Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 85
Текст из файла (страница 85)
К прямым ядерным реакциям относятся также реакции квазиупругого выбивания (р, 2р), (р, рп), (е, ер), (е, еп) при больших энергиях налетающих частиц (десятки — сотни МэВ). В таких реакциях одному из нукяонов ядра сообщается большая кинетическая энергия, и он покидает ядро, практически не обмениваясь ею с другими нуклонами. Регистрируя конечные продукты реакции, например 2 протона или электрон и протон, можно получить информацию о том энергетическом уровне, который занимал вылетевший из ядра нуклон. При энергиях сотни МзВ прямые реакции могут идти не только на поверхности, но и в более глубоких областях ядра, и в реакциях квазиупругого выбивания нуклон может быть выбит не только из наружных, но и из внутренних оболочек ядра.
В качестве примера рассмотрим экспериментальные данные, полученные в реакции (Р, 2р) на ядре кислорода 'ВО при энергии падающих протонов 460 МэВ. Два протона, образующихся в конечном состоянии, регистрировались в симметричной геометрии под углом д = 38,7 к направлению первичного пучка протонов. На рис. 9.14 434 Глава 9. Ядерные реакиии 40 20 60 50 40 30 20 !О 0 В,, Мзн Рие.
9.14. Сечение квазиупругого выбивания протона из ядра '»О в зависимости от его энергии связи в этом ядре показано сечение этой реакции в зависимости от энергии связи Вг выбиваемого протона. Сечение имеет три отчетливых максимума, соответствующих выбиванию протона из оболочек 1рцз, ! рз~з и ! в~~з, По положению этих максимумов можно определить энергию, необходимую для вырывания нуклона из каждой оболочки. Энергии максимумов равны 12, 19 и = 45 МэВ и являются энергиями связи протона соответственно на оболочках 1р~~ы 1рз~з и !в гз ялра '"О. При выбивании протона из внешней оболочки !рцз ядра '"„О конечное ядро зги образуется в основном состоянии 1/2 . Выбивание протона из оболочки !раз ядра '«вО приводит к образованию ядра 'г~Х в состоянии 3/2 с энергией возбуждения 6,3 МэВ.
Максимумы в сечении, отвечающие образованию ядра '~~!«! в этих состояниях, сравнительно узкие (2-3 МэВ). Их ширина имеет аппаратурное происхождение (т.е. определяется энергетическим разрешением эксперимента). Максимум при энергии 45 МэВ, отвечающий выбиванию протона нз самой глубокой внутренней оболочки ! вцз и образованию ядра 'г~!«! в глубоком дырочном состоянии 1/2+, напротив, очень широкий. После внесения поправок на аппаратурное разрешение ширина этого дырочного состояния Г 15 МэВ. Столь большая ширина этого дырочного состояния свидетельствует о его сильной связи с другими степенями свободы в ядре, т.е.
описывает быстрое затухание простого одночастичного движения в ядре мО. Время жизни этого глубокого дырочного состояния т ж Ь/Г 4 ° !О " с. В реальном спектре уровней конечного ядра '~~!«! дырочное состояние !вцз «разбросано» по большому числу отдельных уровней более сложной природы. Протоны легко регистрировать с высоким разрешением по энергиям. Поэтому реакции квазиупругого выбивания дают уникальную возможность изучения характеристик внутренних оболочек в ядрах. Такие исследования проведены для ядер вплоть до изотопов свинца.
Глава 10 Нуклеосинтез и Вселенная $1. Введение Нуклеосинтезом называют образование атомных ядер (химических элементов) в естественных условиях. Атомные ялра образуются в ядерных реакциях, происходящих во Вселенной на различных стадиях ее эволюции. Наблюдаемая материя концентрируется в звездах и планетах, а также образует разреженную межзвездную среду. Эта материя представляет собой главным образом нуклиды (атомные ядра с различным числом протонов У и нейтронов 1т') девяносто двух химических элементов от водорода (Я = 1) до урана (Я = 92). Все разнообразие ядерного состава Вселенной сводится примерно к 300 нуклилам, и современная наука позволяет объяснить историю появления этих нуклидов и их распространенность.
