Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 90
Текст из файла (страница 90)
Синтез ядер в звездах Начало звездной зры относится примерно к 1 млрд лет с момента Большого взрыва, когда формируются первые гачактики. Первые звезды образуются через 2 млрд лет, Солнечная система возникла сравнительно поздно — примерно через 9 млрд лет. Согласно современным представлениям образование звезд происходит внутри облака газа и пыли. Обычно исходят из представления о том, что однородно распределенное вешество в пространстве неустойчиво и может собираться в сгустки под действием сил тяготения. Небольшие, случайно образовавшиеся сгустки плотности растут из-за гравитационной неустойчивости. Чтобы образовалась звезда, необходимо сжатие некоторой области газопылевого облака до такой стадии, когда она станет достаточно плотной и горячей.
В процессе такой концентрации вещества происходит увеличение температуры и давления. Возникают условия для появления звезды. Звезды конденсируются под действием гравитационных сил из гигантских газовых молекулярных облаков (т.е. состоящих в основном из вешества в молекулярной форме). Масса вещества, сосредоточенного в молекулярных облаках, составляет значительную часть всей массы галактик.
Эти газовые облака первичного вешества состоят преимущественно из водорода. Небольшую примесь ( 9%) составляет гелий, образовавшийся в основном в результате первичного нуклеосинтеза в дозвездную эпоху. В существенно меньших количествах в молекулярных облаках присутствует дейтерий ('Н), гелий-3 ('Не) и даже '1.1, также образующиеся в процессе первичного нуклеосинтеза. Звезды образуются из отдельных неоднородностей в гигантском молекулярном облаке, называемых компактными зонами (их типичный размер порядка нескольких световых месяцев, плотность 3 10' молекул водорода в 1 смз и температура — 1О К). Сжатие компактной зоны начинается с коллапса внутренней части, т.е. со свободного падения вещества в центре звезды. «Падая» на центр притяжения, молекулы приобретают энергию, 9 7.
Синтез ядер в эвеэдах 457 и в результате взаимодействия (столкновения) в конечном счете происхолит разрушение молекул на отлельные атомы и переход вещества в ионизованное состояние. Сгусток, образующийся в центре коллапсирующего облака. называют лротоэвеэдой. Время образования протозвезды от начала коллапса 10э-! Оа лет. Падающий на поверхность протозвезды газ (это явление называется а««рецией) образует ударный фронт, что приводит к разогреву газа до 10а К.
Излучение протозвезлы — это излучение свободно двигающихся электронов в ионизованной среде. Протозвезла светит за счет освобождения гравитационной энергии при сжатии. Когда масса вещества звезды в результате аккреции достигает 0.1 массы Солнца (0,1Мо), температура в центре звезды возрастает до 1 млн К и в жизни протозвеэды начинается новый этап — реакции термоядерного синтеза. Однако эти термоялерные реакции существенно отличаются от реакций, протекающих в звездах, находящихся в стационарном состоянии, типа Солнца. Дело в том, что протекающая на Солнце реакция синтеза р+ р -к. Н + е + и, + ф (10.16) где !в = 0,42 Мэ — выделяющаяся энергия, требует более высокой температуры ( 10 млн К).
Температура же в центре протозвеэды составляет всего 1 млн К. При такой температуре эффективно протекает реакция слияния дейтерия Н+ Н- Не+и+ 3,27 МзВ. (1О. 17) Дейтерий, как и аНе, образуется на дозвездной стадии эволюции Вселенной, и его содержание в протозвеэле !О '-1О э от содержания протонов. Однако даже этого небольшого количества дейтерия достаточно для появления в центре протозвезды эффективного источника энергии. Дальнейшее сжатие звездного вещества за счет гравитационных сил приводит к повышению температуры и плотности в центре звезды, что создает условия для начала ядерной реакции горения волорода (10.16), Эта реакция начинается при Т 10' К, когда средняя кинетическая энергия протонов достигает ! кэВ, что позволяет двум протонам за счет эффекта квантово-механического туннелнрования преодолеть кулоновское отталкивание и сблизиться до расстояний 1-2 Фм, при которых вступают в действие ядерные силы притяжения.
Ялерная реакция (!0.16) начинается в звезде типа Солнца в ограниченной центральной части при плотностях -100 г/смэ. Эта реакция сразу.же останавливает дальнейшее сжатие звезды. Тепло, вылеляюшееся в процессе термоядерной реакции горения волорола, создает давление, которое противодействует гравитационному сжатию и не позволяет звезде коллапсировать, Происходит качественное изменение механизма выделения энергии в звезде. Если до начала ядерной реакции горения водорода нагревание звезды происходило главным образом эа счет гравитационного сжатия„то теперь появляется другой доминирующий механизм— энергия выделяется за счет ядерных реакций синтеза. Звезда приобретает 29 Эак 39 Глава 1О. Нуклеосиншез и Вселенная Горение водорода Горение водорода в реакции 4р — Не р«р: зо«" «« — « 'И+«'«о,з042М«В Нэ р зз«о,«««Иззу«549Ч«В З!«о 'И ''И вЂ” '" — "- 'И.
