Почему водород и гелий не сливаются?

Водород и гелий могут ненадолго соединиться, образуя литий-5, но это чрезвычайно нестабильный нуклид, который мгновенно распадается (с периодом полураспада${\sim}4\times 10^{-22}\:\rm s$) и для производства которого активно требуется энергия (т.е. это эндотермический процесс, в отличие от того, как мы обычно представляем себе ядерный синтез).

Причина этого в том, что гелий-4 является особенно стабильной системой и имеет огромную энергию связи.$-$намного больше, чем что-либо сразу выше по размеру. В литии-5 у вас есть три протона, которые вы можете представить себе как два из них в паре и один одинокий парень в собственной ядерной оболочке с гораздо более высокой энергией. Эта энергия настолько высока, что лишнему протону проще просто отделиться и уйти, чтобы стать отдельным ядром водорода.

Чтобы сделать литий стабильным, нужно больше нейтронов для стабилизации нуклида, поэтому стабильны только литий-6 и литий-7.

Это поднимает вопрос о том, возможно ли комбинировать подходящие изотопы, чтобы получить те, для которых есть единственные кандидаты.

• Первая реакция действительно происходит, и, например, в этой статье она называется «радиационный захват дейтерия альфа-частицами». Но это крайне маловероятно, и он произвел только следовые количества лития-6 (относительно производства лития-7) в нуклеосинтезе Большого взрыва. (И, кроме того, дейтерий нестабилен в звездных ядрах .)
• Второе действительно происходит , и оно производит энергию. Однако это маловероятно в звездном нуклеосинтезе, поскольку для этого требуется тритий, который нестабилен.
• Может произойти и третья реакция (изучаемая, например, в этой статье ), но опять же это крайне маловероятно, и для нее требуется тритий, который нестабилен.

Что бы это ни стоило, эти реакции являются экзотермическими, высвобождая 1,5, 2,4 и 934 МэВ энергии соответственно, поэтому они могут происходить сами по себе, без необходимости подачи начальной энергии реагентам для их синтеза.

Другими словами, высшие изотопы водорода имеют открытый канал для слияния с гелием с образованием лития. Однако эти каналы настолько подавлены из-за деталей того, насколько вероятны реакции, что ими можно пренебречь в звездном нуклеосинтезе.

И, наконец, есть еще большая проблема, известная как горение лития : если вы просто выпустите ядро ​​лития (изотопа -6 или -7) в звездное ядро, звезда будет просто есть его сырым:

• Литий-7 может сливаться с водородом, образуя бериллий-8, который быстро распадается пополам, образуя два ядра гелия-4. Опять же, это следствие чрезвычайной стабильности альфа-частицы по сравнению с любым из ее соседей по таблице нуклидов.
• Литий-6 может сливаться с водородом, образуя бериллий-7, который распадается в результате захвата электронов до лития-7. Полученный литий-7 затем в конечном итоге поймает другой протон, как указано выше.

Конечным результатом этого механизма является то, что развитые звезды имеют меньше лития, чем первичный бульон, с которым они начинали.

Одной из проблем является сохранение барионного числа, то есть количество нуклонов до и после реакции должно быть одинаковым. Они не должны превращать протоны в нейтроны или наоборот (если нет другого пути), потому что для этого потребуется слабое взаимодействие, а если есть способ реагировать, не полагаясь на слабое взаимодействие, ядра обычно выбирают этот путь. Другим является сохранение энергии и импульса: чтобы оба они сохранялись, должна быть еще одна частица, помимо нового ядра, созданного в реакции, чтобы и энергия, и импульс сохранялись.

Для слияния водорода-1 и гелия-4 потребуется 5 нуклонов, но стабильного ядра такого размера 5 не существует. Гелий-5 имеет период полураспада$7×10^{−22}$с, а литий-5 имеет период полураспада$3.7×10^{−22}$с. Это слишком мало для того, чтобы они могли принять участие в другой реакции и, возможно, создать более тяжелое стабильное ядро ​​до того, как оно распадется. Вот почему, когда водород-2 реагирует с гелием-3, они создают только гелий-4 и протон.

Если бы водород-2 и гелий-4 сливались в литий-6, в этой реакции не нужно было бы превращать нуклоны из протона в нейтрон или наоборот, и без такого изменения не было бы побочных продуктов (таких как электроны и нейтрино). ), которые необходимы для баланса энергии и импульса. Возможно, что это произойдет при испускании фотона, но это означает вовлечение в реакцию электромагнитного взаимодействия, которое намного слабее сильного взаимодействия, что делает реакцию гораздо менее вероятной (и из-за этого менее эффективной). в производстве энергии). Слияние водорода-3 и гелия-3 с литием-6 или водорода-3 и гелия-4 с литием-7 имеет ту же проблему.

Кажется, возможна реакция, в которой водород-3 и гелий-4 создают литий-6 и нейтрон, поскольку она не нарушает никаких правил. Однако эта реакция потребляет энергию, а не производит ее (продукт весит больше, чем реагенты), и поэтому она не может подпитывать горение звезды, тем более что тритий-3 является редким изотопом.

Подводя итог: реакция синтеза гелия и водорода может

1. происходить без создания новых элементов или
2. не являются эффективным источником энергии.