Существуют три основных механизма нуклеосинтеза: космологический (первичный или лозвездный) нуклеосинтез, синтез ядер в звездах и нуклеосинтез под действием космических лучей, Механизмы нуклеосинтеза неотделимы от процессов во Вселенной и характера ее эволюции.
Современная наука полагает, что Вселенная родилась около 14 млрд лет назад в результате так называемого Бальшого взрыва. Вначале вещество Вселенной, состоящее из элементарных частиц и излучения, было сконцентрировано в малом объеме и имело огромную плотность и температуру. Происходило стремительное расширение Вселенной, сопровождаемое ее охлаждением.
С появлением первых звезд (примерно через 2 млрд лет) Вселенная вступила в звездную эру, в которой пребывает и сейчас. Космологический нуклеосинтез — это синтез ядер на раннем этапе эволюции Вселенной (до образования заезд). В краткий период 1-3 минуты после Большого взрыва во Вселенной впервые реализовались условия для протекания термоядерных реакций синтеза. В горячем веществе Вселенной, содержавшем протоны и нейтроны при температуре !Оз К, в результате их слияния образовались легкие элементы, такие как дейтерий, тритий, гелий, литий.
После того как во Вселенной образовались звезды, основным механизмом нуклеосинтеза стали ядерные реакции в звездах. Легкие ядра (и химические элементы) вплотьдо железа и никеля образуются в звездах в тер- 436 Глава !О. Оуняеосингнез и Вселенная моядерных реакциях синтеза. Ядра более тяжелых элементов вплоть до урана образуются в массивных звездах при их взрывах в результате захвата нейтронов более легкими ядрами с последующим бета-распадом. Некоторые химические элементы образуются в результате взаимодействия космических лучей с межзвездной средой.
В результате нуклеосинтеза сформировался современный ялерный состав Вселенной. В ней больше всего водорода ( 91% ядер) и гелия ( 8,9%). Остальных ядер (0,2%. Нуклеосинтез продолжается и в настоящее время. ф 2. Распространенность элементов Распространенностью элементов называется число ядер данного элемента в веществе, приходящееся на определенное число ядер эталонного элемента. В качестве эталонного элемента обычно выбирают водород или кремний. Распространенность элементов в зависимости от массового числа, полученная на основе анализа информации о распространенности элементов на Земле, в метеоритах, на Солнце, в звездах и в межзвездной среде, показана на рис. 10.1.
На этом рисунке показан логарифм распространенности нуклидов во Вселенной, причем в качестве эталонного элемента выбран кремний (8!). Используются такие единицы, в которых распространенность 8! принята равной 10~. Среди наиболее существенных особенностей распространенности элементов можно вьшелить следующие: 1. Элементное вещество Вселенной в основном состоит из водорода— 91% всех атомов, 2. По распространенности гелий занимает второе место, составляя 9% всех атомов. 3.
Существует глубокий минимум, соответствующий литию, бериллию и бору. 4. Сразу за этим минимумом следует резкий подъем повышенной распространенности углерода и кислорода. 5. За кислородным максимумом идет скачкообразное падение вплоть до скандия (Я = 21, А = 40). 6. Наблюдается повышенная распространенность элементов в районе железа («железный пик»). 7. После А а 60 уменьшение распространенности происходит более плавно, причем наблюдаются локальные максимумы в районе магических чисел протонов или нейтронов 50, 82, 126. 8.
Как правило, распространенность четно-четных нуклидов (четные л и Ф) выше, чем соседних нуклидов с нечетным числом нуклонов. Все эти особенности распространенности элементов во Вселенной находят объяснение в современной теории образования нуклидов. В частности, повышенная распространенность четно-четных ядер по сравнению 9 2.
