Геохімія
.pdf
4 |
14N + p -> 15O + |
5 |
15O -> 15N + e+ + e |
6а |
15N + p -> 12C + 4He |
|
далі знову етап №1 |
6б |
15N + p -> 16O + |
7 |
16O + p -> 17F + |
8 |
17F -> 17O + e+ + e |
9 |
17O + p -> 14N + 4He |
|
і далі на етап №4 |
41
|
сотні мільйони років |
1,7 МеВ |
82 секунди |
|
сотні тисяч років |
?
Найповільнішою реакцією в цьому циклі є 14N(p, )15O, оскільки використовується
стабільний 14N. Таким же чином, хоча в цій реакції використовуються і 12C і 13C, 12C витрачається швидше, так що цей цикл повинен провокувати зростання 13C/12C. В обох
процесах відбувається перетворення H в He (при температурі 8*106К - за іншими оцінками
- від 5*106К до 5*107К)
Тепло вироблене цими реакціями врівноважує гравітаційний колапс, і зірки де панують дані процеси утворюють головну послідовність (див. рис. W10.1), їх існування контролюється наявністю водню, а час життя залежить, як ми вже бачили, від маси зірки.
2. Вигорання He
Як тільки в ядрі зірки буде вичерпаний водень, синтез припиняться і порушується
баланс між гравітаційним стискуванням (колапсом) і тепловим розширенням. В результаті
руйнується (стискується, колапсує) внутрішня частина зірки, температура якої підіймається. Зростає зовнішня поверхня і синтез починається в оточуючих ядро оболонках що складаються на цей час з гелію. Починається фаза червоного гіганта. Якщо зірка має достатню кількість маси щоб досягнути температур порядку 108 K і густини
107 108 кг/м3 в середині ядра, то може розпочатися “горіння гелію”:
4He+4He->8Be+ ; 8Be+4He->12C+ ; 
8Be( , )12С; 8Be( , )12С а також 3 ->12C 
Оскільки період піврозпаду 8Be складає всього 2,6*10-16с, то 3 ядра гелію повинні зіштовхнутися майже одночасно, а відтак щільність має бути дуже високою. Гелієве горіння в фазі червоного гіганту продукує також кисень і, в дещо менших кількостях, 20Ne і 24Mg. При цих (і описаних вище) реакціях неможливе утворення стабільних ядер Li, Be, B як кінцевих продуктів реакції. Ці елементи не синтезуються в зірках, оскільки є нестійкими за температур що панують в ядрах зірок, і витрачаються швидше ніж синтезуються.
З появою у внутрішній частині зірки стабільних ядер 12C стають можливими реакції:
12C( , )16O, з виділенням енергії 7,2 МеВ;
16O( , )20Ne, з виділенням енергії 4,7 МеВ;
20Ne( , )24Mg, з виділенням енергії 7,2 МеВ;
