Нуклеосинтез — ИСТОЧНИК энергии Солнца и звезд

Реакция образования ядер гелия и водорода из нуклонов — первичный Нуклеосинтез — происходит и до настоящего времени, например на Солнце, реализуясь в его центральной части, где температура достигает 10—13 млн. К. При таких температурах атомы теряют свои электронные оболочки, НО этого недостаточно для преодоления силы кулоновского отталкивания между ядрами. Протон предохранен от взаимодействия с другим протоном потенциальным энергетическим барьером в 140 кэВ. Этот потенциальный барьер превышает энергию частиц при вышеназванной температуре в 100 раз. Для того чтобы частицы смогли попасть в область сильного взаимодействия, им необходимо сблизиться на расстояние меньше 10 м. С точки зрения классической механики, этот барьер непреодолим, а с позиций квантовой механики существует вероятность преодоления барьера. Такую вероятность обеспечивает наличие так называемого туннельного эффекта.

В 1939 г. американский физик Ганс Бете (р. 1906) разработал протонный и позднее азот-углеродный циклы ядерных реакций, по которым осуществляется космический синтез химических элементов. За большие заслуги в области звездной энергетики в 1967 г. ему была присуждена Нобелевская премия.

Первый цикл начинается с реакции взаимодействия двух ядер протонов:

Н¹ + Н¹ — D² +е⁺ +н (нейтрино)

 

Образовавшееся ядро тяжелого водорода или дейтерия соединяется далее с протоном и образует ядро легкого изотопа гелия:

D² + Н¹ — Не³ + г (гамма-квант)

Последняя реакция этого цикла состоит в слиянии ядер легко го гелия и освобождении двух протонов:

Не³ + Не³ – Не⁴ + 2Н¹

Этот цикл обеспечивает выход энергии 19,78 МэВ. Так начинается термоядерная реакция, являющаяся, по современным представлениям, источником энергии звезд.

На стадии первичного нуклеосинтеза процесс образования атомных ядер обрывается на изотопе гелия с атомным числом 4. Причина такого ограничения связывается с неустойчивостью к существованию ядер с атомным числом 5 и 8. Этот барьер на пути нуклеосинтеза физики назвали 4 щелью массы».

Обходной путь появился, после того как в ходе формирования Вселенной возникли крупные звезды типа красных гигантов, массы которых в несколько раз превышают солнечную массу. Водород в них возгорает очень быстро и в центре звезды, где сосредоточен гелий, температура достигает нескольких сотен миллионов градусов. В этих условиях происходят ядерные реакции — реакции углеродного цикла, в результате которых происходит синтез более тяжелых элементов. Эти звезды называют «ядерными кострами», потому что их горение поддерживается протекающими в недрах реакциями звездного нуклеосинтеза.

В 50-е годы Ф. Хойл, обойдя проблему < массы», предложил реакцию образования углерода из трех атомов гелия, которая может реализоваться на определенных стадиях развития некоторых типов звезд. Тогда открывается возможность образования более тяжелых, чем углерод, элементов. Однако теоретические расчеты скорости реакции соединения трех атомов гелия в углерод показали, что она недостаточна для создания наблюдаемого в мире количества тяжёлых элементов. Тогда Хойл высказал предположение, что у углерода С¹² существует возбужденное состояние, энергия которого должна быть близка суммарной энергии трех альфа-частиц. Это доказал позднее американский физик У. Фаулер (р. 1911 г.). Он же определил энергию возбужденного состояния углерода С^12, которая оказалась равной 7,654 МэВ и превысила суммарную энергию трех альфа частиц на 0,38 МэВ. Реакция объединения трех атомов гелия с образованием возбужденного ядра углерода протекает избирательно со скоростью на несколько порядков выше, чем неизбирательной реакции, создающей ядро углерода в основном состоянии.

образовавшийся углерод сам способен присоединять одно ядро гелия и образовывать ядро кислорода, затем неона и так вплоть до кремния. Согласно азот циклу (шесть реакций), разработанному Бете, реакции синтеза других элементов протекают в следующей последовательности:

С¹² + Н¹ —N¹³ + г N¹³ — С¹³ + е⁺ + н

C¹³+H¹- N¹⁴+ г C¹⁴+ H¹ – O¹⁵+ г

О¹⁵ - N¹⁵ + е⁺ +н N¹⁵+H¹ – C¹²+He⁴

Углерод в этом цикле играет роль катализатора реакций, и синтез осуществляется до кремния. Со временем выгорающее ядро звезды сжимается, и температура в нем повышается до 3—10 млрд. градусов. Уже в этих условиях реакции объединения могут продолжаться вплоть до образования ядер железа, которое имеет самые устойчивые ядра. Далее Нуклеосинтез перестает быть источником выделяющейся энергии. Протекание реакций синтеза более тяжелых ядер требует еще больших энергетических затрат и предположительно происходит в оболочках массивных взрывающихся звезд. Тогда в космической среде появляются тяжелые элементы, синтезированные на бывшей звезде, которые могут использоваться при формировании планет.

Представленные взгляды на синтез химических элементов во Вселенной не стоит считать окончательными, поскольку в этой области знаний существует еще большой ряд нерешенных проблем однако появление во Вселенной, кроме преобладающих водорода гелия, всей гаммы химических элементов открыло новый этап 1 развитии вещества и в формировании его структур. Сегодня в космосе уже обнаружено большое разнообразие органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы аминокислот.