гр !286М В «Ио 'И .о««~'.Я 'В «т- з,50М В 0,2«о 'Ве«- « — '-~о ''о« + т э з,««286 М«В «ызр — и«о о«ч-э«ие «Ие !225мзв Во+р -«' — «'В т«-0,!4М«В «В «««о Ва ««Ве зе«зу,.' !406мэВ Ве 'о «е— «Ие" Неззомэв !О «« б И !О ь« 20 !О !О Зверснв нейтрино, МаВ !О Спектр нейтрино, образуюшихся на Солнце в результате горения водорода в реакции ар-» 'Не и в СгЧО-цикле. Рер н Ьер обозначают процессы р+р+е — 'Н+и, и 'Не+р — э'Не+е +и, стабильные размеры и светимость, которые для звезды с массой, близкой к солнечной, не меняются в течение миллиардов лет, пока происходит «сгораиие» водорода. Это самая длительная стадия звездной эволюции. В результате сгорания водорода из калгдых четырех ядер водорода обра- 459 Э 7.
Синп7ез ядер в звездах зуется одно ядро гелия. Наиболее вероятная цепочка ядерных реакций на Солнце, приводящих к этому, носит название проп7он-проп7онного цикла и выглядит следующим образом: р+р- Н+е++и«+0,42 МэВ, Р+ Н- Не+7+5,49МэВ, Не+ Не- Не+ р+р+ 12,86 МэВ, (10.18) илн в более компактном виде 4Р- Не+ 2е++ 2и, +27+ 24,68 МэВ, (10.19) Испускаемые Солнцем нейтрино надежно регистрируются земными детекторами, что подтверждает протекание на Солнце реакции (10.16).
Как видно из (10.19), полная энергия, выделяющаяся в результате синтеза «Не из четырех протонов, составляет 24,68 МэВ. Образующиеся при синтезе два познтрона аннигилируют с двумя электронами, увеличивая энерговыделенне до 24,68 МэВ+ 47п,с = (24,68+ 4 0,51) МэВ = 26,72 МэВ. Основная часть этой энергии выделяется в виде 7-излучения и кинетической энергии протонов — продуктов цикла. Лишь около 0,6 МэВ уносят нейтрино.
Цепочка (10.18) начинается с реакции (10.16), идущей за счет слабого взаимодействия. Эта реакция никогда не наблюдалась в земных условиях. Малая величина сечения этой реакции объясняет, почему стадия горения водорода — самая продолжительная стадия звездной эволюции. Большинство звезд находится именно на этой стадии.
Если звезда относится к звездам второго поколения, и ее масса превышает массу Солнца, то «сгорание» водорода в ней происходит при более высокой внутренней температуре (> 2 107 К), главным образом, в другой последовательности реакций, называемой СХО-циклом. Особенность его в том, что, начинаясь с ядра углерода, он сводится к последовательному до бавлению четырех протонов и образованию из них в конце цикла ядра "Не: ,(10.20) Цикл начинается с ядерной реакции между Карами водорода и имеющимися в звезде ядрами углерода.
Образующийся радиоактивный изотоп "Х ",С+р-» 15 7Х » 5С+ Р-» 7Х+Р- 15 $0 -~. !5 7Х+ Р » 7Х+ 7+ 1,94 МэВ, 5С+ е+ + и, + 1,20 МэВ, 7Х+ 7+ 7,55 МэВ, ~О+ 7+ 7,30 МзВ, ~~~Х + е+ + и, + 1,73 МэВ, 5С+,Не+ 4,97 МэВ. Глава 10. Нуклеосннаез и Вселеннол 460 СХО-цикл ееи Бепочка реакций 1П !!епочка реакций 11 Цепочка реакций! Цепочка реакций 1 С+ р — Х+'у ф = 1,94 МэВ), Х вЂ” С+ е+ + и, (!7 = 1,20 МэВ, !ПАВ =!О мин), "С+ р "Х+7 (1;1 = 7,55 МэВ), ПХ+р-» О+ у (6) = 7,30МэВ), ' Π— 'Х+ е" + и, (Я = 1,73 МэВ, !П2 =!22 с), Х+р- С+ Не (1~=4,97 МзВ). Цепочка реакций П "Х+р = "О+ у (О = ! 2,13 МэВ), О+ р — р+ у (!'.1 = 0,60 МзВ), Е- О+е++и, (!)=1,74МзВ, !Па=64е), ' О+р- '"Х+ Не (Д=1,19 МэВ).
Цепочка реакций 1П "О+р ир+ у (Д = 6,38 МэВ), ' Р-» ' О+о +и, (Я=0,64 МэВ, 10! =1!О чин), О+р-» Х+ Не (Д= 3,97 МэВ). 4б1 в 7. Симягез ядер в звездах в результате (3+-распада (1цз = 10 мин) преврашается в изотоц 'зС. Затем в результате последовательного захвата двух протонов происходит образование ядер '~1Ч и и0. Радиоактивное ядро 'з0 в результате )з+-распада (1нз = 122 с) превращается в изотол 'за. завершается углеродный цикл реакцией захвата ядром 'зХ протона с образованием ядер 'зС и "Не.
Таким образом, в углеродном цикле ядра углерода играют роль катализаторов. Количество этих ядер в результате цепочки реакций не изменяется. Роль катализаторов в реакциях горения водорода наряду с углеродом выполняют также азот, кислород и неон. Все эти элементы содержатся в вешестве звезд второго поколения вместе с водородом и гелием и попадают туда после распада массивных звезд первого поколения, где они образуются в цепочке термоядерных реакций. Стабильная звезда на стадии горения водорода находится на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга — Рессела (рис. 1ОЗ), прелставляюшей собой зависимость светимости звезды от температуры ее поверхности.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