Народження ядер з більшим масовим числом в даному випадку (при температурі 108К) неможливе у зв’язку із швидким зростанням кулонівського бар’єру. Водночас, завдяки існуванню (цикл Бете) певної кількості ядер 14N, обумовлює можливість утворення (по механізму захоплення альфа-часток) ядер 18O і 22Ne.
3. ГОРІННЯ ВУГЛЕЦЮ (ПОДАЛЬШЕ ГОРІННЯ)
ІСНУЄ КІЛЬКА ВАРІАНТІВ ЕВОЛЮЦІЇ ЗІРОК ПІСЛЯ ЗАВЕРШЕННЯ ПРОЦЕСІВ ГОРІННЯ ГЕЛІЮ В ЯДРІ. ЩІЛЬНІСТЬ УПАКОВКИ І ТЕМПЕРАТУРИ, НЕОБХІДНІ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ ПОДАЛЬШИХ ЯДЕРНИХ РЕАКЦІЙ, НЕ МОЖУТЬ БУТИ ДОСЯГНУТІ ЗІРКАМИ МАЛОЇ МАСИ (ПОДІБНИМИ ДО СОНЦЯ), ОСКІЛЬКИ ЇХ ГРАВІТАЦІЙНА
42
СИЛА ЗАМАЛА ДЛЯ ПОДОЛАННЯ СИЛ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ВІДШТОВХУВАННЯ НАСТУПНИХ (ЗА ГЕЛІЄМ) ЕЛЕМЕНТІВ. ТАКІ ЗІРКИ ПІСЛЯ ФАЗИ ЧЕРВОНОГО ГІГАНТА ПЕРЕТВОРЮЮТЬСЯ НА БІЛИХ КАРЛИКІВ. ЗІРКИ БІЛЬШОЇ МАСИ (МАСА ПЕРЕВИЩУЄ СОНЯЧНУ НЕ МЕНШ ЯК В 4-5 РАЗІВ), ЗНОВУ КОЛАПСУЮТЬ І В НИХ ПОЧИНАЮТЬСЯ ПРОЦЕСИ ГОРІННЯ ВУГЛЕЦЮ (ТЕМПЕРАТУРА МАЄ ДОСЯГТИ 0,6 1,6*109К, А ГУСТИНА –5*108 КГ/М3) ТА КИСНЮ (ТЕМПЕРАТУРА ПОНАД 1,6 2,0*109К). ПРИ ЦЬОМУ ЗІРКИ З ПРОМІЖНИМИ ВЕЛИЧИНАМИ МАСИ (4 8 MSUN) МОЖУТЬ В ПРОЦЕСІ ВУГЛЕЦЕВОГО ГОРІННЯ БУТИ ЦІЛКОМ ЗРУЙНОВАНИМИ. ДЛЯ БІЛЬШ МАСИВНИХ ЗІРОК (ПОНАД 8 MSUN), ЕВОЛЮЦІЯ ПРОДОВЖУЄТЬСЯ З ЕКСПОНЕНТНОЮ ЗАЛЕЖНІСТЮ ГУСТИНИ ВІД ТЕМПЕРАТУРИ (ДИВ. РИС.10.3) В РЕАКЦІЯХ ТИПУ:
12C(12C,P)23NA 12C(12C, + )20NE 16O(12C,4P+ )24NE
АНАЛОГІЧНИМ ЧИНОМ, СФОРМОВАНИЙ НА ПОПЕРЕДНІХ ЕТАПАХ 14N ПЕРЕТВОРЮЄТЬСЯ В 22NE. ВИВІЛЬНЕНІ ПРОТОНИ ПОГЛИНАЮТЬСЯ ЛЮБИМ ВІЛЬНИМ 12C: 12C(P, )13N ->13C+E++ E. В ЦИХ ПРОЦЕСАХ (А ТАКОЖ ПРИ ПОДАЛЬШОМУ ГОРІННІ НЕОНУ) ЗА РАХУНОК ПРИЄДНАННЯ АЛЬФА-ЧАСТОК ФОРМУЄТЬСЯ ВЕЛИКА КІЛЬКІСТЬ ІНШИХ ЯДЕР: ЗОКРЕМА З РАНІШЕ УТВОРЕНИХ ЯДЕР 12C, 14N, 16O, 20NE ТА НОВОУТВОРЕНИХ АЛЬФА-ЧАСТОК (НЕОБХІДНА ТЕМПЕРАТУРА БЛИЗЬКО 1,6*109К) УТВОРЮЄТЬСЯ ПОСЛІДОВНИЙ РЯД ЕЛЕМЕНТІВ: 16O; 20NE; 22NA; 24MG; 28SI; 32S; 36CL; 40CA; 44SC; 48TI.
Рис. 2.6 (W 10.3) – Еволюція ядра зірки величиною в 25 сонячних мас
(за Bethe і Bethe Brown, 1985).
Зверніть увагу, що час який витрачається на цикл в кожній з фаз залежить від маси зірки: масивні зірки розвиваються більш стрімко.
ЯКЩО ЗІРКА СУТТЄВО ЗБІДНЕНА КИСНЕМ І, ВІДТАК, МАЄ ВІДНОСНО РОЗРІДЖЕНІ ЗОВНІШНІ ОБОЛОНКИ, ТО ЧЕРВОНИЙ ГІГАНТ МОЖЕ ЗРУЙНУВАТИСЯ НА ПРОТЯЗІ 104 РОКІВ І СФОРМУВАТИ СИНІЙ ГІГАНТ. САМЕ В
43
СИНЬОМУ ГІГАНТІ ФОРМУЮТЬСЯ ЕЛЕМЕНТИ З МАСОВИМ ЧИСЛОМ ПОНАД 28:
24NE( , )28SI ТОЩО.
СЛІД ЗАЗНАЧИТИ, ЩО НА ОСТАННІХ СТАДІЯХ РОЗВИТКУ ВЕЛИКИХ ЗІРОК ЗНАЧНА КІЛЬКІСТЬ ЕНЕРГІЇ ВИПРОМІНЮЄТЬСЯ З НЕЙТРИНО, ЯКІ ФОРМУЮТЬСЯ ПРИ ЕЛЕКТРОННО-ПОЗИТРОННИХ АНІГІЛЯЦІЯХ В ЯДРІ.