1 .5. Гипотезы происхождения

солнечной системы

После Большого взрыва формирование Солнечной системы началось около 5 млрд. лет тому назад с бесформенной массы газового облака туманности, уже представляющего продукты жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, состоящего преимущественно из водорода. При определенных значениях массы, плотности и температуры газовая туманность начинает сжиматься, возникающие неоднородности разрывают её на фрагменты, из которых при дальнейшем сжатии образуются протозвёзды.

 

Под действием гравитационных сил солнечная туманность начинает приобретать форму, сжиматься так, что самая плотная часть ее находится в центре. Наше Солнце становится протозвездой. Центробежные силы выделяли экваториальную область. В ней воз неустойчивые нестационарные потоки в газе и пыли, и часть этого вещества оторвалась от протозвезды, унося с собой избыточный момент количества движения. Так образовался газопылевой диск в экваториальной плоскости будущего Солнца.

Этот диск рос, и в нем возникали условия для рождения планет. Во вращающемся и сжимающемся фрагменте, потерявшем часть вещества на образование диска, увеличилась температура, росло давление, что препятствовало дальнейшему сжатию. Во внешних слоях пошли бурные процессы, вызывающие огромные токи в ионизированном газе и сильные магнитные поля. Когда температура достигла 10 млн. градусов, пошли термоядерные реакции, и «загорелось» наше Солнце. Оно вступило в период устойчивого существования в качестве звезды главной последовательности. На это потребовалось почти 100 млн. лет. Термоядерная реакция пре вращения водорода в гелий, сопровождающаяся преобразованием части массы в энергию, в недрах Солнца происходит и сейчас.

Протопланетное облако к этому времени представляло собой кольцо, в котором при уплотнении пылинки слипались между собой. Солнце нагревало внутреннюю часть этого кольца, вызывая испарение, выгоняя солнечным ветром более легкие элементы в более дальние части кольца, где они < (Т = 50 К). Так происходило образование двух групп планет. Планеты земной группы образовались примерно за те же 100 млн. лет. В зависимости от расстояния до Солнца разные части туманности остывали с разной скоростью. Это привело к неоднородности протекания химических процессов, которая усиливалась давлением солнечно го излучения и корпускулярной радиации Солнца. В результате в разных частях протопланетного облака возникали неоднородности, что потом отразилось на составе образовавшихся планет.

Химическая эволюция протекала тоже по-разному: сначала конденсировались наиболее тугоплавкие элементы и их соединения потом — летучие. Аккумуляция конденсатов в планеты и Метеоритные тела началась еще до завершения процессов конденсации

Первыми, вероятно, появились конденсаты железа. Они явились основой ядер планет, обогащенных железоникелевым сплавом. Вокруг них оседали магнезиально-силикатные породы, которые образовали первичные мантии. Более поздние конденсаты

гидратированные силикаты, органические вещества и летучие соединения. Так формировались первичные планеты земной группы. Планеты-гиганты образовывались дольше. За 100 млн. лет сформировались их ядра, потом они аккумулировали газ Окружающего пространства и образовали свои протяженные атмосферы. Начальные температуры планет-гигантов были высоки (у Юпитера — до 5000 К., у Сатурна — до 2000 К), что обеспечивалось распадом радиоактивных короткоживущих элементов и интенсивным падением метеоритов. Формирование более дальних планет происходило еще медленнее. Образовавшиеся планеты Солнечной системы делят на планеты земной группы на планеты юпитерианской группы. Первые из них располагаются ближе к Солнцу и имеют меньшие размеры и большую плотность. Их расстояние до Солнца (млн. км) приведено в таблице 1.1.

Скорость удельного энерговыделения в типичных звездных термоядерных реакциях является по земным масштабам ничтожной. Так, для Солнца она составляет в среднем на 1 г солнечной массы -2 эрг/сек. Это гораздо меньше, чем скорость энерговыделения в живом организме при обмене веществ. А обычная электрическая лампочка эквивалентна многим тоннам солнечного вещества. Однако благодаря колоссальной массе Солнца, излучаемая им мощность (4х10 Вт) огромна, и даже ничтожной ее доли достаточно, чтобы оказать решающее влияние на энергетический баланс земной поверхности и жизни.

Сейчас Солнце — звезда главной последовательности, но это не бесконечно. Полагают, что приблизительно через 5 Млрд. лет его структура изменится, поскольку запас водородного горючего

 

начнет истощаться. Тогда Солнце начнет расширяться, превращаясь в красного гиганта. Наступит момент, когда оно будет излучать в 100 раз больше энергии, чем сейчас. Для внутренних планет системы это действие будет катастрофическим: они потеряют атмосферу и распадутся. Затем Солнце сожмется и превратится в очень слабый белый карлик.

Накопление фактических данных о Солнечной системе еще далеко от завершения. Поток информации особенно возрос в последние годы, когда началось изучение планет, комет и межпланетного пространства с применением космических аппаратов.

Характер поступающей информации подчас коренным образом меняет многие ранее сложившиеся представления о Солнечной системе. Согласно современным представлениям, решение проблемы образования Солнечной системы требует как учета эффектов взаимодействия магнитных полей с плазмой, магнитогидродинамических и газодинамических явлений, химических взаимодействий элементов, так и обсуждения закономерности характера процессов, протекающих в общем потоке структурной самоорганизации Вселенной.

Американский астроном Карл Саган (р. 1934) построил модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 секунда — 500 годам. Тогда эволюция Вселенной выглядит так: