ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 28.09.2020

Просмотров: 4361

Скачиваний: 7

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

 

11 

лет пока идет горение водорода. Это самая длительная стадия в эволюции звезды. 
Когда  запасы  водорода  истощаются,  образовавшийся  гелий  формирует  гелиевое 
ядро, которое нагревается сильнее водородного. Горение гелия приводит к обра-
зованию ядер углерода, который продолжает гореть при более высокой темпера-
туре. По мере горения элементов с большим порядковым номером температура и 
давление в центре звезды увеличивается с возрастающей скоростью. Но скорость 
горения  ядер  разных  элементов  различная:  при  массе  звезды,  равной  25  массам 
Солнца реакция горения водорода продолжается несколько миллионов лет, гелия 
в 10 раз быстрее, кислорода – примерно 6 месяцев, кремния – сутки. На заверша-
ющем этапе горения кремния образуются ядра железа. Это конечный этап термо-
ядерного синтеза (рис. 1). 

Масса звезды определяет величину гравитационных сил сжатия, что опреде-

ляет максимально достижимую температуру и плотность в центре звезды. Поэто-
му  полная  последовательность  ядерных  реакций  синтеза  возможна  лишь  в  мас-
сивных звездах (табл. 1). 

Таблица 1 

Теоретические расчеты возможных ядерных реакций в звездах различной 

массы 

 

Масса, М

1

 

Возможные ядерные реакции 

0,08 

нет 

0,3 

горение 

Н

 

0,7 

горение 

Н, Не

 

5,0 

горение 

Н, Не, С

 

25,0 

все реакции синтеза с выделением энергии 

1. М

 – масса Солнца. 

 

 

Рис. 1. Основные этапы эволюции массивной звезды (М > 25 М

)  

 
Запасов водорода на Солнце при современном темпе его горения могло бы 

хватить на 100 млрд. лет. Однако водород сгорает только в центре Солнца, а там 
его запасов на 5 млрд. лет, после чего оно превратится в красный гигант с возрас-
танием радиуса в 200 раз. Его внешняя оболочка приблизится к Земле. 


background image

 

12 

При взрыве сверхновой температура резко повышается и во внешних слоях 

звезды, где происходят ядерные реакции (взрывной нуклеосинтез). Образующиеся 
потоки нейтронов приводят к появлению химических элементов в области массо-
вых чисел А > 60. За последние 1000 лет в нашей Галактике было замечено три 
вспышки  сверхновых.  Химические  элементы  рассеиваются  в  окружающее  про-
странство. 

Самое грандиозное по мощности явление в природе – это слияние двойных 

нейтронных звезд (в диаметре несколько километров) с образованием огненного 
шара,  напоминающего  свечение  при  взрыве  атомной  бомбы,  и  испускающего 
гамма-всплески.  

Темп слияния нейтронных звезд на одну галактику –  один раз в 10000 лет. 

Всего во Вселенной 10 млрд. галактик, поэтому  каждую минуту сливается одна 
пара нейтронных звезд. Всплеск дают звезды с аномально великими магнитными 
полями. Для них характерно пульсарное излучение. 

 

1.2. Происхождение химических элементов 

Проблема  относительной  распространенности  химических  элементов  на 

Земле и во Вселенной волновала ученых еще до рождения ядерной физики. Все-
ленная состоит из единого материала, разложенного по ячейкам таблицы Менде-
леева: 76 (70) % 

Н,

 23 (28) 

Не

 и 1 (2) % приходится на долю более тяжелых эле-

ментов. 

Относительная  распространенность  тяжелых  элементов  качественно 

совпадает  для  всех  космических  объектов,  звезд,  метеоритов,  межзвездного 
пространства.

  

Во  Вселенной  преобладают 

легкие  элементы

.  Из 

средних  по  массе  элемен-

тов

 выделяется железо. Чаще других встречаются 

O, K, Pb

. Содержание элемен-

тов  в  природе  и  их  происхождение  связано  с 

законами,  управляющими  ядерным 

веществом.

