Неорганическая геохимия - Хендерсон П.
Скачать (прямая ссылка):
Ранняя фаза сжатия вызывает быстрое увеличение яркости звезды при относительно постоянной температуре поверхности. На следующем этапе сжатие продолжается, но с меньшей скоростью; при этом растут температура на поверхности и светимость. Все это время водород в центре звезды расходуется в ядерных реакциях, и медленное сжатие ядра продолжается. Образование тяжелых нуклидов из более легких во внутренних областях звезды само по себе вызывает уменьшение давления, но это компенсируется гравитационным сжатием, которое поддерживается на равновесном уровне сопутствующим подъемом температуры. Дальнейшее повышение температуры вызывает расширение внешних слоев звезды, вследствие чего сквозь относительно большие области поверхности возможно возрастание общего излучения энергии. Процессы такого типа определяют дальнейшую эволюцию звезд. Ядро звезды — место, где преобладают ядерные реакции. Последовательная смена реакций происходит вследствие подъема температуры под действием гравитационного сжатия и возможного поступления вещества из внешних слоев.
Дальнейшие стадии-звездной эволюции сложны, и нет необходимости здесь их касаться. Однако нужно учитывать, что в ходе эволюции отмечается много стадий возрастания температуры ядра, сопровождающихся сжатием ядра, при сохранении баланса энергии путем изменения общего размера и светимости звезды. Ниже будет кратко обсуждаться возможная природа термоядерных реакций, происходящих в центре звезд, и вероятные температуры, при которых они осуществляются. Однако реальные процессы, происходящие в звездах, зависят от их массы
40 Часть I
и начального состава (т. е. от того, принадлежит ли звезда к первой, второй или более поздней генерации; см. [65]).
2.3.2. Горение водорода. Мы уже указывали, что водород — наиболее распространенный элемент в «космосе». Приблизительно 90% всех нуклидов в веществе звезд составляет водород. Следовательно, разумно принять водород за исходное вещество для образования элементов во внутренних областях звезды. Бер-бидж и др. [42] в своей теории нуклеосинтеза постулировали, что водород был единственным веществом первых звезд, а поэтому требуется изначальная ядерная реакция, в ходе которой за счет водорода образуются более тяжелые нуклиды. Любые такие процессы определяются как горение водорода.
Можно показать, что наиболее вероятной реакцией горения водорода является та, в которой два атома водорода превращаются в один атом гелия с образованием нуклидов 2В и 3Не на промежуточных стадиях, а именно:
ХН + ХН ->¦ Ю + е+ + V (нейтрино*),
20 + Щ -> 8Не + 7,
3Не + зНе -»» 4Не + 2Щ,
или, как обычно записываются ядерные реакции:
Щ(р, е+^20, 20(р, 7)3Не, 3Не(3Не, 2р)4Не.
Этот путь реакции возможен в том случае, если во взаимодействие вступают только две частицы. Реакция экзотермична: при образовании каждого 4Не из четырех ядер !Н выделяется 26,73 МэВ. Фактически не существует других, приводящих к образованию стабильных продуктов экзотермических реакций двух частиц, которые могут идти в газе, состоящем только из протонов и альфа-частиц (например, 2Не, который может получиться при взаимодействии двух протонов, нестабилен и сразу же опять распадается на два протона). Однако сейчас же возникает вопрос: возможны ли другие, кроме приведенной выше, реакции, в которые вовлекаются промежуточные продукты 20 и 3Не? Любая другая реакция с участием дейтерия маловероятна, так как все иные возможные реакции происходят с ничтожно малой скоростью, в то время как реакция между Ю и 1Н протекает очень быстро. Однако 3Не может расходоваться на образование 7Ве в реакции
3Не(а, 1>)7Ве.
Нуклид 7Ве участвует в двух возможных циклах реакций, оба
* Нейтрино (V) — частица с нулевым зарядом, спином !/г и очень маленькой или нулевой массой покоя.
2. «Космическая» распространенность элементов и нуклеосинтез 41
из которых идут с большой скоростью:
7Ве (е~^) 71Л, или 7Ве(р, 7)8В2,
7П(р, 7)8Ве, *В ¦-»- вве + е+Ч-у,
аВе -^ 2*Не, 8Ве -> 24Не.
Таким образом, существуют три возможных' пути образования 4Не. Все они могут осуществляться одновременно, если имеется достаточно 4Не, который действует как «автокатализатор». Температуры горения водорода оцениваются величинами примерно от5-106 до.5-107 К.
До сих пор мы рассматривали молодые звезды, которые состоят только из водорода как единственного исходного вещества для ядерных реакций. Однако спектры недавно сформировавшихся из межзвездной среды звезд указывают на присутствие более тяжелых элементов. Этб могло произойти при повторных выбросах части массы больших звезд обратно в межзвездную среду. Тот факт, что сама межзвездная среда не состоит полностью только из водорода, означает, что нужно учитывать эффект появления тяжелых элементов в вероятных реакциях горения водорода. Одну из таких возможностей дает СЫ-цикл: 12С(р, 7)13Ы-»- 18С-|-е+4-V,
18С(р,
14Ы (р, 7) 150 -»- 1бЫ + е+-Н,
«Ы(р, а) "С;
Эффективный итог этих реакций — превращение четырех протонов в один нуклид 4Не; 12С действует как катализатор. Если присутствует 1бО, возможны две или более реакции:
