Το βραβείο Νόμπελ στη φυσική 1967 στον Hans Bethe

Άρθρο, Μάρτιος 2005

Το Νόμπελ στη φυσική του 1967 απονεμήθηκε στον Γερμανικής καταγωγής Hans Bethe (1906), οι  εργασίες του οποίου αποτέλεσαν την κύρια αιτία για να καταλάβουμε τι συμβαίνει πραγματικά στις πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό του ήλιου και των αστεριών. Έτσι έριξε φως σε ένα παλαιό αίνιγμα, αυτό της παραγωγής ενέργειας και της προέλευσης των χημικών στοιχείων στη φύση (η νουκλεονοσύνθεση).

Μελέτησε τη θεωρία των πυρηνικών αντιδράσεων το 1935-1938 και έδειξε ότι στα άστρα υπάρχουν δύο είδη πυρηνικών συντήξεων ανάλογα με την θερμοκρασία των πυρήνων τους. Στα άστρα με υψηλή θερμοκρασία υπερισχύει ο κύκλος του άνθρακα- αζώτου-οξυγόνου. Οι πυρήνες του άνθρακα αντιδρούν με τέσσερα πρωτόνια (πυρήνες υδρογόνου) για να αναπαραχθεί στο τέλος ο πυρήνας του ηλίου. Σε μικρότερα άστρα, όπως ο ήλιος μας, συμβαίνει μια πυρηνική αντίδραση πρωτονίου-πρωτονίου που παράγει ήλιο. Και στις δύο κατηγορίες παράγεται η ζητούμενη ενέργεια βάσει της σχέσης του Αϊνστάιν μάζας-ενέργειας.

Από την ιστορία της φυσικής

Οι φυσικοί ζητούσαν πάντα να μάθουν πώς είναι δυνατόν ο ήλιος να εκπέμπει φως και θερμότητα χωρίς να εξαντλούνται τα καύσιμά του. Όχι μόνο κατά την εποχή που υπάρχει ο άνθρωπος αλλά και κατά τη διάρκεια της μακράς εποχής, που αναπτύχθηκε η ζωή. Όλα τα όντα χρειάζονται τον ήλιο για να τα τροφοδοτήσει με ενέργεια, από πού προέρχεται λοιπόν αυτή η ενέργεια;

 Η λύση αυτού του προβλήματος φάνηκε ακόμα και πιο μάταιη όταν βρέθηκε η ηλικία της Γης. Καμία από τις γνωστές πηγές ενέργειας δεν θα μπορούσε να δώσει τα ποσά της ενέργειας, που εκπέμφθηκαν στα δισεκατομμύρια χρόνια, που υπάρχει η Γη. Κάποια λοιπόν, αρκετά άγνωστη, διαδικασία θα έπρεπε να υπάρχει στο εσωτερικό του ήλιου.

Όταν όμως ανακαλύφθηκε η ραδιενέργεια, μια ενέργεια που υπερβαίνει κατά πολύ σε απόδοση οποιοδήποτε γνωστό καύσιμο, άρχισε να λύνεται το αίνιγμα. Και, αν και η πρώτη εικασία ότι ο ήλιος μπορεί να περιέχει ένα ικανοποιητικό ποσό ραδιενεργών ουσιών αποδείχθηκε σύντομα ότι είναι λανθασμένη, η πιο στενή μελέτη της ραδιενέργειας βήμα προς βήμα άνοιξε ένα νέο πεδίο της φυσικής έρευνας μέσα στην οποία επρόκειτο να βρεθεί η λύση.

Ενώ η συνηθισμένη φυσική και η χημεία μπόρεσε να ήταν οδηγός στη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων, που αποτελούν το εξωτερικό μέρος των ατόμων, το νέο πεδίο επικεντρωνόταν στο ενδότατο μέρος τους, τον πυρήνα. Ο Rutherford (βραβείο Νόμπελ Χημείας 1901), την ονόμασε η νεώτερη αλχημεία επειδή οι πυρηνικές αντιδράσεις, σε αντίθεση με τις χημικές αντιδράσεις, οδηγούν συνήθως στις μεταστοιχειώσεις των χημικών στοιχείων - κάτι που οι αλχημιστές επιθύμησαν να παραγάγουν στο Μεσαίωνα αλλά δεν μπόρεσαν να το καταφέρουν με τα μέσα που χρησιμοποιούσαν. Η ενέργεια στις πυρηνικές αντιδράσεις είναι μερικά εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από τις χημικές αντιδράσεις.

Έγινε σύντομα σαφές ότι το πρωτόνιο, ο πυρήνας του ατόμου των υδρογόνων, είναι ένας κοινός δομικός λίθος όλων των ατομικών πυρήνων. Και είναι φορτισμένο θετικά, σε αντίθεση με τον άλλο δομικό λίθο, το νετρόνιο, που είναι ουδέτερο, όπως φανερώνει το όνομά του, που ανακαλύφθηκε το 1932, είκοσι ένα χρόνια αργότερα από το πρωτόνιο. Και, παρά τη σημαντική πρόοδο κατά τη διάρκεια εκείνων των χρόνων, μπορεί να ειπωθεί ότι μετά από το 1932 άρχισε πραγματικά η πυρηνική φυσική.

Από εκείνη την εποχή ο Bethe ανήκε σε μια μικρή ομάδα νέων ικανών θεωρητικών φυσικών, που είχε στενή σύνδεση με τις πειραματικές ανακαλύψεις του καιρού του. Το κέντρο των προβλημάτων την εποχή εκείνη, ήταν να βρεθούν οι ιδιότητες της δύναμης που συγκρατούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια μαζί στον πυρήνα, το αντίστοιχο της ηλεκτρικής δύναμης που συγκρατεί τα ηλεκτρόνια με τον πυρήνα. Ο Bethe έδωσε πολλές λύσεις σε αυτά τα προβλήματα. Θεωρείται από τους πρωτοπόρους σε αυτό το πεδίο - αλλά και σε διάφορα άλλα πεδία. Επιπλέον, περίπου στο μέσον της δεκαετίας του '30 πρόσφερε καινούργιες θεωρητικές ιδέες αλλά και πειραματικά δεδομένα στην ατομική και πυρηνική φυσική.

Αυτή η εκτενής και βαθιά γνώση των πυρήνων μαζί με ένα σπάνιο δώρο, να πιάνει γρήγορα την ουσία ενός φυσικού προβλήματος και να βρίσκει έτσι τους τρόπους εξήγησης του, εξηγεί γιατί ο Bethe μπόρεσε να ξεδιαλύνει τις πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό των άστρων. Κάτι που του απέφερε το βραβείο Νόμπελ.

Αυτή την εργασία την άρχισε μετά από μια διάσκεψη, που πραγματοποιήθηκε στην Ουάσιγκτον τον Μάρτιο του 1938. Και τα συμπεράσματα αυτής, με μια λεπτομερή περιγραφή, την παρέδωσε για εκτύπωση στις αρχές του Σεπτεμβρίου του ίδιου χρόνου. Κατά τη διάρκεια εκείνης της διάσκεψης και φυσικά ύστερα φαίνεται να αποκτά επίσης και την απαραίτητη αστροφυσική γνώση.

Αυτή η γνώση εξαρτήθηκε κυρίως από την εργασία ενός πρωτοπόρου, του Eddington το 1926, σύμφωνα με την οποία το ενδότατο μέρος του ήλιου είναι ένα καυτό αέριο που αποτελείται κυρίως από υδρογόνο και ήλιο. Εξ αιτίας της υψηλής θερμοκρασίας, περίπου 20 εκατομμύρια βαθμοί, - αυτά τα άτομα αποσυντίθενται σε ηλεκτρόνια και  πυρήνες - το μίγμα αυτό, παρά την υψηλή πυκνότητα - περίπου 80 φορές του νερού - στην πράξη συμπεριφέρεται όπως ένα αέριο. Το ποσό της παραγόμενης ενέργειας, την απαραίτητη για να διατηρήσει αυτή την κατάσταση, ήταν γνωστό από τις μετρήσεις της ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στη Γη.

Αν ληφθεί σαν σύνολο το ποσό της ενέργειας είναι τεράστιο, αλλά πολύ αργό σε σύγκριση με το μέγεθος του ήλιου. Ένας συνηθισμένος ηλεκτρικός λαμπτήρας 60 βάτ θα αντιστοιχούσε σε περίπου 300 τόνους ύλης του ήλιου. Αυτή η πολύ αργή καύση μαζί με την πολύ υψηλή ελευθέρωση ενέργειας από ένα ορισμένο βάρος του καυσίμου, δίνει σε αυτήν την πηγή την υψηλή διάρκεια που απαιτείται από τη γεωλογία και τη μακροχρόνια ύπαρξη της ζωής στη Γη.

