1 Солнце и солнечная активность С. А. Красоткин 1, Э. В. Кононович 2



страница5/18
Дата22.06.2019
Размер1.08 Mb.
ТипГлава
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18

3.2 Термоядерные реакции


Из табл. 3.1.1 видно, что вблизи центра Солнца температура превышает десять миллионов кельвинов, а давление достигает сотен миллиардов атмосфер (1 атм = 1.013·105 Па). При таких температурах атомы движутся с огромными скоростями, достигающими, например для протонов, сотен километров в секунду. Поскольку плотность вещества очень велика, весьма часто происходят взаимодействия частиц с фотонами и между собою. В результате этих процессов внешние электронные оболочки атомов полностью разрушаются, от атомов остаются лишь "голые" атомные ядра. Иными словами, все атомы находятся в состоянии высокой степени ионизации. Это означает, что размеры частиц уменьшаются от обычных (порядка 10-10 м) до ядерных (порядка 10-15 м). Поэтому сильно ионизованный газ остается идеальным газом даже при очень высоких плотностях порядка 1.5∙105 кг/м3. Вследствие частых и сильных столкновений и сближений между частицами "горячей" и плотной плазмы, в ней возрастает вероятность взаимодействия между элементарными частицами и атомными ядрами и происходят ядерные реакции. При обычных столкновениях сближению одинаково заряженных частиц препятствует электростатическое отталкивание (кулоновский барьер). Именно для его преодоления частицы должны иметь огромные энергии, т.е. температура плазмы должна быть очень высокой. Возникающие при этом ядерные реакции называют термоядерными. Взаимные столкновения протонов обладают наименьшим кулоновским барьером. Поэтому в первую очередь в недрах звезд возникают реакции синтеза легких ядер, а эволюция звезд начинается с выгорания водорода и других наиболее легких химических элементов. Этому способствует уникальная возможность проникновения менее энергичных протонов за кулоновский барьер за счет туннельного эффекта. Это явление имеет квантово-механическую природу и следует из соотношения неопределенности Гейзенберга: фиксирование малого расстояния (при сближении частиц) делает неопределенным значение импульса. В итоге вероятность распада одного из двух протонов в момент их тесного столкновения оказывается хотя и малой, но конечной: в недрах Солнца каждый протон ежесекундно испытывает миллионы столкновений, но только одно из 1037 заканчивается его распадом и объединением с другим протоном. Однако, благодаря огромному общему числу протонов, "выгорание" водорода оказывается длительно эффективным. Во время ядерных реакций синтеза выделяются огромные энергии (несколько МэВ в расчете на один нуклон), что значительно превосходит энерговыделение, обусловленное другими известными механизмами (например, химическим горением). При этом масса образующихся ядер не равна сумме масс входящих в них нуклонов, но несколько меньше нее на величину, называемую дефектом массы. Это объясняется наличием сильной связи между нуклонами в ядре, так что для их освобождения необходимо затратить энергию, равную энергии связи ядра. Поэтому при синтезе ядер из свободных нуклонов выделяется энергия, равная энергии связи Е. Ее величина связана с дефектом массы m соотношением Эйнштейна E=m c2.

Основным источником энергии в недрах Солнца является водородный цикл, или протон-протонная цепочка термоядерных реакций, приводящая к превращению водорода в гелий. В большинстве случаев (около 70 %) она состоит из следующих трех реакций:

1. 1H + 1H → 2D + e+ ν + 1.442 МэВ (14·109 лет)

2. 2D + 1H → 3He + γ + 5.494 МэВ (6 с)

3. 3He + 3He → 4He + 1H + 1H + 12.86 МэВ (106 лет)

В ядерной астрофизике часто пользуются краткой записью реакций с использованием скобок, перед которыми стоит символ исходного химического элемента, после – результирующего, а внутри скобок записывают разделенные запятой частицы на входе и на выходе реакции. В такой записи только что записанное превращение 41H в 4He примет вид: 1H(p, e+ ν)2D(p,γ)3He(3He,2p)4He.

