых Т. р. Наибольший прогресс в исследованиях по УТС достигнут в рамках советской программы "Токамак". Аналогичные программы к середине 70-х гг. 20 в. стали энергично развиваться и в ряде др. стран. Для УТС наиболее важны Т. р. 7,5 и 4 [а также 12 для регенерации дорогостоящего Т]. Независимо от энергетических целей термоядерный реактор может быть использован в качестве мощного источника быстрых нейтронов. Однако значительное внимание привлекли к себе и "чистые" Т. р., не дающие нейтронов, например 10, 20 (табл. 1).

Лит.: Арцимович Л. А., Управляемые термоядерные реакции, 2 изд., М., 1963; Франк-Каменецкий Д. А., Физические процессы внутри звезд, М., 1959; Термоядерные реакции, в кн.: Проблемы современной физики, М., 1954, в. 1; Fowler W. A., Caughlan G. R., Zimmerman В. A., "Annual Review of Astronomy and Astrophysics", 1967, v. 5, p. 525.

В. И. Коган.