4. РІВНОВАЖНИЙ ПРОЦЕС (E-ПРОЦЕС)
НАДАЛІ РЕАКЦІЇ СИНТЕЗУ В ЯДРІ ВІДБУВАЮТЬСЯ НА БАЗІ КРЕМНІЮ. ЗА ТЕМПЕРАТУРИ 1 4*109К І ГУСТИНІ РЕЧОВИНИ В ЯДРІ БЛИЗЬКО 1010 КГ/М3 ВІДБУВАЄТЬСЯ ПРОЦЕС СИЛІКОНОВОГО ГОРІННЯ, ЯКИЙ НАЗИВАЮТЬ ТАКОЖ РІВНОВАЖНИМ ПРОЦЕСОМ (EQUILIBRIUM - E-ПРОЦЕС). В ЦЬОМУ ПРОЦЕСІ ВІДБУВАЄТЬСЯ РІВНОВАЖНИХ РЕАКЦІЙ ТИПУ:
28Si+ ;<=>24Ne+4He; |
28Si+4He->32S+ ; |
32S+4He->36Ar+ ; |
ЗАВДЯКИ ЦИМ РЕАКЦІЯМ УТВОРЮЮТЬСЯ ЕЛЕМЕНТИ З МАСОВИМИ
ЧИСЛАМИ 32,36,40,44,48,52 І 56, ЗОКРЕМА ЕЛЕМЕНТИ ОБЛАСТІ "ЗАЛІЗНОГО ПІКУ", ТОБТО V50, CR52, MN54, FE56, CO56. (ОСКІЛЬКИ В ЗАЛІЗА САМА ВИСОКА ПИТОМА
ЕНЕРГІЯ ЗВ’ЯЗКУ, ТО ВСІ НАСТУПНІ РЕАКЦІЇ Є ЕНДОТЕРМІЧНИМИ, ТОБТО ВИМАГАЮТЬ ДОДАТКОВОЇ ЕНЕРГІЇ)
ОДНІЄЮ З ОСОБЛИВОСТЕЙ ЦІЄЇ ФАЗИ РОЗВИТКУ Є ТЕ ЩО МОЖУТЬ ПРОДОВЖУВАТИСЬ ІНШІ РЕАКЦІЇ СИНТЕЗУ (ЛЕГШИХ ЯДЕР). ЕЛЕМЕНТИ ГРУПИ ЗАЛІЗА МОЖУТЬ БУТИ СИНТЕЗОВАНІ ТАКОЖ В РЕЗУЛЬТАТІ E-ПРОЦЕСУ В ЗІРКАХ ТИПУ 1-СУПЕРНОВА (СТАДІЯ ПЕРЕД УТВОРЕННЯМ БІЛИХ КАРЛИКІВ ДЛЯ ЗІРОК МАСОЮ 3-10 СОНЯЧНИХ).
5.S-ПРОЦЕС (SLOW - ПОВІЛЬНИЙ)
ВІНШИХ, БІЛЬШ ПІЗНІХ ЗІРКАХ, МІСТИЛАСЬ ПЕВНА КІЛЬКІСТЬ ВАЖКИХ ЕЛЕМЕНТІВ, ЩО СТВОРЮВАЛО МОЖЛИВОСТІ РЕАЛІЗАЦІЇ ІНШИХ ПРОЦЕСІВ НУКЛЕОСИНТЕЗУ. ТАКИМ ПРОЦЕСОМ Є ПОВІЛЬНИЙ ЗАХВАТ НЕЙТРОНІВ (S-
ПРОЦЕС) - ЛАНЦЮГОВА РЕАКЦІЯ З ЗАХОПЛЕННЯМ НЕЙТРОНІВ, ДОСТАТНЬО ПОВІЛЬНА ДЛЯ РОЗПАДУ ПЕВНОЇ КІЛЬКОСТІ БЕТА-АКТИВНИХ (P->N+E+; N ->P+E-;
АБО N->P+E-+ E+E;) ЯДЕР ПЕРЕД ЧЕРГОВИМ ЗАХОПЛЕННЯМ НЕЙТРОНУ, В РЕЗУЛЬТАТІ ЯКОГО НАВІТЬ В ЧЕРВОНИХ ГІГАНТАХ УТВОРЮЮТЬСЯ ЯДРА ДО 99TC ВКЛЮЧНО. НЕОБХІДНІ ДЛЯ ТАКОЇ РЕАКЦІЇ НЕЙТРОНИ ПРОДУКУЮТЬСЯ В ПРОЦЕСАХ СИНТЕЗУ:
13C(4HE,N)16O |
22NE(4HE,N)25MG 17O(4HE,N)20NE |
Цей процес відігравав важливу роль в синтезі елементів речовини Сонячної системи, однак його можливості суттєво обмежені тим що між двома захватами проходить достатньо тривалий час (1 нейтрон на тисячу років), тож можуть формуватися лише стабільні ядра (неможливі нестабільні ядра в якості проміжних продуктів реакції).
