Тайны атомных ядер 2017

Транскрипт

1 Тайны атомных ядер 2017

2 ЗВЕЗДНЫЙ НУКЛЕОСИНТЕЗ Синтез ядер легче группы железа

3 Возраст t 0 Характеристики Вселенной Радиус наблюдаемой части Вселенной (горизонт видимости) R 0 сt 0 13,7 млрд. лет см Полное количество вещества и энергии г Средняя плотность вещества и энергии г/см 3 Полное барионное число (число нуклонов) Доля антивещества < 10-4 Постоянная Хаббла H 714 км/смпк Температура реликтового (фонового) излучения 2.73 K Плотность реликтовых фотонов 411 см -3 Энергетическая плотность реликтовых фотонов 0.26 эв/см 3 = г/см 3 Отношение числа реликтовых фотонов к числу барионов n γ /n б ( ):1 Распространённость ядер: водород гелий остальные ядра по числу 91% 8.9% <0.2% по массе 70.7% 27.4% 1.9%

4 Распространенность нуклидов во Вселенной Распространенность Si принята равной 10 6.

5 t 0 Большой взрыв. Рождение Вселенной t 3 (г/см ) t (с) 5, T (К) t(с) с Эра квантовой гравитации. Струны г/см, T 10 К Эволюция Вселенной t с Кварк-глюонная среда г/см, T К t 1 мкс Кварки объединяются в нейтроны и протоны г/см, 12 T 6 10 К t 100 с Образование дозвездного 4 He 3 50 г/см, 9 T 10 К t 380 тыс. лет Образование нейтральных атомов ,5 10 г/см, T К

6 Гравитационная энергия типичных астрономических объектов Астрономический объект Гравитационная энергия, эрг Луна Земля Солнце Белый карлик Нейтронная звезда Наша Галактика

7 Гравитационная энергия 2 3 GM Eгравит 5 R Звезда медленно сжимается и излучает энергию во внешнее пространство. Если светимость звезды L, то за счет гравитационного сжатия звезда может излучать в течение времени 2 3 GM Tгравит 5 RL Для Солнца можно рассчитать энергию Eгравит, которую оно излучило, сжимаясь до настоящего состояния (R = см, M = г): 2 3 GM 48 ( Eгравит ) эрг 5 R В настоящее время светимость Солнца L ~ эрг/с. Считая её постоянной, можно оценить время излучения Солнца за счет гравитационного сжатия: ( Tгравит ) 17 млн. лет Это означает, что если бы высвобождающаяся за счет гравитационного сжатия энергия была единственным источником энергии Солнца, то время его существования исчислялось бы десятками млн лет. Однако это противоречит данным геологии. Палеонтологические данные указывают на наличие на Земле примитивных форм жизни по крайней мере 3 млрд лет назад. Следовательно, должен существовать другой механизм выделения энергии в звездах. Таким механизмом является синтез легких ядер.

8 Дозвездный нуклеосинтез Протоны и нейтроны ранней Вселенной явились тем материалом, из которого в дальнейшем возникли атомные ядра различных химических элементов. T K : p + e n + e, n + e + p + e p + e n + e +, n p + e + e, E/ kt W Ae. В условиях термодинамического равновесия соотношение между числом нейтронов и протонов будет определяться разностью масс нейтрона и протона: n n n p e E E n 2 1 ( mnmp) c / kt e e p kt kt 6

9 Образование дейтерия Стартовой реакцией первичного нуклеосинтеза является реакция образования дейтерия p n 2 1 H 2.22 МэВ. Накоплению дейтерия за счёт этой реакции на первых порах препятствует интенсивное разрушение дейтерия фотонами в обратном процессе фотодиссоциации. Отношение числа фотонов n к числу барионов n б : 9 10 n / n б. Поэтому начало синтеза дейтерия и всей цепочки первичного нуклеосинтеза задерживается примерно до 100-й секунды после Большого Взрыва, когда средняя кинетическая энергия частиц уменьшается до 0.1 МэВ. Вселенная к этому времени остывает до 10 9 К.

10 Образование легчайших ядер 2 2 H 1 1 p n 2 1 H 2.22 МэВ, H H He p n 4.03 МэВ, 3.27 МэВ, 2 1 H 3 1 H 4 2 He n МэВ, 2 1 H 3 2 He 4 2 He p МэВ.