Πριν δούμε τις πυρηνικές διαδικασίες, που σύμφωνα με την εργασία του Bethe ήταν σίγουρα η πηγή της παραγωγής της ενέργειας του ήλιου και παρόμοιων άστρων, θα πούμε μερικές λέξεις για δύο ζητήματα που παρουσιάζονται πάνω σε αυτά. Γιατί είναι αυτές οι πυρηνικές διαδικασίες τόσο αργές στον ήλιο όταν είναι τόσο γρήγορες στους ατομικούς αντιδραστήρες ή ακόμη και στις ατομικές βόμβες; Και γιατί αυτές είναι ανύπαρκτες στις συνηθισμένες συνθήκες;

Η απάντηση είναι ότι οι πυρήνες προστατεύονται από άλλους πυρήνες από την ηλεκτρική άπωση μαζί με την ισχυρή πυρηνική δύναμη εξαιρετικά μικρού εύρους  - που είναι πολύ μικρή σε σχέση με το εύρος της ηλεκτρικής δύναμης. Αυτό υπονοεί ότι ένα πρωτόνιο πρέπει να έχει μια εξαιρετικά υψηλή ταχύτητα προκειμένου να έρθει κοντά σε έναν άλλο πυρήνα, ώστε να πραγματοποιηθεί μια πυρηνική αντίδραση. Εάν δεν ήταν το κβαντομηχανικό φαινόμενο σήραγγας, που μελετήθηκε από τον Gamow - κι αυτός πρέπει να θεωρηθεί ο βασικός πρόδρομος του Bethe όσον αφορά την εφαρμογή της πυρηνικής φυσικής στην αστρονομία - ακόμα και οι ταχύτητες των πρωτονίων στην υψηλή θερμοκρασία του ήλιου δεν θα ήταν σε θέση να παραγάγουν οποιεσδήποτε τέτοιες πυρηνικές διαδικασίες. Αλλά μέσω αυτού του φαινομένου εμφανίζονται οι αργές αντιδράσεις που απαιτούνται. Η περίπτωση των ατομικών αντιδραστήρων είναι διαφορετική, επειδή οι αντιδράσεις εκεί  παράγονται από τα νετρόνια, τα οποία μην έχοντας κανένα φορτίο δεν μπορούν να τα σταματήσουν οι πυρήνες. Ευτυχώς τα νετρόνια είναι βραχύβια και επομένως εξαιρετικά σπάνια κάτω από τις συνηθισμένες περιστάσεις ακόμη και στον ήλιο.

Ακόμα και όταν άρχισε ο Bethe την εργασία του στην παραγωγή της ενέργειας στα αστέρια υπήρξαν σημαντικά χάσματα στη γνώση για τους πυρήνες, που έκαναν  πολύ δύσκολη τη λύση του προβλήματος. Και αυτό οφειλόταν σε ένα συνδυασμό μη τελειοποιημένης ακόμη θεωρίας και από τα ελλιπή πειραματικά στοιχεία. Παρόλα αυτά πέτυχε να καθιερώσει το μηχανισμό της παραγωγής ενέργειας στον ήλιο και τα παρόμοια άστρα. Τόσο καλά δε, που αργότερα ήταν αναγκαίες μόνο οι δευτερεύουσες διορθώσεις,  όταν αποκτήθηκε η κατάλληλη πειραματική γνώση και όταν, επιπλέον, έγιναν διαθέσιμοι οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές για τις πράξεις.

Ένα πολύ σημαντικό μέρος της εργασίας του οδήγησε στην εξάλειψη ενός μεγάλου αριθμού πυρηνικών διαδικασιών που οι φυσικοί θεωρούσαν ότι πραγματοποιούνται στο κέντρο του ήλιου, και στο τέλος έμειναν μόνο δύο πιθανές διαδικασίες.

Η απλούστερη ξεκινάει με δύο πρωτόνια, που συγκρούονται μεταξύ τους, και σχηματίζουν έναν πυρήνα δευτερίου, το πλεόνασμα δε του ηλεκτρικού φορτίου εμφανίζεται υπό μορφή ποζιτρονίου. Η αντίδραση συνεχίζεται με τη σύλληψη κι άλλων πρωτονίων, ώσπου να σχηματιστεί ένας πυρήνας ηλίου από τέσσερα πρωτόνια. Η αντίδραση αυτή που ονομάζεται pp, ελευθερώνει για κάθε πυρήνα ηλίου ενέργεια 4.10¹² Joule. Και για σύγκριση, από ένα δεδομένο βάρος υδρογόνου ελευθερώνει, σχεδόν 20 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη ενέργεια από αυτή που παράγεται από την καύση του ίδιου (με το υδρογόνο) βάρους άνθρακα προς διοξείδιο του άνθρακα. Ο ήλιος μετατρέπει κάθε δευτερόλεπτο 600 εκατομμύρια τόνους υδρογόνου σε ήλιον. Αυτό αντιστοιχεί σε μια απώλεια τεσσάρων εκατομμυρίων τόνων ηλιακής μάζας κάθε δευτερόλεπτο.