44
РИС. 2.7 (W10.4) – СХЕМАТИЧНА ДІАГРАМА СТРУКТУРИ ЗІРКИ НА ПОЧАТКУ СТАДІЇ СУПЕРНОВА.
6. R - ПРОЦЕС (RAPID - ШВИДКИЙ) - ШВИДКА (<100С) ЛАНЦЮГОВА РЕАКЦІЯ З ЗАХОПЛЕННЯМ НЕЙТРОНІВ, В РЕЗУЛЬТАТІ ЯКОЇ УТВОРЮЮТЬСЯ ЯДРА U, TH, NP, PU - АЖ ДО LR. ОСОБЛИВІСТЬ ЦІЄЇ РЕАКЦІЇ В ТОМУ ЩО ПОТІК НЕЙТРОНІВ ВИСОКОЇ ЕНЕРГІЇ, НЕОБХІДНИЙ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРОЦЕСУ ФОРМУЄТЬСЯ ПРИ ВИБУХУ ЗІРОК (ВИБУХ Є ПРАКТИЧНО НЕМИНУЧИМ ПІСЛЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ БІЛЬШОЇ ЧАСТИНИ ЯДРА В ЗАЛІЗО). (ДИВ РИС.2.8 – W.10.6). В РЕЗУЛЬТАТІ ЦЬОГО ПРОЦЕСУ УТВОРЮЮТЬСЯ ЯДРА З КІЛЬКІСТЮ НЕЙТРОНІВ БЛИЗЬКИХ ДО МАГІЧНИХ ЧИСЕЛ 50,82,126 – SR-ZR, BA, PB). СИНТЕЗ ЗАВЕРШУЄТЬСЯ НА МАГІЧНИХ ЯДРАХ (ВОНИ Є НАЙСТІЙКІШИМИ).
СЛІД ЗАЗНАЧИТИ, ЩО МАКСИМАЛЬНОЮ ПОШИРЕНІСТЮ СЕРЕД ВАЖКИХ ЯДЕР ХАРАКТЕРИЗУЮТЬСЯ ТІ З НИХ ЯКІ Є ПРОДУКТАМИ ОДНОЧАСНО І S- І R- ПРОЦЕСІВ: ТАК ПОШИРЕНІСТЬ 176YB МАЙЖЕ ВТРИЧІ ВИЩА ЗА ПОШИРЕНІСТЬ 174YB (31,8% ПРОТИ 12,7%), ОСКІЛЬКИ ПЕРШИЙ З НИХ СИНТЕЗУЄТЬСЯ ОБОМА ПРОЦЕСАМИ, А ДРУГИЙ - ЛИШЕ R-ПРОЦЕСОМ.
ОКРЕМО ЗАУВАЖИМО ЩО ПРОДУКТИВНІСТЬ ЗІРКИ ПО СИНТЕЗУ ВАЖКИХ ЕЛЕМЕНТІВ ДУЖЕ ЗАЛЕЖИТЬ ВІД ЇЇ МАСИ – ЧИМ БІЛЬША МАСА, ТИМ БІЛЬША ЇЇ КІЛЬКІСТЬ ВИТРАЧАЄТЬСЯ НА СИНТЕЗ ВАЖКИХ ЯДЕР. ТАК, ЗІРКА З МАСОЮ 60
45
СОНЯЧНИХ ВИТРАЧАЄ НА УТВОРЕННЯ ВАЖКИХ ЕЛЕМЕНТІВ МАЙЖЕ 40% СВОЄЇ МАСИ.
7.P - ПРОЦЕС. РЕАКЦІЇ ТИПУ (P, ) І ( , N) ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ БЛИЗЬКО 109K З ВЖЕ ІСНУЮЧИМИ ВАЖКИМИ ІЗОТОПАМИ, В РЕЗУЛЬТАТІ ЯКИХ УТВОРЮЮТЬСЯ ДЕЯКІ РІДКІСНІ БАГАТІ ПРОТОНАМИ ВАЖКІ ІЗОТОПИ. ВІРОГІДНІСТЬ РЕАКЦІЇ
НЕЗНАЧНА У ЗВ’ЯЗКУ З НЕОБХІДНІСТЮ ПОДОЛАННЯ КУЛОНІВСЬКОГО БАР’ЄРУ (ВІДСТАНЬ ЗАХОПЛЕННЯ 10-16 М).
