Методическая разработка (стр. 16 )

30-е годы текущего столетия были отмечены большими успехами ядерной физики. Теоретические работы в этой области показали, что при температурах порядка нескольких миллионов кельвинов возможны термоядерные реакции, в ходе которых ядра легких элементов, сливаясь, образуют ядра более тяжелых элементов. При этом масса покоя частиц уменьшается и выделяется энергия в 3,5 раза больше на один нуклон, чем при ядерных реакциях деления.

То, что реакция деления ядер тяжелых элементов не могут быть источником энергии звезд, было совершенно очевидно, поскольку радиоактивный распад, являясь спонтанным процессом, не зависит от внешних условий, в частности от спектрального класса звезд, а это противоречит наблюдениям. Только термоядерные реакции, как источник энергии звезд, согласуются с астрофизическими данными.

Естественно, возникал вопрос, достигает ли температура в недрах звезд такого уровня, при котором термоядерные реакции становятся возможными, т. е. порядка 10К? Но именно к такому значению температуры приводил расчет газовой модели Солнца.

Теория термоядерных источников энергии, освобождающейся в недрах звезд, была в основных чертах разработана в 1939 г. американским физиком Бете. Согласно этой теории в подавляющем большинстве случаев “топливом”, поддерживающем излучение звезд, является водород, а точнее, его ядра – протоны. Выделение энергии происходит в ходе такого цикла термоядерных реакций, когда из четырех протонов с помощью последовательных превращений образуется одно ядро гелия.

Цикл начинается взаимодействием двух протонов при их сближении на расстояние около 1 фм. Правда, такому сближению препятствуют электростатические силы отталкивания. Но при огромных температурах, которые господствуют в недрах звезд, всегда найдется достаточно большое число частиц, обладающих необходимой для этого кинетической энергией. На расстоянии 1 фм между протонами начинают действовать ядерные силы притяжения, которые на единицу массы в 100 раз превосходят электромагнитные силы. В результате слияния двух протонов образуется ядро тяжелого водорода – дейтерия. Вся реакция сопровождается испусканием позитрона, уносящего избыточный положительный заряд и нейтрино:

Н + Н → D + ē + ν.

Ядро тяжелого водорода, вступая в реакцию с протоном, образует ядро изотопа гелия Не с испусканием γ-кванта:

D + Н → Не + γ.

В дальнейшем цикл может иметь различные варианты в зависимости от состава плазмы и ее температуры. Обычно все заканчивается взаимодействием двух изотопов Не:

Не + Не → Не + Н + Н.

Другие варианты дают реакции:

Не + Не → Ве + γ.

Ве + е → Li + ν,

Li + Н → Не + Не,

или

Ве + Н → В + е + γ,

В → Ве + е + ν,

Ве → Не + Не.

Как видно из реакций, из четырех протонов так или иначе образуется одно ядро гелия.

Условия, необходимые для термоядерных реакций, реализуются только в центральной области Солнца, радиус которой не превышает 230 000 км (0,3R). Далее простирается промежуточный слой, толщиной в 280 000 км. В нем энергия из центральной области на периферию переносится излучением. Возникающие при термоядерных реакциях γ-кванты многократно поглощаются и переизлучаются в промежуточном слое. Происходит как бы дробление их энергии на энергию миллионов фотонов светового диапазона. Следующий слой, верхней границей которого является фотосфера, называют конвективной зоной. Через эту зону энергия наружу передается конвекцией (перемешиванием) солнечной плазмы.

Иное строение имеют звезды верхней части главной последовательности. Их масса превосходит массу Солнца и поэтому температура в центральных областях этих звезд значительно выше. В центре белых и голубых гигантов при температуре 10К водород быстро выгорает, и начинается “горение” гелия. Термоядерные реакции такого типа называют тройным α-процессом, конечным продуктом которого является углерод С. Выделение энергии столь бурно возрастает, что излучение “не успевает” выносить ее наружу, и в центре звезды образуется конвективное ядро.

При дальнейшем повышении температуры начинается очень важная реакция с испусканием нейтрона:

С + С → М + n.

Свободный нейтрон легко проникает в любое ядро и тем самым увеличивает его массу. Образовавшийся при этом изотоп в процессе β-распада превратится в элемент с большим порядковым номером. Так в недрах звезд образуются все более массивные ядра химических элементов вплоть до ядер железа. Образованием железа кончается цепочка термоядерных реакций с выделением энергии.

Однако при температуре 2 · 10К возможны многочисленные реакции с испусканием свободных нейтронов. Когда нейтронов в единице объема окажется достаточно много, могут образоваться ядра элементов конца таблицы Менделеева, что сопровождается уже не выделением, а поглощением энергии.

Таким образом, одновременно с решением проблемы звездной энергетики проясняется вопрос о происхождении химических элементов во Вселенной.

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ ЗВЕЗД.

НЕОБРАТИМОСТЬ РАЗВИТИЯ МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА.

Как ни велик источник термоядерной энергии Солнца, он все же конечен. Солнце не может существовать вечно.

Сколь долго Солнце будет оставаться таким, каким оно есть сейчас? Этот вопрос не может не волновать человека, но как на него ответить?

Чтобы предвидеть будущее Солнца, мало знать его настоящее состояние. Необходимо правильно представить его прошлое, исследовать вопрос о его происхождении и развитии.

Прежде всего следует оценить возраст Солнца. Его нижняя граница установлена довольно точно. Исследуя радиоактивный распад ряда изотопов, прежде всего урана и тория, геологи определили, что возраст самых древних пород на Земле составляет 4,5 млрд. лет. Но Земля, являясь спутником Солнца, не может быть старше его. Значит, Солнце существует не менее 4,5 млрд. лет. Поскольку Солнце – рядовая звезда, его происхождение должно быть похоже на происхождение других звезд. Но где и как рождаются звезды?

Воспользуемся диаграммой Г-Р. В верхней части главной последовательности расположены очень горячие звезды огромной светимости. Столь щедро расходовать энергию звезда может только сравнительно короткое время – не более нескольких сот миллионов лет. Следовательно, голубые и белые гиганты – это совсем “молодые звезды”. За свой короткий век они не успели далеко разбежаться ни друг от друга, ни от своей “колыбели”.

Исследования показали, что скопления голубых гигантов (рассеянные скопления) обычно находятся в тех областях космического пространства, где наблюдаются светлые и темные туманности, т. е. там, где концентрируются межзвездные газ и пыль. Скопления газа и пыли называют газово-пылевыми комплексами.