Теромядролық реакция жолдары

Протон-протондық айналыс реакциясы

Протон-протондық айналыс реакциясы

Көміртегі-азот-оттегі айналысы реакциясы

Жұлдыздар жұлдыз ядросының құрамына сай, жұлдыздың массасы мен ішкі құрылымына сай өзегінде әртүрлі термоядролық реакциялар жасайды. Атомдар біріккеннен кейінгі таза салмағы ядроның өз жалпы салмағынан кішірек болады, өйткені материяның энергияға айналуы заңы бойынша — E = mc² — қалған салмақтағы материя тең шамадағы электромагнитті энергияға айналады.

Термоядролық реакция температура өзгерісіне өте сезгір болып, өзектегі температураның сәл өзгерісінің өзі реакция жылдамдығына үлкен әсер етеді. Негізгі тізбек жұлдыздарының ядролық температурасы массасы ең кішкентай М жұлдыздарындағы 4млн. кельвиннен массасы ауыр О жұлдыздарындағы 40 млн. кельвинге дейін жетеді.^[85]

Ядросы 10 млн. кельвинге дейін қызған Күннің өзегінде сутегі гелийге протон - протондық айналысы (Proton–proton chain reaction) формасындағы реакцияға түседі^[114]:

4¹H → 2²H + 2e⁺ + 2ν_e (4,0 MeV + 1,0 MeV)

2¹H + 2²H → 2³He + 2γ (5,5 MeV)

2³He → ⁴He + 2¹H (12,9 MeV)

Бұл реакция нәтижесінде:

4¹H → ⁴He + 2e⁺ + 2γ + 2ν_e (26.7 MeV)

Бұл жердегі e⁺ позитрон, γ гаммалық сәулеленген фотон, νe нейтрино, H және He сутегі мен гелийдің изатоптары. Бұл реакция нәтижесінде бөлінген энергияның шамасы миллиондаған электрон-вольтқа жеткенімен, жалпы энергия мүмкіндігі үшін өте аз мөлшер есептеледі. Әр реткі реакция шығынын қамту үшін барлық қажетті энергия үздіксіз өндіріліп, жұлдыз радиациясы болып таралып жатады.

Жұлдыз реакциясы үшін қажетті минимал масса:
элемент	күн массасы
Сутегі	0.01
Гелий	0.4
Көміртегі	4
Неон	8

Массасы бұдан ауыр жұлдыздарда катализаторы көміртегі болған Көміртегі-Азот-Оттегі айналысы формасындағы реакция арқылы гелийді бөліп шығарады^[114].

Массасы 0.5 тен 10 күн массасына дейінгі жұлдыздардың өзегіндегі температура өзгерісі 100 млн кельвинге жеткенде гелий бериллийді дәнекер еткен күйде үштік алфа барысы (triple-alpha process) арқылы көміртегіге айналады^[114]:

⁴He + ⁴He + 92 keV → ^8*Be

⁴He + ^8*Be + 67 keV → ^12*C

^12*C → ¹²C + γ + 7.4 MeV

Жалпы реакция барысы:

3⁴He → ¹²C + γ + 7.2 MeV

Алып массаға ие жұлдыздардағы ядролық қысымда неон жану және оттегі жану барысында ауыр элементтер пайда болады. Жұлдыздағы термоядролық реакцияның соңғы сатысы кремний(силикон) жану барысы болып, нәтижесінде тұақты изатоп – темір-56 жасалады. Бұдан соң эндотермик үрдісі (Endothermic process) арқылы реакция жалғасып, ол жаңа элемент жасай алмайды да, гравитациялық сығылу нәтижесінде қалған энергиясын шығарады.

Төмендегі мысалда, массасы күннен 20 есе жұлдыздың термоядролық реакцияның орындалып біту уақыты көрсетілген. Ол негізгі тізбектегі О жұлдызы, радиусы күннің 8 есесіндей, жарқырауы күннің 62,000 есесіндей.^[115]

жанушы отын	температура （млн. K）	тығыздығы (kg/cm³)	жану уақыты （жыл бірлігі）
Сутегі	37	0.0045	8.1млн.
Гелий	188	0.97	1.2 млн.
Көміртегі	870	170	976
Неон	1,570	3,100	0.6
Оттегі	1,980	5,550	1.25
Күкірт / Кремний	3,340	33,400	0.0315[116]

2.

2.Жұлдыздардың спектрлері және спектрлік классификациясы

Гарвард классификациясында спектрлік типтер (кластар) латын алфавитінің: О, В, А, Ғ, G, K және М әріптерімен белгіленген.

О класы. Бұл класқа жататын жұлдыздар температурасының жоғары екендігін үздіксіз спектр сызықтарының интенсивтілігінің жолғарғылынан білуге болады. Сол себепті бұл жұлдыздардың түсі көгілдірлеу болып келеді.

В класы. Бұл типте бейтарап гелийдің сызықтары ең интенсивті болып табылады. Сутегі және кейбір иондалған элементтердің сызықтары жақсы көрінеді. Түсі көгілдір-ақ.

А класы. Сутегі сызықтары ең үлкен интенсивтілікке жетеді. Иондалған кальцийдің және кейбір металдардың сызықтары әлсіз көрінеді. Жұлдыздың түсі - ақ.

Ғ класы. Сутегі сызықтары әлсірей бастайды. Иондалған металдардың сызықтары күшейе бастайды. (әсіресе кальций, темір, титан). Түсі - әлсіз сары.

G класы. Иондалған кальцийдің сызықтары басым болады. Түсі-сары.

К класы. Сутегінің сызықтары байқалмайды, яғни температура төмендегені. Жұлдыздың түсі қызғылттау.

М класы. Қызыл жұлдыздар. Металдардың сызықтары әлсірей бастайды. Титан және басқа да молекулалық түзілістердің сызықтары басым.

С класы. Бұл класс К және М кластарынан көміртегі молекулаларының жұтылу сызықтарының бар болуымен ерекшеленеді.

S класы. Бұл класқа жататын жұлдыздар М класынан титан қышқылының орнына цирконий қышқылы басым болуымен ерекшеленеді.

2.1Колориметрия негіздері

Жұлдыздар сәулеленуі туралы информация – бұл олардың спектрлеріндегі энергия таралуы, ол абсолюттік энергетикалық бірліктерде сипатталады. Жұлдыздар спектріндегі энергия таралуы туралы мәліметті олардың спектрінің әртүрлі бөліктеріндегі сәуле шығаруын өлшеу арқылы алуға болады, ол үшін жарық сүзгісі (светофильтр) қолданады. Визуалды фотометрлерді пайдаланып алынған жұлдыздық шамалар визуалды деп аталады. Бұл әдіс фотографияға пайда болғанға дейін қолданылады. Қазіргі кезде ол аз қолданылады.

Жұлдыздар кескінінің фотометрлік өлшеу әдісі арқылы алынатын жұлдыздық шамалар фотографиялық деп аталады. Жұлдыздан келетін сәулелер ағынын дәл анықтау фотоэлектрлік фотографиялық әдістер арқылы жүзеге асады. Ол үшін арнайы іріктеліп алып ( светофильтрлері – жарық сүзгілері) пайдаланады. Олар халықаралық жүйеде U,B,V деп белгіленеді, яғни бұл спектрдің 3 бөлігі – ультракүлгін (U), көк (B) және сары (V- визуалды). Басқа да көп түсті фотометрлік жүйелер бар.

Берілген жүйедегі жұлдыздық шамаларды анықтау үшін зерттелетін жұлдыздан келетін жарық ағындары мен стандарт ретінде қабылдаған салыстыру жұлдыздарының жарық ағындарын салыстырады.

Төмендегі кестеге әртүрлі спектрлік кластарға жататын жұлдыздық түс көрсеткіштерінің мәндері келтірілген. Жұлдыздың түс көрсеткіштерін зерттеуге арналған астрофизика бөлімі – колориметрия деп аталады. Оның мақсаты түс көрсеткіштерін әртүрлі әдістермен өлшеу, жұлдыздар сәуле шығаруының спектрлік құрамын сипаттайтын басқа да шамаларды табу.

9 -кесте.

2.2 Спектр – жарықтылық (Герцшпрунг-Рассел) диаграммасы

XX ғасыр басында Дат астрономы Герцшпрунг және одан кейінірек американ астрофизигі Рассел жұлдыздардың спектрі мен жарықтылығы арасындағы байланысты анықтады. Бұл тәуелділік график ретінде келтірілді. Бір оське спектрлік класс, ал екіншісіне абсолют жұлдыздық шама сызылады. Бұл график спектр-жарықтылық немесе Герцшпрунг-Рассел диаграммасы деп аталады (3.12 сурет). Абсолют жұлдыздық шама орнына жарықтылықты (әдетте log шкалада), ал спектрлік кластар орнына – түстердің көрсеткіші - әсерлі (эффективті) температураның өзін келтіруге болады.

Әрбір жұлдыздың орны оның физикалық табиғаты және даму кезеңімен анықталады. Герцшпрунг-Рассел диаграмасында жұлдыздар жүйесінің бүкіл тарихы келтіріледі. Бұл диаграмма физикалық қасиеттері ортақ жұлдыздар тобын және олардың кейбір физикалық сипаттамалары арасындағы тәуелділікті анықтауға мүмкіндік береді. (мысалы: химиялық құрамы, эволюциясы,...т.с.с.).

Диаграмманың жоғарғы бөлігі жарықтылығы жоғары жұлдыздарға сәйкес келеді, ал төменгі бөлігін жарықтылығы төмен жұлдыздар қамтыған. Диаграмманың сол жағында ертеректегі ыстық жұлдыздар орналасқан, ал оң жағында кейінгі спектрлік кластағы суық жұлдыздар орналасқан.

Диаграмманың жоғарғы жағында жарықтылығы жоғары (алыптар және аса алыптар) орналасқан. Диаграмманың төменгі бөлігіндегі жұлдыздардың жарықтылығы төмен топтары орналасқан және олар ергежейлілер деп аталады. Жоғарғы бөліктегі жұлдыздар жиі орналасқан және солдан оңға қарай бағытталған диагональ – бас тізбек деп аталады. Бұл тізбектің маңайында ыстық (жоғарғы жағы) және суық (төменгі бөлігі) жұлдыздар орналасқан.

Жалпы алғанда, Герцшпрунг-Рассел диаграммасындағы жұлдыздар белгілі ретпен орналасқан, ал бұл жарықтық пен температура арасында қандай да бір тәуелділік бар деген сөз. Бірақ диаграмманы мұқият қарасақ, онда басқа да қосымша тізбектер бар екенін көруге болады. Бұл тізбектер белгілі бір жұлдыздар топтарының жарықтылығымен температурасы арасында жекелеген тәуелділіктер бар екенін білдіреді.

Қарастырылған тізбектер жарықтық кластары деп аталады және олар спектрлік кластардан кейін қойылатын Ι ÷ ΙΙ дейінгі рим сандары арқылы белгілейді. Сонда, жұлдыздардың толық классификациясы 2 параметрге тәуелді болады, біріншісі - спектрді, екіншісі – жарықтылықты сипаттайды. Мысалы, Күн бас тізбекте жатыр, ол V жарықтылық класына жатады және оның спектрінің белгіленуі - G2V. Қазіргі кезде қабылданған осы классификация МК (Морган, Кинан) классификациясы деп аталады.

Сурет 2.1Спектр-жарықтылық диаграммасы

Жарықтылық кластары 2.1 – суретте көрсетілген.

Ι жарықтылық класы – аса алыптар (сверх гиганты) - бұл жұлдыздар спектр - жарықтылық диаграммасының жоғарғы бөлігінде орналасқан және бірнеше тізбектерге бөлінеді.

ΙΙ жарықтылық класы – жарық алыптар;

ΙΙΙ – алыптар;

ΙV – субалыптар. Соңғы үш класс жұлдыздары диаграммада аса алыптар мен бас тізбек аралығындағы облыста орналасқан;

V – бас тізбектің жұлдыздары;

VΙ – жарық субалыптар - олар бас тізбектен бір жұлдыздық шамаға төмен өтетін тізбекті құрайды;

VΙΙ – ақ ергежейлілер - олардың жарықтылығы төмен және диаграмманың төменгі бөлігінде орналасқан.

Жұлдыздардың берілген класқа жату–жатпауы спектрлік классификацияның арнайы қосымша белгілері арқылы анықталады. Мысалы, аса алыптардың спектрлік сызықтары әдетте жіңішке әрі терең болып келеді, ал ақ ергежейлілерде бұған керісінше болып келеді. Өздерінің спектрлері бойынша ақ ергежейлілердің айырмашылығы, олардың кейбір металдарының спектрлік сызықтары алыптарға қарағанда әлсіз.

Сурет 2.2 Жарықтылық кластары

Спектрлерлік классификациясының жоғарыда аталған қосымша белгі-шарттары (критерийлері) жарықтылық класын анықтауға және абсолют жұлдыздық шаманы спектроскоптық әдіспен анықтауға негіз болып табылады.