  

Физики связывают эволюцию элементов с определенными реакциями, в ко-

торых из более простых ядер рождаются сложные. Э

волюция элементов

 – резуль-

тат  определенной  последовательности  ядерных  реакций,  протекающих  во  Все-
ленной,  где  есть  подходящие  условия.  Предложенные  гипотезы  образования  хи-
мических элементов можно разделить на две группы. 

Согласно  первой  группе  гипотез  все  химические  элементы  образовались  в 

течение нескольких минут из сверхплотной материи при расширении Вселенной 
путем ядерных реакций между элементарными частицами: протонами, нейтрона-
ми, электронами, позитронами, мезонами. 

По другой группе гипотез образование химических элементов происходило в 

массивных звездах, в которых высокие температура и давление создавали условия 
для ядерных реакций и превращения одних элементов в другие. Она в настоящее 
время  общепризнанна.  Исходным  материалом  для  построения  всех  элементов 
считается водород – господствующий элемент Вселенной. 

Для  рождения  атомных  ядер  необходим  исходный  материал  и  достаточное 

количество  энергии.  Гравитационные  силы,  сжимая  вещество,  могли  разогреть 
водородный  газ  до  необходимой  температуры  в  несколько  миллионов  градусов, 


background image

 

13 

который  в  ходе  ядерных  реакций  превращался  в  гелий.  Из  них  в  дальнейшем 
предстояло природе создать элементы периодической системы. 

После начала синтеза элементов его продолжили гравитационные и ядерные 

силы. В сердцевине звезды выгорает водород (N-процесс), падает давление, новое 
гравитационное  сжатие  поднимает  температуру  еще  выше  –  до  100  млн. 

о

С  (Н-

процесс). При такой температуре роль топлива продолжил вновь образованный из 
водорода гелий. Ядра гелия приобретали энергию, достаточную для преодоления 
более  высокого,  чем  у  протона  водорода,  электростатического  барьера  –  α-
частицы (Не-процесс): 

4

Не → 

12

 С

 + γ. 

Ядра  элементов,  захватывая  α-частицы,  создавали  новые  химические  эле-

менты (С-, О-процессы) до железа включительно: 

12 

С + 

Не → 

16 

О, 

16 

О + 

Не → 

20 

Ne, 

20 

Ne + 

He → 

24 

Mg

Процесс с участием α-частиц завершается, видимо, к концу активной жизни 

звезды. 

Дальше  начинали  действовать  накопившиеся  в  продуктах  горения  кремния  

нейтроны (n-процесс).  Сложные ядра оказались как бы погружены в «ванну» из 
этих частиц. 

Если звезда остается реакционно устойчивой, после завершения α-процесса 

она испытывает дальнейшее сжатие при котором возникают термоядерные реак-
ции  в  обстановке  статического  равновесия.  В  этих  условиях  образуются  ядра  с 
наиболее  устойчивой  связью  около  железа-56.  Процесс  образования  ядер  этой 
группы химических элементов назван е-процессом. 

 Захватывая нейтроны, атомные  ядра  начали  расти  по  массе,  образуя  новые 

средние и тяжелые элементы. Их синтез связан с реакциями нейтронного захвата 
при  еще  более  высоких  температурах  (n-,  s-,  r-процессы).  Процесс  нейтронного 
захвата (n) может происходить у ядер с массовыми числами от А= 20 до А= 56. 
При достаточном количестве в звездах элементов группы железа цепь нейтронно-
го захвата с последующим β-распадом может продлиться до тех пор, пока не воз-
никнут α-активные изотопы с массовым числом А > 209. 

В условиях звездных недр может протекать медленный s-процесс и быстрый 

r-процесс  захвата  нейтронов.  Последний  протекает  за  короткое  время  (секунды, 
минуты,  часы)  в  период  вспышки  сверхновой  звезды,  аналогично  взрыву  водо-
родной бомбы, с образованием элементов до 

254 

Cf.

 Допускается мощная концен-

трация нейтронов, возникающих в ходе термоядерной реакции. 

Самые  тяжелые  ядра,  как  предполагают  ученые,  возникают  при  вспышке 

сверхновой звезды, в которую превращается старая звезда, когда после выгора-
ния топлива внутри ее падает давление. 