11 Первичный нуклеосинтез Модель Гамова Все химические элементы образуются в момент Большого взрыва. 2 p p 2 He 2 He H pp pn 4 5 He p Li 4 He 4 He 8 Be 8 T1/2 ( Be) 0,7 10 Г. Гамов ( ) 16 c

12 Звезды

13 Пределы изменения характеристик различных звезд M M M L L 1 0 L R R 1 0 R К T 1 0 К

14 Время достижения главной последовательности и время жизни на главной последовательности звезд различной массы

15 Рождение звезд

16 Звезды первого поколения

17 Горение дейтерия Когда масса вещества звезды в результате аккреции достигает 0.1 массы Солнца, температура в центре звезды возрастает до 1 млн. К и в жизни протозвезды начинается новый этап реакции термоядерного синтеза. Однако эти термоядерные реакции отличаются от реакций, протекающих в звёздах, находящихся в стационарном состоянии, типа Солнца. Протекающая на Солнце реакция синтеза p p 2 H e + e 0,42 МэВ, требует более высокой температуры ( 10 млн. К). Температура же в центре протозвезды составляет всего 1 млн. К. При такой температуре эффективно протекает реакция слияния ядра дейтерия 2 H 2 H 3 He n 3.27 МэВ. Дейтерий, как и 4 Не, образуется на дозвёздной стадии эволюции Вселенной и его содержание в протозвезде от содержания протонов. Однако этого количества дейтерия достаточно для появления в центре протозвезды эффективного источника энергии.

18 Горение водорода

19 Горение водорода слабое взаимодействие p p d e (0,42 МэВ)

20 Горение водорода p p d e 9 5,810 лет (0,42 МэВ) 3 8 He 3,210 лет (5,49 МэВ) d p He He He 2 p (12,86 МэВ) ,510 лет

21 p + p лет d + e + + (0.42 МэВ) p + p + e d + p лет лет 3 He + (5.49 МэВ) d + (1.44 МэВ) Горение водорода 69% 3 He + 3 He 4 He + 2p (12.86 МэВ) лет (Q = 24.7 МэВ) ppi 31% 3 He + 4 He лет 7 Be + (1.59 МэВ) 7 Be + e 7 Li+ p 99.7% 0.2 года 7 Li + + (0.86 МэВ) лет 4 He + 4 He (17.35 МэВ) (Q = 25.7 МэВ) ppii 0.3% p p d e 9 (0,42 МэВ) 5,810 лет 3 8 He (5,49 МэВ) 3,210 лет d p He He He 2 p (12,86 МэВ) ,510 лет 7 Be+ p 71 год 8 B + (0.14 МэВ) 8 B лет 8 Be* + e + + (14.06 МэВ) 8 Be* лет (Q = 24.7 МэВ) ppiii 4 He + 4 He (3.0 МэВ)

22 Диаграмма Герцшпрунга-Рассела диаграмма эволюции звезд

23 Горение гелия и более тяжелых ядер

24 Горение гелия По мере того, как в центральной части звезды сгорает водород, его запасы там истощаются, и накапливается гелий. В центре звезды формируется гелиевое ядро. После того, как водород в центре звезды выгорит, выделение энергии за счёт термоядерной реакции горения водорода прекращается. Тепловое давление, препятствующее гравитационному сжатию, ослабевает, и гелиевое ядро начинает сжиматься. Сжимаясь, ядро звезды нагревается, и температура в центре звезды продолжает расти. Кинетическая энергия сталкивающихся ядер гелия увеличивается и достигает в массивной звезде величины, достаточной для преодоления сил кулоновского отталкивания ядер гелия. Особенностью горения гелия является то, что реакция 4 He 4 He 8 Be приводит к образованию нестабильного ядра 8 Be, время жизни которого около с. Однако из-за высокой плотности ядер 4 He оказывается, что прежде, чем ядро 8 Be снова распадается на две -частицы, оно успевает провзаимодействовать ещё с одним ядром 4 He. В результате образуется стабильное ядро 12 С.

