Слово "гореть" здесь понимается не как в стихотворении "... свеча горела на столе, свеча горела...", а в смысле, используемом в астрофизике. Например, под горением водорода на Солнце понимается участие водорода в процессах:
p + p = d + позитрон + нейтрино
или p + d = 3He + ?-квант.
Ниже будем обсуждать процесс:
? + H2O (т.е. H+H+16O) 18Ne* (1)
то есть переход молекулы воды в атом неона, в центре которого находится ядро изотопа 18Ne в возбужденном (резонансном) состоянии с квантовыми числами 1-, и энергией возбуждения 4.522 MeV. Процессы такого типа называются индуцированными переходами[2], в отличие от спонтанных (самопроизвольных) переходов.
Очевидно, что ядра, входящие в состав молекулы воды, будут испытывать кулоновское отталкивание на малых расстояниях и, казалось бы, их превращение в ядро 18Ne будет крайне маловероятным. Однако, ситуация не так тривиальна.
Для понимания возможных механизмов протекания процесса (1) рассмотрим два примера возникновения дальнодействия в ядерной физике.
Первый пример — эффект Ефимова. Вкратце он состоит в том, что если вы возьмете три частицы, с парным короткодействующим (например, в виде экспоненты V(r)=B exp(-r/a)) потенциалом взаимодействия, то при специальном выборе параметров B и а в системе возникает дальнодействующий потенциал вида A/R2. Суть явления основана на очень протяженных размерах парной подсистемы. Такие системы обнаружены экспериментально и активно изучаются.
Второй пример связан с широко известным (и интуитивно понятным) явлением в ядерной физике: чем меньше энергия связи ядра, тем больше его размер. На языке квантовой механики это означает, что волновая функция такого ядра, имеющая на больших расстояниях вид экспоненты ?~exp(-?•r), где величина ? ~ E1/2, а E — энергия связи, при малом E будет иметь очень длинный "хвост", значительно превышающий ядерные расстояния.
Именно с такой ситуацией сталкиваемся при рассмотрении структуры ядра 8B (бор восьмой). Оказывается, что стоит этому ядру сообщить небольшую (0.138 MeV ) по ядерным масштабам энергию , как оно развалится на ядро 7Be и протон, то есть порог распада в этот канал лежит выше энергии основного состояния бора всего на 0.138 MeV. При такой малой энергии отделения протона от бора волновая функция ядра бора (по переменной 7Be-протон) имеет огромный по ядерным масштабам "хвост", порядка 300 ферми (размеры ядер — несколько ферми)! Этот хвост может "выглянуть" из-под кулоновского барьера и привести к значительному увеличению вероятности соответствующего перехода. Именно такая ситуация реализуется в процессе (1).
Действительно, энергия резонанса в ядре 18Ne, о котором выше шла речь, в пределах экспериментальной неопределенности, совпадает с порогом распада этого ядра на два протона и ядро кислорода 16O, то есть с энергией молекулы воды. Вычисление перекрытия резонансной и молекулярной волновых функций показывает, что несмотря на кулоновское отталкивание, перекрытие оказывается значительным. Были проведены эксперименты[3], по наблюдению спонтанного перехода молекулы воды в ядро 18Ne. Теперь предлагается проделать эксперименты по индуцированным переходам[4]. Если процесс (1) происходит, то в конечном состоянии резонанс будет распадаться в основное состояние ядра 18Ne с выделением энергии 4.522 MeV с последующей цепочкой распадов в стабильный изотоп кислорода 18O.
Может вода горит в самом деле?
Литература
[1] V.B. Belyaev, et al., Phys. Dokl. 41 (1996) 514-516.
[2] Н.В.Карлов, Лекции по квантовой электронике, Наука, 1982
[3] V.B. Belyaev, et al., Phys. Let. B 522 (2001) 222-226.
[4] V.B. Belyaev, M.B. Miller, Journal of Molecular Liquids, Vol. 154, Iss. 1 (2010), p 23-25.