8.x - процес. (під дією космічного випромінювання) Він необхідний для
утворення ядер дейтерію, Li, Be і B, які дуже нестійкі в умовах зоряних
надр.
Запропоновані, згідно "теорії рівноваги", рівняння добре пояснюють поширеність рідкісноземельних елементів з Z=60-70. Для елементів з Z>70 розповсюдженість в природі вища за розрахункову. Це обумовлено тим, що рівняння не враховують існування атомних ядер що не збереглися, а також цілого ряду ядерних реакцій (ядро-електрон, спонтанний розпад ядер з великим Z).
Які існують докази реальності перелічених вище процесів:
-для багатьох зірок характерні перетворення H -> He;
-в зірках невеликих розмірів синтезуються легкі елементи початку періодичної системи;
-важкі атомні ядра утворюються на певних (катастрофічних) етапах життя гігантських наднових зірок;
-скоріш за все в моменти вибуху гігантських наднових синтезуються ядра надважких елементів типу 98Cf254 (на користь цього свідчить і фіксація 98Cf254 в продуктах вибуху водневих бомб).
За Тейлором, в залежності від маси зірки (в долях від Сонячної):
0,08<m<0,3 ядерні реакції відсутні
0,3<m<0,7 "горіння" H (із повільним синтезом He)
0,7<m<5,0 "горіння" H, He (із повільним синтезом He, C)
5,0<m<30 "горіння" H, He, C (із повільним синтезом He, C та деяких інших легких елементів)
m>30 всі реакції ядерного синтезу що вивільняють енергію
В зірках. маса яких в 10-50 раз більша за Сонячну (наприклад червоних гігантах) H "вигорає" швидше і зірка, вичерпавши ядерну енергію, починає стискатися, при цьому густина зіркової речовини і її температура починають рости. В цих умовах 3 ядра He можуть об'єднатися в ядро 66C12. В надрах цих же зірок утворюються більш важкі елементи - O, Ca, Mg, ... аж до Fe.
Утворення елементів, важчих за Fe, відбувається в багатому нейтронами зірковому середовищі. Джерелами нейтронів є вибухи зірок. Поглинання ядрами Fe нейтронів з наступним бета-розпадом призводить до формування Co, Ni і більш важких елементів (аж до U). Різноманітність елементів визначається не тільки кількістю нейтронів, але й швидкостями їх приєднання до ядер атомів.
Б) Елементи утворюються в дозірковий період.
Одним з перших уявлення про те що елементи утворюються в дозірковий період висловив Г.А.Гамов (1948): В минулому речовина Всесвіту мала дуже велику густину і буда дуже гарячою,
46
в результаті гігантського вибуху цієї надгустої речовини мільярди років тому і утворилися галактики, зірки тощо.
Ця концепція має назву "гарячий Всесвіт" і була розвинута Х.А.Бете в теорії нейтронного захвату. Згідно останньої, елементи виникли в певний етап космічного розвитку матерії в результаті нерівноважних ядерних процесів:
-першими виникли легкі ядра і їх кількість прогресивно зростала;
-коли температура середовища опустилась до 109-1010К почався захват ядрами нейтронів, який супроводжувався бета-розпадом ядер, що знижувало надлишок енергії ядра.
Згідно цієї теорії розповсюдженість (n) ядра з масовим числом А=i в часі обраховується за формулою:
dni/dt = f(t) * [ni-1* i-1 - ni* i];
де i - ефективний поперечний перетин (ЕПП) ядер (барн, 1б=10-28 м2), а ni - концентрація ядер з масовим числом i, f(t) - функція, яка характеризує зміну густини потоку нейтронів з часом.
Знаючи, з експериментальних даних, що логарифм ЕПП лінійно зростає у ядер з атомною масою від 1 до 100, а потім залишається постійним, наведену формулу можна трактувати так.
Похідна числа атомів з атомною масою A=i в часі складається з двох членів:
-перший відповідає зростанню числа атомів з A=i, яке відбувається за рахунок приєднання
нейтронів до атомів з A=i-1. Він позитивний, пропорційний до ni-1, ЕПП i-1 елемента з A=i-1 та до потоку нейтронів f(t);
-другий, від'ємний, відповідає зменшенню числа атомів з A=i внаслідок поглинання їх ядрами нейтронів і перетворення в атоми з A=i+1.
