Суть реакций синтеза заключается в образовании более тяжёлых ядер из лёгких, сопровождающемся выделением или поглощением энергии. Эти процессы лежат в основе как естественных явлений, таких как термоядерные реакции в звёздах, так и искусственных синтезов в лабораториях и реакторах.
Прямое слияние лёгких ядер При высоких температурах и давлениях, как в ядре звезды, два лёгких ядра преодолевают кулоновский барьер и сливаются в более тяжёлое ядро. Примером является термоядерная реакция в протоне-протонном цикле: [ ^1 + ^1 ^2 + e^+ + _e] Здесь формируется дейтерий с выделением позитрона и нейтрино. Энергия, выделяемая при слиянии, определяется изменением массы системы согласно уравнению Эйнштейна (E = m c^2).
Цепные реакции синтеза В некоторых случаях образующееся ядро участвует в дальнейших реакциях, формируя цепь синтеза. Например, цикл CNO (углерод-азот-кислород) в звёздах средней массы: ядра углерода катализируют превращение водорода в гелий, а сами возвращаются к исходному состоянию после нескольких промежуточных стадий.
Реакции с участием тяжёлых ядер Искусственные реакции синтеза включают облучение тяжёлых ядер лёгкими частицами, такими как протоны, нейтроны или альфа-частицы. Пример: синтез радиоизотопа йода: [ ^{127} + n ^{128}] Такие процессы лежат в основе получения искусственных радионуклидов для медицины и промышленности.
Энергия, выделяемая в реакции синтеза, определяется дефицитом массы между исходными и конечными ядрами. Для лёгких элементов (водород, гелий, литий) энергия на нуклон при слиянии выше, чем для тяжёлых, что объясняет эффективность термоядерного синтеза как источника энергии. Наиболее эффективные реакции синтеза происходят между ядрами с массовым числом (A ).
Температура и давление Кулоновский барьер требует, чтобы ядра имели достаточную кинетическую энергию. В звёздах температура достигает миллионов градусов, обеспечивая вероятность столкновения ядер.
Сгусток частиц Вероятность реакции увеличивается с ростом концентрации ядер. Для искусственных условий используется высокая плотность плазмы или интенсивные пучки ионов.
Влияние квантового туннелирования Даже при температуре ниже классической энергии барьера существует конечная вероятность слияния благодаря туннелированию, что особенно важно для процессов в звёздах с относительно «низкими» температурами для ядерного синтеза.