Резкое гравитационное сжатие приводит 

к взрыву оболочки с захватом глубоких областей звезды. И долгие миллиарды лет 
копившиеся там сложные ядра – драгоценный продукт эволюции звезды, проно-
сясь сквозь  нейтроны, попадают в межзвездное пространство.  

Считается, что нейтроны во время вспышки сверхновой, подобно песку во 

время самума заполняющему любую трещину, быстро в большом количестве за-
бивают сложные ядра, переводя их в разряд самых тяжелых и неустойчивых. Мо-


background image

 

14 

жет  быть  они  как  кристаллы  в  перенасыщенном  растворе  «растут»  постепенно. 
По первому варианту предпочтение отдается образованию ядер платины, по вто-
рому – ядер свинца. Так действовали две модели нуклеосинтеза элементов. Неко-
торые  теоретики  допускают,  что  нейтронная  звезда  представляет  собой  остаток 
сверхновой  и  является  космической  фабрикой,  специализирующейся  на  произ-
водстве тяжелых элементов. 

Среди тяжелых химических элементов имеются изотопы относительно обо-

гащенные протонами, которые не могли образоваться под влиянием рассмотрен-
ных  выше  процессов.  Для  объяснения  их  образования  был  предложен  процесс 
протонного  захвата  (р-процесс).  Он  может  происходить  при взрыве сверхновых, 
которые сордержат много водорода. 

Есть предположения, что синтез химических элементов непрерывно идет во 

Вселенной. На Земле новые элементы, возможно, образуются в ее ядре.  
         В  итоге  можно  заключить,  что  в  синтезе  химических  элементов  участвуют 
следующие  космические    процессы,  которые  обозначаются  буквами  латинского 
алфавита:  

1.   N – горение водорода при высоких температурах. 
2.   Н     – сгорание водорода с образованием 

Не.

 

3.   Не – горение 

Не

 с образованием 

12

С, 

16

О, 

20

. Процессы с α-частицами, 

при которых образуются 

24

Mg, 

28

Si, 

32

S, 

36

Ar, 

40

Ca

,  в результате последова-

тельного захвата α-частиц ядрами 

16

O и 

20

Ne.

 

4.   С – взрывное горение углерода. 

         5.    О – взрывное горение кислорода. 

6.   Si – взрывное горение кремния.

 

7.   n – обогащение нейтронами продуктов горения кремния. 
8.    е-процесс  равновесный  –  статическое  равновесие  между  ядрами,  прото-
нами  и  нейтронами  при  высокой  температуре,  объясняющее  пик  распро-
страненности для 

Fe. 

9.  s-процесс  медленного  захвата  нейтронов  с  образованием  элементов  до 

209

Вi включительно. 

10.    r-процесс  быстрого  захвата  нейтронов  с  образованием  элементов  до 

254

Cf

.

 

11.  р-процесс, при котором образуются богатые протонами ядра. 
12.  х-процесс с образованием 

Li, Вe и В

 путем взаимодействия космических 

лучей с атомными ядрами межзвездной среды. 
13.  U-процесс космологического нуклеосинтеза до образования звезд. 
В  зарождении  конкретных  химических  элементов  участвовали  следующие 

космические процессы:  

 

H, He 

–  U 

Li 

–  x, H, U 

Be, В 

–  x 

–  He, H 

–  H 

–  He, H 

–  N 


background image

 

15 

 

 

 

 

 

Ne 

–  О, He, N 

Na, Mg, Al 

–  C 

Si 

–  O, Si 

–  O 

S, Cl, Ar, K 

–  O, Si 

Ca 

–  O, Si, s, N 

Sr 

–  Si, е 

Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 

–  е 

Ga, Ge 

–  е, s 

As, Br, Rb, Y, Nb, Zr, Rh 

–  s, r 

Th, U 

–  r 

Se, Kr, Sr, Mo, Ru, Pd, Cd, Zn, Sn, Sb, Te, I, 
Xe,  Cs,  Ba,  La  и  лантаноиды,  Hf,  Ta,  W, 
Os, Ir, Pt, Au, Hg, Te, Pb и Bi 
 

–  p, s, r