Таким чином, крива логарифму відносної розповсюдженості елементів подібна до кривої логарифму ЕПП, і непогано узгоджується з загальними емпіричними даними про розповсюдженість елементів в природі, але не пояснює: відсутності ядер з A=3 та A=8, існуючого співвідношення між H та He, низької розповсюдженості Li, Be, B.
Нове "дихання" ця теорія отримала після відкриття "космічного шуму" (коливання з довжиною хвилі 7,3 см) і набуття популярності припущення про "вибух" Всесвіту близько 15-20 млрд. років тому.
Сучасне бачення, яке має назву Модель "гарячого" Всесвіту (полігенетична теорія Барбіджа, Барбіджа, Фаулера та Хойла - Burbidge, Burbidge, Fowler and Hoyle), об'єднало елементи обох гіпотез і, в загальних рисах, таке:
-в перші моменти після "Великого вибуху" (що відбувся, як вважається 14-20 млрд.років тому) за дуже високих температур не могли існувати навіть ядра атомів, а була лише плазмоподібна суміш фотонів, нейтрино та деяких інших елементарних часток;
-з початком розширення густина речовини зменшувалась обернено пропорційно t2 або l3, а щільність випромінювання - обернено пропорційно l4. Тому, якщо в момент t=0 густина і температура дорівнювали безкінечності, то вже в t=0,000001с температура складала 1013К,
в t=1с - 1010К, в t=1000с - 3*108К;
-коли температура впала до 1011К в плазмі, крім фотонів, нейтрино, e+ і e-, які виникли раніше, утворилась велика кількість протонів та нейтронів у співвідношенні 5:1;
-за температури 1010К почалися рівноважні реакції: p+e-<=>n+ ; і n+e+<=>p+ ;
1H e n ν; |
and |
n e 1H ν; |
Звісно існує питання, чому матерія існує взагалі, адже за законами симетрії мало б бути утворено рівне число протонів і антипротонів, які й анігілювали б у реакції: p+p~=>2 . (До речі, випромінені
47
таким чином нейтрино та гама-кванти склали основу того що нині називають “первісним випромінюванням”). За сучасними уявленнями, дисбаланс між кількістю протонів і антипротонів
обумовлений силами слабких взаємодій. Згідно цієї ж теорії період піврозпаду протону має складати 1032, що ще не перевірено.
-за температури 109К (через 3 хвилини) почались реакції p+n=>11H2+ , з двох ядер дейтерію утворювався тритій (12H3) або 21He3, а з дейтерію і тритію - 22He4.
2H+n=>3H+ ;
2H+n=>3He+ -+ ; 3He+n=>4He+ ;
3He+4He=>7Be+ ; 7Be+ -=>7Li+ ;
Незабаром після охолодження Всесвіту до температур нижчих за 109K ядерні реакції стали неможливими. Щезли (в значимих кількостях) вільні нейтрони, які є нестійкими за межами ядра (період напіврозпаду 10 хвилин).
В результаті, дозірковий газ виявився на 75% складеним з 10H1 та на 25% - з 22He4, в невеликих кількостях були присутні 11H2, 21He3, 34Li7(співвідношення 7Li/H=10-9), 45Be9. (Можливо, що дейтерій в земній корі успадковано з тих часів). Формування ядер важчих за літій було ускладнене нестійкістю ядер з масовими числами 5 і 8.
Приблизно через 700,000 років, Всесвіт охолодився приблизно до 3000K, що є достатньо низькою температурою для формування атомів (закріплення електронів на орбітах довкола ядер).
Таким чином, перші 15 хвилин після "великого вибуху" і є часом нуклеосинтезу. В той же час утворювались згущення речовини, з яких і формуватимуться згодом зірки. В надрах останніх, за рахунок різноманітних процесів і утворилася решта елементів.
Протягом певного часу після Великого вибуху, Всесвіт був більш-менш однорідним, гарячим газом. Термін "менш" характеризує нестабільність стану, оскільки неминуче (відповідно до законів гідродинаміки), неоднорідності в газі розвивалися. Ця негомогенність збільшувалась під дією гравітаційних сил та колапсу. Так були утворені протогалактики (можливо через 0.5 млрд років після великого Вибуху). Нестабільність існувала і в середині протогалактик, які руйнувалися з утворенням протозірок. У випадку коли густина згустку досягала 6000 кг/м3 а температура - від 10 до 20 мільйонів кельвінів, розпочався нуклеосинтез у внутрішній частині зірок: водневе горіння, а далі гелієве, вуглецеве тощо.
