Теория тяготения и эволюция звезд - Зельдович Я.Б.
Скачать (прямая ссылка):
На следующем сегменте, С — D, мы встречаемся со смесью Sr и нейтронов. Вплоть до плотностей порядка р0 ~ IOla г/см3 законно пренебрегать кинетической энергией нейтронов и энергией ядерного взаимодействия. В этом приближении электронная плотность, плотность Sr в смеси и давление (которое вызвано только электронами) остаются постоянными. Общая плотность растет от С к D благодаря росту вклада от нейтронов. В точке D нет резкого изменения. Где-то вблизи точки D величины начинают постепенно изменяться,
Рис. 29. Упрощенная схема (подробнее см. табл. II) зависимости давления от плотности холодного вещества. § 5] ЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЯДЕРНОЕ ВЗАЙМОДЕЙСТВИЁ 203
и нейтронное давление начинает плавно расти до тех пор, пока не достигнет по порядку величины электронного давления вблизи D. О дальнейшей истории (после р р0) мы будем говорить ниже.
Однако все проведенное выше рассмотрение, будучи принципиально правильным и строгим, представляет собой пример излишнего педантизма. Дело в том, что при низкой температуре нет никакого реального механизма, который мог бы превратить железо в стронций за разумное время. Сформулируем ту же мысль иначе: для того чтобы превратить Fe^ Sr^o за разумное время, нужны высокие температуры, нужно сначала разбить ядро железа на составные части (а-частицы и нейтроны) и по-другому перетасовать их. То же самое относится к тем промежуточным ядрам с А =/= АжеЛеза> которые приведены в табл. III.Ho при соответствующей высокой температуре будет иным и равновесие. Процессы и равновесие при высокой температуре будут рассмотрены в следующей главе.
Реально при сжатии вещества при достижении определенной пороговой Ef становится возможным обратный ?-процесс: электрон захватывается ядром и один из протонов ядра превращается в нейтрон:
(Z, A) + e-+(Z-l,A).
Процесс называется нейтронизацией вещества. Он протекает со скоростью слабых взаимодействий.
При сжатии железа при достижении Ef = 3,7 Мэв, р = = 1,15-IO9 г/см3 станет возможным превращение железа в Mn^. Но порог превращения нечетно-нечетного Mnj^ в четно-четный Сгбб меньше, он равен 1,6 Мэв. Поэтому каждое ядро Mn^ тут же будет превращаться в Cr^ *).
Таким образом, при сжатии до плотности хотя бы не намного превышающей критическую рс = 1,15« IO9 г/см3, начинается превращение железа в хром. При этом давление равно
1,2.10^^^ = 3,3.1026 эрг/см3.
Плотность возрастает в отношении 26/24 = 1,08 раза. Скорость этой реакции рассмотрим ниже. По порядку величины, при превышении Pc на 1% нужно время порядка IO6 сек, чтобы реакция прошла.
Двухступенчатый ход реакции (медленно: Fe -»- Mn; быстро, с избытком энергии Mn ->Сг) приводит к необратимости процесса. В самом деле, если вещество, которое в ходе сжатия превратилось
*). Теоретически уже при Ef = 2,65 Мэв возможен двойной процесс Fe + 2е~ —> Cr + 2v . Однако вероятность такого процесса ничтожна, поэтому мы его не рассматриваем. 204
ХОЛОДНОЕ ВЕЩЕСТВО
![ГЛ. 6
в хром СГбб, медленно расширяется, то распад хрома начнется лишь после того как Ef упадет ниже 1,6 Мэв, т. е. при плотности р = 7,6-107 г/см3 и давлении 1,2-IO25 эрг/см3. При этом за каждым распадом Cr ->• Mn + е~ + v будет немедленно следовать Mn ->• Fe + е~" + v, поскольку этот второй процесс существенно надпороговый (E распада 3,7 Мэв, Ef = 1,6 Мэв). В интервале давлений от
1,2-IO23 (0?)4 = 1,15.IO25 эрг/см2
ДО
1,2 • IO23 (^?)4 = 3,3. IO26 эрг/см3
вещество может содержать любые количества железа и хрома, в зависимости от предшествующей истории рассматриваемого элемента массы. Аналогичные явления происходят в переходах Cr — Va-Ti и т. д.
Выше предполагалось, что в ходе термоядерных реакций при высокой температуре и не слишком высокой плотности было достигнуто полное термодинамическое равновесие, затем произошло остывание; равновесное состояние вещества после остывания есть Fe56. После этого происходит сжатие и превращения:
Fe —> Mn —> Cr.
В принципе возможно сжатие вещества, которое не подвергалось действию высокой температуры или подвергалось действию недостаточно высокой температуры и состоит не из железа, а из других элементов. Приводим пороги нейтронизации для нескольких ядер (табл. IV).
Таблица IV
Пороги нейтронизации
Ядро EFt Мэв Pc, г/см9 PcI эрг/см3 Продукт реакции на пороге
H гНе3 2Не4 вС12 I4Si28 26 Fe50 0,78 0,018 20,6 13,4 4.6 3.7 IO7 2,8-10« 1,32. IO11 4,45. IO10 1,92.10» 1,15-109 5,5-IO23 1,8-IO17 3,2.IO29 5.7-Ю28 7.8-1026 3,3-1026 Н — n, n + H = D He3 —> T He4 —> T + п, е" + Т = Зп С12 в12 Be12 i4Si28 ізА128-> Mg28 Fe—» Mn, Mn—»Cr
Обращает на себя внимание особо низкий порог превращения He3 и особая прочность Не4. Порог реакции для водорода такой, что при этой плотности даже в холодном веществе довольно быстро § 5] ЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ЯДЕРНОЕ ВЗАЙМОДЕЙСТВИЁ 205
идет процесс p + p = D+e+ + v или p + p + e~ = D+v. Эти процессы, идущие в условиях низкой температуры, называются пикноядерными: расчет скорости первого процесса — см. Вильдхак (1940), Зельдович (1957). Эти процессы не имеют точного порога, но скорость их сильно зависит от плотности. При плотности критической по H + е" = п + v время обоих пикно-ядерных реакций одного и того же порядка IO10 сек.
