ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 3897
Скачиваний: 7
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.
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,
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):
3
4
Не →
12
С
+ γ.
Ядра элементов, захватывая α-частицы, создавали новые химические эле-
менты (С-, О-процессы) до железа включительно:
12
С +
4
Не →
16
О,
16
О +
4
Не →
20
Ne,
20
Ne +
4
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-
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
Nе
. 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
C
– He, H
N
– H
O
– He, H
F
– N
15
Ne
– О, He, N
Na, Mg, Al
– C
Si
– O, Si
P
– 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