Стисло підсумовуючи зауважимо, що полігенетична гіпотеза передбачає існування чотирьох фаз нуклеосинтезу:
-космогенічний (космологічний) нуклеосинтез, який відбувся "на початку Всесвіту", під час якого сформувалися H, He, і певна кількість Li (те що гелій є головним продуктогм нуклеосинтезу у внутрішніх частинах зірок головної послідовності не надто сильно змінило його кількість у Всесвіті);
-зоряний нуклеосинтез, під час якого формуються легкі елементи (до Si) і, частково (у внутрішніх частинах великих зірок на завершальних етапах їх еволюції), важкі елементи (за виключенням Li і Be);
-"вибуховий" нуклеосинтез, який забезпечує синтез решти елементів, відбувається тоді коли як великі зірки вичерпують ядерне паливо у своїх внутрішніх частинах і вибухають створюючи грандіозні природні видовища - наднові зірки (supernova);
-галактичний нуклеосинтез, який відбувається безперервно в міжзоряному просторі при взаємодії матерії і космічних променів (саме таким чином виробляються Li і Be).
Цілком вірогідно також, що більша частина газу розширюючогося Всесвіту заповнює простір між галактиками і лише незначна його частка перетворилась в галактики і зірки. Якщо густина
48
космічного міжгалактичного газу досягне >10 протонів на м3, то сили тяжіння зупинять розширення Всесвіту і через 10-20 млрд.років може розпочатись процес стискання Всесвіту.
49
3.3 Походження Сонячної системи. Основні риси хімічного складу метеоритів, планет, сонця, зірок.
Сонце - одна із зірок нашої галактики (Чумацького Шляху), загальна маса якої складає близько 1041 кг, діаметр - близько 30 кілопарсеків (понад 100000 світлових років), товщина - 4 кілопарсеки (понад 12000 світлових років). При цьому 95-98% маси галактики припадає на зірки (понад 100 млрд. зірок, в середньому на 1 зірку припадає обсяг простору в 8 кубічних парсеків), до 4-5 % - на міжзірковий газ (густина якого складає 10-22 - 10-21 кг/м3), перші частки відсотків - на міжзірковий пил (радіус до 1*10-6 м). Сонце розташоване на відстані близько 10 кілопарсеків від центру галактики, швидкість обертання навколо центру тут складає близько 250 км/с, тобто повний оберт навколо центру Сонце робить за 180 млн. років.
Астрономічна одиниця (а.о. - antronomical unit - AU) 1 AU=1,49598*1011 м Світовий рік (light-year) l ly =9,4605*1015 м = 6,35*104 AU
Парсек (паралакс-секунда - parsec) 1 пк (pc) = 3,0857*1016 м = 2,07*105 AU = 3,2598 ly
В найповніше розробленій теорії утворення Сонячної системи лауреатів Нобелівської премії Х. Альвена та Г. Аррентуса її еволюція виглядає наступним чином:
1)утворення Сонця в результаті аккреції з висхідної (первинної, розпеченої) хмари Сонячної системи. Первісна протосонячна газо-пилова туманність 4,7 млрд років тому попала в сферу дії наднової зірки. В виведеній з рівноваги туманності виникла гравітаційна нестабільність і розпочались процеси впорядкування, аккреції речовини (як “реліктової”, так і тої що надійшла від наднової, так і тої що утворилася в результаті впливу наднової). При гравітаційному колапсі виділяється енергія, що обумовлює підвищення температури і густини газу. При цьому зростання
тиску у внутрішній частині спричиняє припинення нестабільного стискування. Зростаюча температура досягає критичної величини (5*106К) за якої розпочинаються термоядерні реакції в середині молодої зірки, а виділена енергія частково випромінюється з поверхні (не пізніше як 4,7- 4,6 млрд років тому). Таким чином, на першій стадії стискування швидко зростає яскравість зірки, але температура поверхні залишається відносно стабільною. На наступному етапі стискування продовжується (в тому числі за рахунок вигорання водню в середині зірки), але з меншою швидкістю, при цьому зростають і світимість і температура на поверхні. В ході еволюції відмічається багато стадій зростання температури, які супроводжуються стискуванням ядра при збереженні балансу енергії (шляхом зміни загального об’єму та світимості зірки).
2)розташування газу і пилу, які заповнювали середовище навколо центрального намагніченого тіла, в тих областях простору, де пізніше пройде аккреція груп планет і супутників. Гіпотетичний склад хмари за О.Грінвудом: гази (H і He) - понад 98%; лід (C, N, O, S, Cl, Ne, Ar) – 1,5%; кам’яниста речовина (оксиди Na, Mg, Al, Si, Ca, Fe, Ni) – 0,5%.
