Презентация на тему "Звёздный нуклеосинтез"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Звёздный нуклеосинтез

  Р.А. Уперчук

• 
  Слайд 2

  Вместо предисловия

  В стандартных школьных учебниках термоядерным реакциям отводится довольно мало информации, хотя они заслуживают, по меньшей мере, более детального раскрытия. Как минимум, всё вещество, из которого состоит мироздание, образовалось в результате термоядерных реакций, протекавших миллиарды лет назад в недрах звёзд. Помимо этого, термоядерная энергетика в настоящее время видится как потенциальная возможность преодоления мирового энергетического кризиса. В данном материале мы рассмотрим понятия, связанные с тематикой термоядерных реакций, разберём, как во «внутренностях» звёзд рождается вещество, а также ответим на каверзные и неоднозначные вопросы. Обратите внимание, что термоядерные реакции будут раскрываться исключительно в контексте астрономии, то есть, схем термоядерных реакторов вы здесь не найдёте. Приятного прочтения!

• 
  Слайд 3

  Термоядерные реакции. Основные понятия

  Термоядерная реакция – разновидность ядерной реакции, при которой атомные ядра объединяются (термоядерный синтез) за счёт больших значений собственной кинетической энергии. Ядерная реакция – реакция, сопровождающаяся изменением состава атомных ядер реагентов и образованием веществ с новым строением ядра. Химическая реакция – реакция образования новых веществ в ходе взаимодействия реагентов, без изменения состава атомных ядер. Чем принципиально отличаются ядерные и химические реакции? При химической реакции изменяются только МОЛЕКУЛЫ, а САМИ АТОМЫ химических элементов остаются теми же как у продуктов, так и у реагентов. В ядерных же реакциях образуются совершенно ДРУГИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Термоядерные реакции – сущность звёздного нуклеосинтеза.

• 
  Слайд 4
  

  Почему термоядерные реакции не могут протекать в «традиционных» условиях, искусственно создаваемых в промышленных ядерных реакторах? Дело в том, что для таких реакций необходимо выделение огромного количества тепловой энергии (согласно молекулярно-кинетической теории, тепловая энергия есть средняя кинетическая энергия атомов, которая необходима для преодоления кулоновских сил электростатического отталкивания между ядрами атомов, вследствие чего закон сохранения энергии выполняется). ВЕЩЕСТВО РАСПАДАЕТСЯ? Это ядерная реакция. ВЕЩЕСТВО СИНТЕЗИРУЕТСЯ? Это термоядерная реакция. Советуем прочитать: Балабанов, Е.М. Термоядерные реакции. На следующем слайде будет показано внутреннее строение красного гиганта. Обратите внимание, что звёзды на разных стадиях своей жизни и в зависимости от исходных условий звёздообразования имеют различное внутреннее строение, и, естественно, термоядерные реакции, протекающие в недрах разных звёзд, оказываются различными. Подробнее о том, как выглядят звёзды разных классов изнутри, можно прочитать в моём пособии «Звёздная астрономия».

• 
  Слайд 5
  
• 
  Слайд 6

  Механизм термоядерных реакций

  Как уже было сказано, вещества, чтобы вступить в термоядерную реакцию, должны быть разогреты до высокой температуры, чтобы ядра их атомов смогли сблизиться друг с другом на расстояние, находящееся в диапазоне сильного взаимодействия. Для каждой реакции существует свой энергетический порог, необходимую температуру же можно рассчитать приближённо по школьным формулам. При этом стоит принять во внимание, что в реальных условиях температура, до которой необходимо разогреть вещества, оказывается меньшей, и этому явлению есть две причины: 1) Туннельный эффект, в результате которого ядра могут туннелировать сквозь потенциальный барьер. 2) Распределение Максвелла атомных ядер по энергиям и скоростям, согласно которому, при любом термодинамическом состоянии есть отдельное количество частиц, чья температура превышает среднюю. Именно они и вступают в термоядерную реакцию. Один из сценариев звёздной эволюции

• 
  Слайд 7

  Как образовались химические элементы

  Продукты реакций звёздного нуклеосинтеза попадают в космическое пространство двумя путями: либо звёздным ветром, или космическим излучением, или в результате взрыва звёзд. Как видно из данной схемы, изначально, в ходе Большого Взрыва, образовалось некоторое количество водорода, которые в ходе реакций первичного нуклеосинтеза дали атомы гелия, а затем, в зоне дальнейших реакций, произошло образование лития.

• 
  Слайд 8

  Протон-протонный цикл

  Протон-протонный цикл – цикл термоядерных реакций, протекающий в недрах звёзд главной последовательности. На приведённой схеме показаны цепочки с различными промежуточными продуктами, которые могут протекать в зависимости от сочетания внешних условий. Обратите внимание, как называются реакции. Например, pp – это слияние двух протонов в левой части соответствующего уравнения. Основная суть цикла – превращение водорода в гелий-4. Обратите внимание на hep-реакцию. Она представляет собой пример реакции, протекающей за счёт слабого взаимодействия (как известно, для него имеется довольно мало визуальных примеров).

• 
  Слайд 9

  Ядерное горение дейтерия

  В ходе реакций ядерного горения дейтерия образуется гелий, однако не гелий-4, а гелий-3. Они могут протекать либо в ходе протон-протонного цикла, либо самостоятельно. Дейтерий аккрецирует на протозвезду из околозвёздного пространства, а в ядро попадает из-за того, что протозвезды конвективны до определённого момента времени. Когда конвекция прекращается, заканчивается и горение дейтерия, ядро звезды сжимается и нагревается, пока в нём не загорится водород. Стадия горения дейтерия длится всего несколько миллионов лет. Дейтерий может гореть, помимо протозвёзд, на протопланетах. Горение дейтерия – одна из основных реакций, протекающих в недрах коричневых карликов.

• 
  Слайд 10

  CNO-цикл (цикл Бете)

  CNO-цикл – цикл термоядерных реакций, при которых углерод, азот и кислород играют роль катализаторов. Такие реакции протекают в массивных звёздах главной последовательности. Данный цикл довольно сложен в описании, поэтому приведём цепочки реакций по отдельности. CN-цикл (NOI-цикл) Основной путь NOII-цикл OF-цикл Бывает, что последовательность приведённых реакций может нарушаться при взрывном горении водорода (вспышки сверхновой и др.). Тогда CNO-цикл превращается в горячий CNO-цикл.

• 
  Слайд 11

  Ядерное горение лития

  В ходе данной реакции литий превращается в гелий-4. Она протекает в субзвёздных объектах (например, в недрах коричневых карликов). В астрофизике существует понятие «литиевого теста», когда по содержанию литиевых линий в спектре определяют, относится ли рассматриваемый объект к малым звёздам или же его следует отнести к коричневым карликам.

• 
  Слайд 12

  Тройная гелиевая реакция

  В ходе данной цепочки реакций из трех ядер гелия-4 образуется ядро углерода-12. Обычно гелиевые реакции начинаются по мере накопления в центральной части звезды ядер гелия, вследствие чего происходит нагрев звезды и переход ее в область гигантов. Общая схема реакции, без промежуточных процессов

• 
  Слайд 13

  Ядерное горение углерода

  Эта цепочка термоядерных реакций имеет место в недрах звёзд с массой >8-25 солнечных масс. Ядерное горение кислорода Ядерное горение кремния Ядерное горение неона Эта цепочка термоядерных реакций имеет место в недрах любых звёзд с массой больше солнечной. Эта цепочка термоядерных реакций имеет место в недрах звёзд с массой >5-6 солнечных масс. Эта цепочка термоядерных реакций имеет место в недрах звёзд с массой >8-11 солнечных масс.

• 
  Слайд 14

  А дальше? Альфа-распад…

  Мы рассмотрели все основные термоядерные реакции, входящие в совокупность реакций звёздного нуклеосинтеза. Строго говоря, нуклеосинтез происходит не только в ходе исключительно термоядерных реакций. Так, многие элементы были образованы в ходе цепочек альфа-распада: Схема альфа-распада

• 
  Слайд 15

  Нейтронный захват

  Сущность реакций нейтронного захвата проста и ясна из названия: атомное ядро захватывает нейтрон, в результате чего образуется более тяжелое ядро. Нейтронный захват может происходить как ядерная реакция, как упругое или неупругое столкновение, однако мы ограничимся лишь первой схемой, так как она имеет место в звёздном нуклеосинтезе и ответственна за синтез элементов с порядковым номером выше железа. Существует два основных типа нейтронного захвата, отличающихся соотношением скорости захвата нейтронов и скорости бета-распада: r-процесс (rapid – быстрый) и s-процесс (slow – медленный). При r-процесса скорость захвата нейтронов выше, чем скорость бета-распада. При s-процессе все с точностью наоборот.

• 
  Слайд 16

  S-процесс

  S-процесс происходит в оболочках красных гигантов.

• 
  Слайд 17

  R-процесс

  Быстрый, или r-процесс захвата нейтронов ответственен за образование изотопов таких элементов, как германий, молибден, цирконий, платина, ксенон и др. Одно из мест, где протекает r-процесс – нейтронные звёзды.

• 
  Слайд 18

  Протонный захват

  Захватывать можно не только нейтроны, но и протоны. Есть также два вида захвата протонов: p-процесс (обыкновенный) и rp-процесс (захват быстрых протонов).

• 
  Слайд 19

  Нейтронизация

  Нейтронизация – захват тяжёлыми элементами электронов на поздних стадиях звёздной эволюции. Этот процесс лежит в основе образования нейтронных звёзд.

• 
  Слайд 20
  

  Вместо заключения хотелось бы отметить, что не стоит воспринимать все приведённые в данном материале механизмы исключительно строго. Так, несмотря на то, что в звёздах-гигантах происходят гелиевые реакции или горение более тяжелых элементов, протон-протонный цикл и CNO-цикл также имеют место, так как вероятность наличия водорода или катализаторов в достаточном для реакции количестве не равна нулю. Стоит учитывать и термо-барический градиент в недрах звёзд, приводящий к тому, что в разных частях одной и той же оболочки звезды развивается различная температура и давление, а также концентрации реагентов. Теория звёздного нуклеосинтеза не является законченной, с каждый годом проводятся новые и новые исследования и делаются открытия, которые вносят правки в актуальную картину мира. Советуем читать и перечитывать различные источники, чтобы быть в курсе научных событий. И особенно хочется посоветовать изучать английский язык, если вы ещё не начали это делать, так как в русскоязычном Интернете и библиографии имеется заметный недостаток качественных источников по астрофизике и термоядерной энергетике, что отчётливо ощущалось во время создания данного пособия. Спасибо за внимание!