Η δεύτερη πυρηνική διαδικασία πάνω στα θερμότερα και μεγαλύτερης μάζας άστρα από τον ήλιο μας. Είναι πιο περίπλοκη και ονομάζεται κύκλος του άνθρακα, αζώτου, οξυγόνου.  Κάτω από αυτές τις ακραίες θερμοκρασίες οι πυρήνες του άνθρακα, συγκρούονται διαδοχικά με τέσσερις πυρήνες υδρογόνου για να φτιάξουν διεγερμένους (ασταθείς) πυρήνες άνθρακα, αζώτου και οξυγόνου. Ο τελικός πυρήνας του οξυγόνου διασπάται αυθόρμητα σε ένα πυρήνα άνθρακα και ηλίου-4, ελευθερώνοντας ενέργεια. Η παρουσία του άνθρακα λειτουργεί σαν καταλύτης γιατί δεν καταναλώνεται αλλά εμφανίζεται ξανά. Το αποτέλεσμα είναι το ίδιο όπως στην προηγούμενη διαδικασία: Ένας πυρήνας ηλίου.

Πρέπει να αναφερθεί ότι η πρώτη διαδικασία είχε προταθεί μερικά χρόνια νωρίτερα από τον Atkinson και είχε συζητηθεί αργότερα από τον von Weizsacker, που ανέπτυξε επίσης τη δεύτερη διαδικασία ανεξάρτητα από το Bethe και στην ίδια εποχή με αυτόν. Αλλά κανένας άλλος, όπως ο Bethe δεν είχε δώσει μια λεπτομερή ανάλυση των απαραίτητων διαδικασιών, που είναι αρμόδιες για την παραγωγή ενέργειας στον ήλιο και τα παρόμοια αστέρια.

Δημιουργία των βαρύτερων στοιχείων

Αφού το υδρογόνο ενός μικρού άστρου έχει μετατραπεί σε ήλιο είτε με τη διαδικασία πρωτονίου-πρωτονίου είτε με τη διαδικασία άνθρακα-αζώτου-οξυγόνου, ο αστρικός πυρήνας συρρικνώνεται, ενώ τα εξωτερικά στρώματα διαστέλλονται. Γίνονται λοιπόν διεργασίες στον πυρήνα έως ότου επιτευχθούν αρκετά υψηλές θερμοκρασίες για να αρχίσει η καύση του ηλίου. Από αυτήν την διαδικασία, συντήκονται τρεις πυρήνες ηλίου για να κάνουν έναν πυρήνα άνθρακα. Από τις διαδοχικές προσθήκες των πυρήνων ηλίου, δημιουργούνται τα βαρύτερα στοιχεία μέχρι το σίδηρο- 56. Τα στοιχεία των οποίων τα ατομικά βάρη δεν είναι πολλαπλάσια του τέσσερα δημιουργούνται από τις πλευρικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν νετρόνια. Επειδή ο σίδηρος-56 είναι από τα σταθερότερα των στοιχείων, είναι πολύ δύσκολο να προστεθεί ένας πρόσθετος πυρήνας ηλίου σε αυτόν. Εντούτοις, ο σίδηρος-56 θα συλλάβει εύκολα ένα νετρόνιο για να διαμορφώσει το λιγότερο σταθερό ισότοπο, τον σίδηρο-57. Από τον σίδηρο-57,  μπορούν να συντεθούν τα στοιχεία μέχρι το βισμούθιο- 209. Τα στοιχεία τα πιο βαριά από το βισμούθιο-209 είναι ραδιενεργά δηλαδή διασπώνται αυθόρμητα. Εντούτοις, κατά τη διάρκεια της έκρηξης ενός υπερκαινοφανή, παράγεται μια εξαιρετικά έντονη ροή νετρονίων και οι πυρηνικές αντιδράσεις προχωρούν τόσο γρήγορα που τα ραδιενεργά στοιχεία δεν έχουν αρκετό χρόνο για να αποσυντεθούν, με συνέπεια τη γρήγορη δημιουργία των ραδιενεργών στοιχείων μέχρι και πέρα από το ουράνιο.