3)переніс моменту кількості руху від центральних тіл до навколишнього середовища, в результаті чого частини пилу почали рухатись по кеплеровським орбітам відносно Сонця і протопланет;
4)аккреційна еволюція зконденсованих пилуватих частинок, які рухаються по кеплеровським орбітам і утворюють планетезималі, що постійно зростають в розмірах. Планетезималі - зародки тіл, які існують в Сонячній системі нині. Згідно встановлених за законами термодинаміки, послідовностей конденсації твердої речовини зі зниженням температури і тиску при аккреції спочатку формувалось металічне ядро, на котре пізніше почали осідати силікатні частинки. З цих
частинок утворилась мантія (гетерогенна аккреція). За розрахунками Кларка становлення Землі відбулось дуже швидко – менш як за 105 років. Вважається також що більш віддалені зовнішні планети сконденсувались швидше і за нижчих температур. Процес формування планет завершився не пізніше як 4,6-4,5 млрд років тому.
5)етап повільної (3-4*109 років) еволюції новоутворених планет, астероїдів і супутників, результатом якої є нинішня Сонячна система.
50
Основна маса речовини Сонячної системи була синтезована 4,6 млрд. років назад, хоча має місце й давніший матеріал.
На вибух наднової зірки, який багато дослідників вважають
“поштовхом” до конденсації газо-пилової хмари, покладається також
“відповідальність” за утворення радіоактивних елементів.
СОНЦЕ
Сонце - жовтий карлик, маса якого 1,99*1030 кг, а радіус – 6,96*108 м. Видима нами сонячна поверхня є непрозорою нижньою частиною атмосфери Сонця і називається фотосферою, її діаметр - 1,5 млн. км, а товщина 100-300 км. Вище від фотосфери - хромосфера ( 14000 км), а ще вище - сонячна корона (товщина дорівнює кільком сонячним радіусам). В центрі Сонця (де власне й
відбуваються ядерні реакції, 1/10 діаметра) температури складають близько 107К а тиск досягає
1016Па.
При температурі <15 млн.К синтез в надрах Сонця відбувається за рахунок протон-протонного циклу (див. Походження елементів), що дає
80% утворення Не. Решта 20% отримуються в результаті послідовного циклу реакцій:
2He4+2He3 4Be7+ 4Be7+e- 3Li7+ e; E = 0,86 МеВ 3Li7+H1 2He4+2He4
тобто енергія нейтрино в цьому випадку значно більша ніж в протон-протонному циклі (0,42 Мев).
При t>15 млн.К утворення He йде за рахунок вуглецево-азотного циклу
(див. Походження елементів).
а) протон-протонної реакції:
|
|
1H1 + 1H1 -> 1H2 + e+ + e; E =0,42 МеВ |
|||
|
|
1H1 + 1H1 -> 2H3 + ; |
|
|
|
|
|
2H3 + 2H3 -> 2He4 + 1H1 + 1H1; |
|
|
|
Б) АБО ВУГЛЕЦЕВО-АЗОТНОГО ЦИКЛУ (ЦИКЛ БЕТЕ): |
|
|
|||
№ етапу |
Реакція |
Виділення енергії |
|
Тривалість реакції |
|
1 |
C12 + p ->N13 + |
|
|
близько 10 млн.років |
|
2 |
N13 -> C13 + e+ + e |
<1,2 МеВ |
|
7 хвилин |
|
3 |
C13 + p -> N14 + |
|
|
перші мільйони років |
|
4 |
N14 + p -> O15 + |
|
|
сотні мільйони років |
|
5 |
O15 -> N15 + e+ + e |
1,7 МеВ |
|
82 секунди |
|
6 |
N15 + p -> C12 + He4 |
|
|
сотні тисяч років |
|
|
далі знову етап №1 |
|
|
|
|
Температура Сонячної речовини падає в міру наближення до поверхні і в фотосфері складає 6*103К, після чого знову зростає до 105К в верхній частині хромосфери і 106К в короні. Корона і хромосфера є основним джерелом короткохвильового та радіовипромінювання, що ж до ультрафіолетового, видимого та інфрачервоного випромінювання то їх джерелом є фотосфера. 1 кг сонячної речовини за рік продукує 6*106 Дж/рік, а все Сонце - 4*1026 Дж/с, при цьому на Землю припадає лише частка в 2*10-9. На межі земної