Реферат: Звездный нуклеосинтез – источник происхождения химических элементов

Киевский национальний университет

им.Т.Г.Шевченко

философскийфакультет

заочноеотделение

ЗВЕЗДНЫЙНУКЛЕОСИНТЕЗ – ИСТОЧНИК ПРОИСХОЖДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

первыйкурс, направление: философия

дисциплина:физика

студент: А.В. Фойгт

преподаватель: С.Г.Остапченко

Киев

2003

ПЛАН:

Введение. Синтез ядер от углерода до группы железаОбразование тяжелых и сверхтяжелых элементовПроисхождение легких элементов

1

Приразработке теории Большого Взрыва и природы источника энергии Солнца в конце30-х гг. ХХ века Х.Бете и К.Вейцзекер пришли к выводу, что генерированиеэнергии звезд, в т.ч. и Солнца, связано с образованием ядер гелия.

Всоответствии с доработанной Г.Гамовым теорией Большого Взрыва Вселенной,последняя прошла т. наз. эру нуклеосинтеза – время образования протонов инейтронов, вслед за ними – изотопов водорода, гелия и лития. Однако идея образованиявсех атомов на ранней стадии расширения Вселенной путем присоединения нейтронови последующим отрицательным бэта-распадом потерпела неудачу в связи с тем, чтов природе отсутствуют ядра с массовыми числами 5 и 8.

Э.Салпетербыл первым, кто установил, что наряду с горением водорода в недрах звездвозможно также и горение гелия с образованием углерода. Это и послужило основойдля современных теорий ядерного синтеза.

Согласносовременным научным представлениям, все химические элементы образовываются врезультате внутризвездных процессов, и это влияет на эволюцию звезд в целом

Наоснове данных о химических элементах в природе, ученые пришли к выводу, чтонаиболее вероятным источником образования большинства ядер являютсяпоследовательности ядерных процессов, протекающих в недрах звезд.

Химическийсостав Земли, Луны и метеоритов можно установить непосредственно, однако составпланет Солнечной системы менее известен, сведения о нем основываются навеличине средней плотности вещества планет. При исследовании состава солнца,звезд и межзвездных газовых туманностей используется спектральный анализ, но ондает информацию только об атмосфере той или иной звезды. К примеру, в атмосфереСолнца зафиксированы около 70 элементов, тем не менее, некоторые элементы непредставляется возможным обнаружить ни в атмосфере Солнца, ни в атмосферезвезд. В результате было сделано заключение, что в хорошем приближениисодержание элементов в атмосфере звезд согласуется с их содержанием для Земли иметеоритов.

В1956 году Г.Зюссом и Г.Юри на основе химического состава Земли, метеоритов иСолнца была составлена таблица распространенности элементов. Она примечательнатем, что демонстрирует немалое превосходство по рапространенности средиэлементов с массовым числом 40-60 группы железа.

2

Образованиеядер химических элементов от углерода до группы железа происходит в результатегелиевого, углеродного, кислородного, неонового и кремниевого горения в недрахзвезд. Примечательно, что в лабораторных условиях энергии сталкивающихся частицнамного превышают аналогичные в недрах звезд, поэтому полученные эффективныесигма-сечения не могут быть приняты для астрофизических реакций.

Врезультате горения гелиевого ядра звезды температура ее поверхности может дажеснизиться, и после изменения физических свойств звезда превращается в красныйгигант. В момент, когда температура в ядре звезды достигает 1.5 х 108К, а плотность – 5 х 104 г/см3, начинается так. наз.тройная реакция: из трех атомов гелия образуется атом углерода. Наряду срассмотренной возможна реакция с образованием кислорода из углерода и гелия свыделением гамма-частиц. Образующиеся ядра кислорода реагируют с гелием, и врезультате формируется

неон.Из неона – марганец. Процесс горения гелия сопровождается другими реакциями с образованиемразличных нуклидов.

Врезультате гравитационного сжатия ядра звезды начинается слияние ядер углеродас образованием ядер неона, натрия и магния. Одновременно образуются аллюминий,кремний и некоторые соседние нуклиды.

Углеродможет загораться и поддерживать горение лишь в массивных звездах. В звездахвсего лишь в несколько раз превышающих по массе Солнце углеродное ядро может ине образовываться.

Горениенеона характеризуется короткой стадией и заключается в фотодиссоциации. Следомза неоном происходит многоканальное горение кислорода, затем по мере ростатемпературы и плотности следует горение кремния – конечная стадия термоядерногосинтеза нуклидов в массивных звездах, на которой образуются ядра группы железа,обладающие максимальной удельной энергией связи. Звезда с железным ядромнаходится в стадии предсверхновой, которая предшествует взрыву вследствиенарушения равновесия.

3

Образованиеатомных ядер, расположенных в таблице за группой железа, обеспечивается другимимеханизмами. Такие нуклиды образовываются в результате s-,r-и p-процессов.s-процесспредставляет собой медленный захват нейтронов, при котором образующиесянеустойчивые ядра распадаются прежде, чем успеют присоединить следующийнейтрон. s-процессидет в недрах звезд при их нормальной стадии эволюции.

Тяжелыеи сверхтяжелые элементы таблицы Менделеева, стоящие за Bi, образуются вследствиеr-процесса.В этом процессе ядро должно захватить много нейтронов, прежде чем произойдетего отрицательный бэта-распад. Возможными астрофизическими условиями протеканияr-процессасчитаются механизмы, являющиеся следствием взрывов сверхновых, так как реакциибыстрого захвата нейтронов в стационарных звездах невозможны. Окончание r-процессапрерывается спонтанным делением сверхтяжелых ядер. Быстрый захват нейтронов былчастично реализован в искусственных условиях при взрывах ядерных бомб,начиненных ураном-238.

p-процесс представляетсобой образование редких, богатых протонами ядер путем захвата протонов илипозитронов, так как ни одним процессом нейтронного захвата эти ядра не могутбыть созданы. Однако физические модели условий протекания p-процессав звездах остаются пока в большей степени неоднозначными по сравнению спроцессами захвата электронов.

4

Легкиенуклиды лития, берилла и бора характеризуются более низкой распространенностьюи стабильностью по отношению к гелию, углероду, азоту и кислороду и не могутобразовываться в процессе обычного нуклеосинтеза в недрах звезд, т.к. они легкоразрушаются.

Насегодняшний день ученые придерживаются гипотезы скалывания – образования ядерлегких элементов путем реакции деления ядер углерода, азота и кислорода пристолкновении с ядрами водорода и гелия либо в космических лучах, либокосмических лучей с атомами межзвездных газовых облаков. Космические лучи – этопоток заряженных частиц, включая ядра атомов, которые заполняют пространствоГалактики. Их источником считаются взрывы сверхновых звезд. Содержание лития,берилла и бора в космических лучах на пять порядков больше, чем в звездах. Этоуказывает на то, что реакции скалывания имеют место в космических лучах.

Вкосмических лучах бора больше, чем лития и берилла, а в Галактике – литиябольше чем берилла и бора.

Образованиехимических элементов, за исключением водорода и гелия, из которых сформироваласьСолнечная система, произошло в звездах предшествующего Солнцу поколения. Естьоснования полагать, что Солнечная система образовалась из газопылевого облака – остатка сверхновых,которые прошли все этапы звездного нуклеосинтеза и взорвались.