Первая из этих реакций начинается с позитронного (β+) распада протона. Как известно, в свободном состоянии протон необычайно устойчив. Распад может произойти в краткий миг исключительно тесного сближения (столкновения) двух протонов. Тогда возможно превращение одного из протонов в нейтрон (с испусканием позитрона и нейтрино) и его объединение с другим протоном в ядро тяжелого водорода (дейтерия) 2D – дейтрон. Позитрон немедленно аннигилирует с первым встречным электроном, испуская пару гамма-квантов. Нейтрино же, обладая практически нулевым эффективным сечением, проходит через все Солнце и покидает его.

Для каждой пары протонов первый этап осуществляется за 14 млрд. лет, что и определяет медленность термоядерных реакций на Солнце и время его эволюции. Дальнейшие ядерные превращения происходят значительно быстрее. Во второй реакции дейтроны, возникшие в результате первой реакции, за считанные секунды захватывают новые протоны, испуская γ-кванты и образуя ядра изотопа 3He, которые, благодаря третьей реакции, в течение времени порядка миллиона лет могут слиться и, высвободив два протона, образовать ядро обычного гелия 4He, т.е. α-частицу. Легко видеть, что для полного завершения описанного варианта pp-цепочки первые две реакции должны произойти дважды. С учетом этого можно подсчитать, что слияние четырех протонов в одну α-частицу сопровождается выделением энергии 26.732 МэВ, из которой около 0.5 МэВ уносится двумя нейтрино, свободно покидающими Солнце, а остальная часть переходит в тепловую энергию газа. Источником энергии является энергия связи ядра 4He, соответствующая дефекту массы, равному 0.73 % массы четырех свободных протонов. На Солнце в последней реакции pp-цепочки ядра изотопа 3He могут взаимодействовать не только сами с собою, но и с α-частицами, образуя изотоп бериллия 7Be. После этого возможны еще два варианта: либо захват электрона (примерно в 30% случаев) 3He(α,γ)7Be(e-,ν)7Li(p,α)4He, либо захват протона (менее чем в 0.1% случаев) 7Be(p,γ)8B(e+ ν)8Be*(α)4He.

В этих уравнениях 8Be* означает возбужденное состояние изотопа бериллия 8Be. В итоге имеется три ветви цепочки pp-реакций, каждая из которых дает примерно одинаковый выход энергии и сопровождается образованием двух нейтрино, одинаковых в первом (основном) варианте и различных в двух остальных. При этом, хотя варианты 2 и особенно 3 мало влияют на общую светимость Солнца, их роль чрезвычайно велика, если учесть, что они производят легче обнаружимые высокоэнергичные нейтрино с энергиями превышающими 1 МэВ. На рис. 3.2.1 изображены энергетические спектры нейтрино от соответствующих реакций вместе с порогами различных детекторов.


Рисунок 3.2.1. Теоретический спектр солнечных нейтрино и возможности их регистрации различными детекторами

Имеется еще одна цепочка реакций, также приводящих к слиянию четырех протонов в α-частицу:



12C (p,γ) 13N(e+,ν)13C(p,γ)14N(p,γ)15O(e+,ν)15N(p,12C)4He.

Этот процесс сложнее и может протекать только при наличии углерода 12C, ядра которого вступают в реакцию с протонами на первых ее этапах, затем преобразуются последовательно в ядра азота и кислорода, а на последнем этапе возникают α-частица и снова исходный атом углерода, который тем самым фактически в реакции как бы не участвует и оказывается катализатором. Поэтому и вся цепочка носит название углеродного цикла или CNO цикла. В энергетике Солнца углеродный цикл не играет существенной роли. Только в самом центре Солнца его роль в энерговыделении может достигать 30%, а по всему энерговыделяющему ядру она порядка 1 – 2 %. Однако для нормальных звезд с массой больше 1.2 солнечной CNO цикл является основным источником термоядерной энергии.



Каталог: model
model -> Общие положения 1Назначение Модели угроз 8
model -> Проект ниох со ран «Фундаментальные основы создания органических и гибридных наноструктурированных материалов для фотоники, сенсорики, электроники»
model -> Изложение двигатель, коробка передач и полный привод Ходовая часть нового Porsche Cayenne 14
model -> Материалы и инструменты
model -> Деятельности музея муниципального образования ульяновской области
model -> Масштабные изменения в структуре нашего общества привели к увеличению количества проблем воспитания детей во многих семьях, вследствие чего возникает острая необходимость в пересмотре системы воспитания детей в целом, а именно


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   18


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница