- •Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
- •Реакции термоядерного синтеза
- •Кулоновский барьер
- •Схема конструкции водородной бомбы
- •В настоящее время мы можем судить о том, как уст- роена Вселенная, до
- •Вещество концентрируется в звездах и планетах главным образом в виде нуклидов (атомных ядер)
- •Согласно общепризнанной в настоящее время кон- цепции, 13.7 0.1 миллиардов лет назад наша
- •Расширение Вселенной следует из эксперименталь- ного факта красного смещения спектров излучения галактик (т.е.
- •Такая низкая точность связана с трудностями изме- рения больших расстояний. Напомним, что парсек
- •Современный уровень науки позволяет объяснить историю образования Вселенной по схеме, кото- рая в
- •Дальнейшая эволюция Вселенной связана с образованием звезд, которое происходило
- •Компьютерное моделирование позволяет создать картину формирования звезд. Звезды образуются из отдельных неоднородностей (сгустков,
- •Когда масса протозвезды становится срав- нимой с массой Солнца (на это требуется время
- •Выделение энергии в результате этих ре- акций, а также продолжающееся грави- тационное сжатие
- •Водородный цикл
- •Этот момент считается переходом протозвезды в "настоящую" звезду. Излучение звезды становится настолько интенсивным,
- •По мере истощения запасов водорода происходит накопление гелия и формируется гелиевое ядро. Следующий
- •Дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы. Если начальная масса звезды меньше некоторого
- •В момент взрыва возникают мощные потоки нейтронов, которые и приво- дят к появлению
- •Если после взрыва сверхновой сохраня- ется остаток массы не менее 3-х сол- нечных
Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц
46.(0). Реакции термоядерного синтеза. Ядерные реакции в звездах. Нуклеосинтез во Вселенной.
Реакции термоядерного синтеза
2 H |
1 |
2 H |
1 |
3He n, |
|
(QМэв3.25 |
) |
||
|
|
|
2 |
|
|
|
|||
2 H1 2H1 |
3H1 p, |
|
(QМэв4.03 |
) |
|||||
2H |
1 |
3H |
1 |
4 He n, |
|
(QМэв17.6 |
) |
||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
||
p 7 Li 4He 4He , |
(QМэв17.3 |
) |
|||||||
|
|
|
3 |
|
2 |
2 |
|
|
|
n |
7 Li 4He |
3H |
, |
(QМэв4.8 |
) |
||||
|
|
|
3 |
|
2 |
1 |
|
|
|
Кулоновский барьер
Чтобы осуществить реакцию синтеза, не- обходимо сблизить ядра до расстояния R10-14 м. Для преодоления кулоновского барьера отталкивания необходима тем- пература Т порядка
kT e2/4 0R, откуда
Т 109 К
Схема конструкции водородной бомбы
А - атомная бомба, в резуль- тате взрыва которой соз- дается температура при- мерно 109К
Т- термоядерное горючее (смесь дейтерия и трития)
В - взрывчатое вещество (обычное) для приведения в действие атомной бомбы
О - оболочка для предотвра- щения преждевременного разбрасывания ядерного горючего
В настоящее время мы можем судить о том, как уст- роена Вселенная, до расстояний 12-16 млрд свето- вых лет. То, что мы видим - это области компактной концентрации материи (горящие и угасшие звезды вместе с планетными системами, объединенные в галактики) и огромные пространства между ними. Все это заполнено веществом и излучением.
Вещество концентрируется в звездах и планетах главным образом в виде нуклидов (атомных ядер) с различным числом протонов Z и нейтронов N девяносто двух химических элементов (от водорода до урана)
Все разнообразие ядерно- го состава Вселенной сво- дится примерно к 300 нук- лидам. При этом, согласно современным данным, ве-
щество во Вселенной сос- тоит (приблизительно) на 93% из водорода, на 6% из гелия, а на долю всех ос-
тальных элементов прихо- дится около 1%.
Согласно общепризнанной в настоящее время кон- цепции, 13.7 0.1 миллиардов лет назад наша
Вселенная образовалась в результате взрыва ("Большого взрыва") вещества, которое было скон-
центрировано в очень малом объеме и имело ог- ромную плотность, температуру и давление. Стре- мительное (взрывное) расширение Вселенной со- провождалось уменьшением плотности и темпера- туры, которые могут быть приближенно оценены из следующих соотношений:
(г/см3) |
5 105 |
T (K) |
1010 |
(46.1) |
||
t |
2 |
(c) |
t(c) |
|||
|
|
|
|
Расширение Вселенной следует из эксперименталь- ного факта красного смещения спектров излучения галактик (т.е. увеличения длин волн излучения) за счет эффекта Допплера. Это смещение обнаружил Э.Хаббл (E.Hubble) в 1929г в итоге многолетних аст- рономических наблюдений. Отсюда следует, что да- лекие галактики удаляются от нашей Галактики со скоростями, пропорциональными расстоянию R от "убегающей" галактики до центра наблюдения, т.е.
до Земли: v = HR,
где H - коэффициент пропорциональности, называе- мый "постоянной Хаббла". Результаты астрономиче- ских наблюдений дают значение H с довольно низ- кой точностью:
H ≈ 70 ± 10 км/(с Мпк). |
(46.2) |
Такая низкая точность связана с трудностями изме- рения больших расстояний. Напомним, что парсек (пк) (сокращение слов "параллакс-секунда") - едини- ца длины в астрономии, равная расстоянию до звез- ды, годичный параллакс которой равен 1 угловой се- кунде. Или по-другому: расстояние, с которого диа- метр орбиты Земли виден под углом в 1 секунду.
1 пк =206265 а.е. =3.0857 1016 м =3.26 световых лет. Астрономическая единица (а.е.) - это среднее расс- тояние от Земли до Солнца (1 а.е. = 1.496 108 км ≈ 150 млн км). Световой год - расстояние, равное 9.46 1015 м, которое свет проходит за один год. Та- ким образом, парсек - наибольшая внесистемная единица, применяемая в астрономии для измерения расстояний. В формулу (46.2) входит Мпк: мегапар- сек, т.е. миллион парсеков.
Современный уровень науки позволяет объяснить историю образования Вселенной по схеме, кото- рая в несколько упрощенном виде может быть представлена следующим образом.
Начиная с момента tП Вселенная последовательно проходила этапы разделения фундаментальных взаимодействий, образования кварков и лептонов, образования протонов и нейтронов. Когда темпе- ратура упала до 109 К, возникли условия для воз- никновения небольшого количества ядер дейте- рия и гелия. Далее, примерно через 300 000 лет после Большого взрыва, когда температура Все- ленной упала до T 3000 К, произошло объедине- ние ядер (протонов, дейтронов и ядер гелия) с
электронами в атомы водорода, дейтерия и гелия. На этом этапе завершилась дозвездная стадия эволюции Вселенной.