25 Эволюция звезды массы 5M

26 α-процесс в звездах 4 He + 4 He 8 Be + 4 He 12 C* 12 C + 12 C + 4 He 16 O МэВ, 16 O + 4 He 20 Ne МэВ, 20 Ne + 4 He 24 Mg МэВ, 24 Mg + 4 He 28 Si МэВ, 28 Si + 4 He 32 S МэВ

27 Горение углерода, кислорода, кремния T = K = г/см 3 4 He 12 C 16 O 7.16 МэВ. Если звезда массивная ( 10M ), то в результате термоядерного горения в ней последовательно образуются всё более тяжелые ядра в результате последовательного захвата ядер гелия с образованием -кратных ядер 12 C 16 O 20 Ne 24 Mg 28 Si и реакции слияния углерода и кислорода 12 C 12 C, 16 O 16 O, 12 C 16 O Si Si Ni 10,9 МэВ - слишком большой кулоновский барьер

28 Химический состав звезды массы в начале горения углерода 5M Приведено количество C, He и H в долях общей массы во внутренних областях звезды

29 Зависимость плотности в центре звезды массы 25M от температуры в процессе её эволюции Указаны времена выгорания различных элементов и нейтринная светимость L звезды

30 Фотоядерные реакции в звездах Т ~ 10 9 К. Существенную роль начинают играть электромагнитные процессы реакции под действием -квантов и электронов. Наряду с ростом энергии фотонов с увеличением температуры (E γ Т) растёт их число (N γ T 4 ). Реакции фоторасщепления кремния: 28 24Mg 9.98 МэВ), 27 Si, 27 Al p Si n МэВ) МэВ). В результате появляется большое количество n, p и -частиц и их роль в горении кремния увеличивается. 28 Si и образующиеся продукты с большим Z, облучаясь в потоках n, p, и, в термодинамическом равновесии формируют большинство элементов в районе железного максимума.

31 Синтез элементов He Ge

32 Предел термоядерного синтеза удельная энергия связи атомных ядер

33 Содержание элементов в звезде массы 25M в зависимости от массы внутренней области

34 Звезды второго поколения CNO-цикл и солнечные нейтрино

35 Основные характеристики Солнца Масса M г Радиус R Светимость L Поток излучения с единицы поверхности см эрг/с ( МэВ/с) Вт/м 2 Средняя плотность вещества 1.4 г/см 3 Плотность в центре ~100 г/см 3 Температура поверхности Температура в центре Химический состав: водород гелий углерод, азот, кислород, неон и др. Возраст Ускорение свободного падения на поверхности Шварцшильдовский радиус - 2G M /c 2 (c - скорость света) Период вращения относительно неподвижных звезд Расстояние до центра Галактики Скорость вращения вокруг центра Галактики K K 74% 23% 3% лет см/с км 25.4 суток км 220 км/с

36 CNO - цикл

37 CNO - цикл

38 CNO - цикл Цепочка реакций I 12 C + p 13 N + (Q = 1.94 МэВ) 13 N 13 C + e + + e (Q = 1.20 МэВ, T 1/2 =10 мин) 13 C + p 14 N + (Q = 7.55 МэВ) 14 N + p 15 O + (Q = 7.30 МэВ) 15 O 15 N + e + + e (Q = 1.73 МэВ, T 1/2 =124 с) 15 N + p 12 C + 4 He (Q = 4.97 МэВ). Цепочка реакций II 15 N + p 16 O + (Q = МэВ), 16 O + p 17 F + (Q = 0.60 МэВ), 17 F 17 O + e + + e (Q = 1.74 МэВ, T 1/2 =66 c), 17 O + p 14 N + (Q = 1.19 МэВ). Цепочка реакций III 17 O + p 18 F + (Q = 6.38 МэВ), 18 F 18 O + e + + e (Q = 0.64 МэВ, T 1/2 =110 мин), 18 O + p 15 N + (Q = 3.97 МэВ).

39 PP и CNO-циклы 6 Температура в недрах Солнца ~13 10 К, поэтому оно светит в основном за счет энергии, выделяющейся в водородном цикле.

40 Источники солнечных нейтрино

41 Солнечные нейтрино Спектр нейтрино, образующихся на Солнце в результате горения водорода в реакции 4p α и в CNO-цикле.

42 Детектор Дэвиса Ar e e-захват Для регистрации солнечных нейтрино Дэвисом был сконструирован детектор, содержащий 615 тонн тетрахлорэтилена. T Cl Ar e e Cl 37 1/ 2 18 Ar Р. Дэвис дней e

43 Ядерные реакции синтеза в звёздах различной массы Масса, M Возможные ядерные реакции 0.08 Нет 0.3 Горение водорода 0.7 Горение водорода и гелия 5.0 Горение водорода, гелия, углерода 25.0 Все реакции синтеза с выделением энергии

44 Эволюция массивной звезды M > 25 M

45 Эволюция массивной звезды M > 25 M