14. Термоядерные реакции. Протон-протонная реакция. Углеродный цикл. Тройной альфа-процесс. Космические нейтрино и методы их регистрации. Проблема солнечных нейтрино. Осцилляции нейтрино.
Термоядерные реакции
• При температурах и давлениях, характерных для центра звезд, веществонаходится в состоянии высокой степени ионизации – «горячей» и плотной плазмы.Вследствие частых и сильных столкновений между частицами такой плазмы в нейвозрастает вероятность взаимодействия между элементарными частицами иатомными ядрами, и происходят ядерные реакции.
• При обычных столкновениях сближению одинаково заряженных частицпрепятствует электростатическое отталкивание. Именно дляего преодоления частицы должны иметь очень большие энергии, т.е. температураплазмы должна быть очень высокой. Возникающие при этом ядерные реакцииназываются термоядерными.
• Взаимные столкновения протонов обладают наименьшим кулоновским барьером,поэтому в первую очередь в недрах звёзд возникают реакции синтеза лёгких ядер,а эволюция звёзд начинается с выгорания водорода и других наиболее лёгкиххимических элементов.
•
Вероятность распада
одного из протонов (ядра атома водорода)
в момент ихтесного столкновения очень
мала: в недрах Солнца каждый протон
ежесекундноиспытывает миллионы
столкновений, но только одно из
заканчивается егораспадом и объединением
с другим протоном. Однако, благодаря
огромномуобщему числу протонов,
«выгорание» водорода оказывается
эффективным втечение очень длительного
времени.
Протон-протонная реакция
Основным
источником энергии в глубине Солнца
является водородный цикл или
протон-протонная реакция, приводящая
к превращению водорода в гелий. В
большинстве случаев, примерно 70%, она
состоит из трёх реакций:1)позитронный
распад протона:
,
где
– нейтрино; 2)синтез He-3:
;
3)синтез He-4:
Углеродный цикл
Существует еще одна реакция, приводящая к слиянию 4 протонов ядро гелия:
(1.94 МэВ,
360 лет)
(2.2 МэВ,
14.2 мин)
(7,55МэВ,
100 лет)
(7.29 МэВ,
25000 лет)
(2.76 МэВ,
177 сек)
(4.97 МэВ,
340сут)
Так, в реакции углеродного цикла выделяется 26,3 МэВ энергии (как и в реакции водородного цикла), однако, нейтрино уносят 1,7 МэВ, что больше, чем в реакции водородного цикла.
Тройной альфа-процесс
При
температуре центра звезды порядка сотен
миллионов кельвин, когда выгорел
практически весь водород, источником
энергии становится тройная гелиевая
реакция:
(-0.092 МэВ);
(7,37 МэВ);
• Нейтрино – это элементарные частицы, которые чрезвычайно слабовзаимодействуют с веществом. Поэтому они свободно выходят изнедр Солнца и со скоростью, очень близкой к световой,распространяются в космическом пространстве, почти непоглощаясь веществом.
• Заряд
нейтрино равен нулю, спин – полуцелый,
массы очень малы.
Поскольку каждый акт синтеза α-частицы
вне зависимости отдеталей термоядерной
реакции сопровождается излучением
двухнейтрино, то Солнце ежесекундно
испускает
нейтрино.
• На
Земле поток солнечных нейтрино составляет
нейтрино/(с·см2).
• Поскольку энергии нейтрино, испущенных в результатеразличных термоядерных реакций, существенно отличаются,то, регистрируя потоки солнечных нейтрино различныхэнергий, можно получать прямыеэкспериментальные данные об условиях в недрах Солнца.
• Методы регистрации солнечных нейтрино основаны на достаточно большой вероятностизахвата нейтрино некоторыми атомными ядрами, а также нарегистрации излучения Вавилова – Черенкова, возникающегопри рассеянии нейтрино на электронах.
•
Хлор-аргонный метод
основан на реакции захвата нейтрино
•
Галлиевый метод
основан на реакции
• Водные детекторы, использующие регистрацию излучения Вавилова –Черенкова, возникающего при рассеянии нейтрино с энергиямибольше 7,5 МэВ на электронах молекулы воды
• Регистрация нейтрино происходит в меньшем обьеме, чем теоретическое ожидание.Отличие ожидаемых результатов от наблюдаемых объясняется в рамках теории осцилляций нейтрино, т.е.превращения электронных нейтрино в мюонные и другие, которые нерегистрируются детекторами.