Лекция. Физические процессы внутри звёзд
Выделение термоядерной энергии происходит в центральной области Солнца (ядре), радиус которой около четверти радиуса всего Солнца. Дальше от центра выделение энергии за счет ядерных реакций быстро ослабевает и на расстоянии около 0,3 радиуса становится несущественным. На протяжении расстояний, примерно, от 0,3 до 0,7 радиуса Солнца находится лучистая зона, в которой энергия переносится лишь путем последовательных процессов поглощения квантов и последующего их переизлучения. При этом поглощаются чаще всего более энергичные кванты рентгеновских и ультрафиолетовых лучей, а вместо них чаще излучаются менее энергичные видимые и инфракрасные лучи. В результате общая энергия, переизлучаемая сферическими слоями, площадь которых увеличивается с удалением от центра Солнца, сохраняется, а их температура постепенно уменьшается. Последняя треть радиуса приходится на конвективную зону, в которой происходит перемешивание вещества (конвекция), и перенос энергии осуществляется движением самого вещества. Конвективная зона переходит в нижние слои солнечной атмосферы – фотосферу, где температура продолжает уменьшаться вплоть до минимального для всего Солнца значения около 4200К.
Термоядерные реакции в недрах Солнца.
Обычными методами нельзя непосредственно увидеть внутренние слои Солнца. Физические условия в них определяются на основании теоретических расчетов и проверяются, в частности, на основании изучения распространения акустических волн в недрах Солнца методами гелиосейсмологии, а также путем регистрации солнечных нейтрино, возникающих в результате ядерных реакций в центральных его слоях. Вблизи центра Солнца температура превышает десять миллионов кельвинов, а давление достигает сотен миллиардов атмосфер. При таких температурах атомы движутся с огромными скоростями, достигающими сотен километров в секунду. Поскольку плотность вещества очень велика, весьма часто происходят взаимодействия частиц с квантами (фотонами), а также столкновения их друг с другом. В результате этих процессов внешние электронные оболочки атомов полностью разрушаются и от атомов остаются лишенные электронов положительные ионы. Для начала термоядерных реакций (т.е. реакций с образованием частиц высоких энергией) необходимо очень тесное сближение атомных ядер. Для одинаково заряженных частиц ему препятствует электростатическое отталкивание по закону Кулона (так называемый кулоновский барьер). Для его преодоления частицы должны иметь огромные энергии, т.е. температура и давление в плазме должны быть очень велики. 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, имеющая квантовомеханическую природу: а именно – проникновения менее энергичных протонов через кулоновский барьер за счет туннельного эффекта. Эта возможность следует из принципа 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 в среднем в течение 14-и млрд. лет ежесекундно испытывает миллионы столкновений, но только одно из них заканчивается его распадом и объединением с другим протоном. Однако, благодаря огромному общему числу протонов, «выгорание» водорода оказывается эффективным в течение длительного времени. Во время ядерных реакций синтеза выделяются огромные энергии (несколько МэВ в расчете на один нуклон), что значительно превосходит энерговыделение, обусловленное другими известными механизмами (например, химическими реакциями). При этом масса образующихся ядер не равна сумме масс входящих в них нуклонов, но несколько меньше на величину так называемого дефекта массы (около 0,73%). Это объясняется наличием сильной связи между нуклонами в ядре, так что для их освобождения небходимо затратить энергию, равную энергии этой связи. При обратном процессе синтеза ядер из свободных нуклонов эта энергия выделяется. Ее величина, согласно соотношению Эйнштейна, равна дефекту массы, умноженному на квадрат скорости света. Основным источником энергии в недрах Солнца является цепочка протон протонных термоядерных реакций. В конечном счете 4 ядра атома водорода (протона) превращаются в ядро атома гелия (альфа-частицу). Примерно в 70% случаев водородная цепочка состоит из трех основных реакций. Первая из них начинается с бета-распада ядра атома водорода (протона 1H), который в свободном состоянии необычайно устойчив. Распад может произойти в краткий миг исключительно тесного сближения (столкновения) двух протонов. Тогда возможно превращение одного из них в нейтрон с испусканием позитрона e+ и электронного нейтрино nе. Объединяясь с другим протоном, этот нейтрон образует ядро изотопа водорода – дейтерия (тяжелого водорода) с атомным весом 2 (2Н). При этом выделяется 1,442 МэВ тепловой энергии, соответствующей дефекту массы. Для отдельного протона такое событие может произойти раз в 14·109 лет. Это определяет скорость термоядерных реакций на Солнце и общее время его эволюции. Нейтрино, движущееся со скоростью света, крайне слабо взаимодействует с веществом и практически беспрепятственно проходит через все Солнце, покидая его. Позитрон же, возникший при распаде протона, немедленно аннигилирует с первым встречным электроном, испуская пару гамма-квантов (?). Во второй реакции дейтроны 2Н, возникшие в результате первой реакции, за считанные секунды захватывают новые протоны, испуская g - кванты и образуя ядра изотопа 3He. Благодаря третьей реакции, в течение времени порядка миллиона лет ядра изотопа 3He могут слиться и, высвободив два протона, образовать ядро обычного гелия 4He (a-частицу).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Слияние четырех протонов в одну a-частицу сопровождается общим выделением энергии 26,732 МэВ, соответствующей дефекту массы при превращении двух протонов в два нейтрона. Около 0,5 МэВ из этой энергии уносится двумя нейтрино, свободно покидающими Солнце, а остальная часть переходит в g-кванты и тепловую энергию газа. Источником этой энергии является энергия связи ядра 4He, соответствующая дефекту массы, равному 0,73% массы четырех свободных протонов. На Солнце возможны и другие варианты водородной термоядерной реакции. Энергетически они менее существенны, хотя очень важны для экспериментальной проверки теории внутреннего строения Солнца, поскольку с ними связано образование еще нескольких нейтрино, причем более энергичных и легче регистрируемых. Реакции углеродного цикла являются основным источником энергии более горячих звезд, а на Солнце они обеспечивают не более 1–2 % его светимости. Они происходят только в самом центре Солнца, где температура и плотность достигают наибольших значений. По мере удаления от центра Солнца температура и плотность становятся меньше, выделение энергии за счет углеродного цикла быстро прекращается и вплоть до расстояния 0,2–0,3 радиуса от центра существенной остается только протон-протонная цепочка реакций. На расстоянии от центра r > 0,3 радиуса Солнца температура становится меньше 5·106 К, существенно падает и плотность. В результате этого ядерные реакции практически здесь не происходят. Эти слои только передают наружу излучение, возникшее на большей глубине, поглощаемое и переизлучаемое вышележащими слоями. По мере удаления от центра общий поток излучения распределяется на большую площадь, пропорциональную квадрату радиуса (r 2), поэтому поток на единицу площади убывает. Согласно закону Стефана-Больцмана, полный поток излучения Е с единицы площади пропорционален четвертой степени температуры Т (Е = sТ4, s – постоянная Стефана-Больцмана). В лучистой зоне Солнца, где источников энергии уже нет, произведение 4pr2sТ4 – постоянно и равно светимости Солнца L. Поэтому в средних слоях Солнца температура обратно пропорциональна корню квадратному из расстояния до центра.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 1236; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!