Раснространенность элементов 437 с Р о о ~ н О д н д 3 тты о у, н ф о 5 о.о й о о о оон о он о о о е о нно о~н о а с о о о о о Д фа Фт Ж х, о й о нон о оь Ф 4 з $ а о о 2 оно оно оф* ь хи а 2 х~ о о о й 3. нн Х л но ~а 2 Х ай „ о"- оо щ н ' И вод д н 438 Глава 10. Оукяеосинтез и Вселенная с соседними нечетными, из-за чего функция распространенности приобретает «пилообразный» характер, естественным образом объясняется эффектом спаривания нуклонов в ядрах.
Прежде чем перейти к более детальному рассмотрению нуклеосинтеза, посвятим несколько следующих разделов строению и истории Вселенной. Зта тема, помимо большого самостоятельного интереса, необычайно поучительна с точки зрения глубины проникновения микрофизики в явления предельно больших масштабов. Кроме того, это поможет более отчетливо представить себе «сцену», на которой рождаются химические элементы.
43. Вселенная. Свидетельства Большого взрыва В настоящее время основной моделью, описывающей историю и судьбу Вселенной, является модель Большого взрыва. Она была создана в 40-х гг. прошлого века, благодаря работам Г Гамова и его сотрулников Р Алфера и Р Хермана, изучавших возможность рождения элементов во Вселенной. Они первыми осознали, что зта возможность могла быть реализована лишь в очень горячей и плотной Вселенной, на самом раннем этапе своего развития, В соединении с наблюдательными данными Э,Хаббла (они появились еще в 1929 г.) и теоретическими работами А.
Фридмана (1922-1924) и Дж. Леметра (1927) это и привело к рождению модели Большого взрыва (термин «Большой взрыв» предложил Ф. Хойл, критиковавший эту модель). Согласно концепции Большого взрыва в далеком прошлом (в соответствии с современными данными около !4 млрд лет назал) вещество Вселенной было сконцентрировано в очень малом объеме и имело огромную плотность, температуру и давление. Происходило стремительное (взрывное) расширение Вселенной, сопровождавшееся ее охлаждением и уменьшением давления. Если за начальный момент ! = О взять момент Большого взрыва, то в ранней Вселенной зависимости плотности р и температуры Т вещества от времени ! космологического расширения даются следующими приближенными соотношениями: з 5 ' !0~ 10! О р( г'Ы) =,, Т(К) = (10.1) ! (с) ' Из этих соотношений видно, что при ! = 1 с Вселенная имела колоссальную плотность ( 10' г/смз) и температуру ( 10'~ К).
Для сравнения укажем, что температура в центре Солнца 1,5. 1О' К. Расширение Вселенной следует из анализа красного смешения спектров видимого излучения галактик за счет эффекта Доплера. Установлено, что величина красного смешения и, следовательно, скорость разбегания галактик увеличивается для более удаленных галактик. Скорость разлета и двух галактик и расстояние Я между ними связаны законом Хаббла: о = НЯ, (10.2) в 3. Вселенная. Свидешельсгвва Болыиого взрыва 439 где Н вЂ” носглоянная Хаббла. Таким обра:юли скорость разлета галактик прямо пропорциональна расстоянию между ними. Такое разбегание галактик является свидетельством расширения Вселенной.
Постоянная Хаббла не зависит ни от места во Вселенной, ни от направления. Однако она меняется со временем. В ранней Вселенной она была больше. чем в настоягдее время, Зная численное значение постоянной Хаббла и считая, что она не сильно меняется со временем, можно оценить момент времени в прошлом, когда все галактики были практически в одной точке. Учитывая, что Н = 73 кч/(с мегапарсек) и 1 мегапарсек = 3, !.10п км, получаем для времени !я, прошедшего после Большого взрыва, следующее значение: Н 1 !я — = — !4 млрд лет.
о Н (!0.3) ЗН зч г р„= — = 1О 8яС смз (10.4) Средняя плотность р Вселенной определяет ее геометрию и судьбу. При р = р„Вселенная плоская (описывается геометрией Евклида) и будет расширяться неограниченно долго (как и при р < р,). При р > р, расширение Вселенной должно смениться ее сжатием.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
