нуклеосинтез

Образование химических элементов в
природе и ядерные реакции в звездах.
Панов Игорь Витальевич
ИТЭФ
1. “итоги лекции 1
1.
Распространенность элементов в природе – ss-abundance
2.
Карта ядер –область существующих ядер
3.
Введение в введение в ядерную физику
4.
Звезды (недра, атмосферы) и их смерть создают условия для
нуклеосинтеза
5.
Образование элементов легче “Fe” и тяжелее железа
6.
литература
Лекция 2. образование химических
элементов от гелия до урана
Дозвездный нуклеосинтез
Звездный нуклеосинтез
На Равновесных стадиях эволюции звезд образование элементов до “Fe”;
pp-цикл и CNO-цикл, горение C, O, Si
взрывной нуклеосинтез: “сверхновые”
нуклеосинтез под действием нейтронов:
s- и r-процессы;
обойденные изотопы “bypassed”-nuclei
И.Н.Бекман, ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Плутон
Масса Плутона
0.01195 ·
1024 (Килограмм)
Сатурн
Масса Сатурна
561.80376 ·
1024 (Килограмм)
Солнце
Масса Солнца
1989000.00000 ·
1024 (Килограмм)
Уран
Масса Урана
86.05440 ·
1024 (Килограмм)
Юпитер
Масса Юпитера
1876.64328 · 1024
Simmerer, Sneden 2004
s-, r- processes
H ~ 92%
4He ~ 8%
Z> 2~
1 атом
на 1000
ОБОЙДЕННЫЕ ЯДРА
1.Реакции захвата протона (p,n), (p,  ).
2.Реакции фоторасщепления ( ,n), (  ,2n).
3.Реакции слабого взаимодействия
e+ + (A,Z) ->
(A,Z+1) + ’e
4.Реакции скалывания. Необходимые для этого ускоренные
протоны и -частицы образуются при прохождении ударной
волны в оболочке сверхновой.
5.В ряде работ предложен механизм образования
обойденных ядер под действием интенсивных потоков
нейтрино в результате взрыва сверхновой:
νe+ (A+1,Z-1) -> (A+1,Z)* + e-,
(A+1,Z)* -> (A,Z) + n.
ОБОЙДЕННЫЕ ЯДРА
K¨appeler, F. 1999, Prog. Part. Nucl. Phys. 43, 419
Карта ядер
Proton-drip line
Neutron drip line
2. Происхождение элементов
island of
Superheavy
Elements
114
Number of protons
peak of U
peak of Pb
82
strait
of
radioactivity
sea of instability
50
strait
of
instability
peak of Sn
20
sea of instability
peak of Ca
20
82
126
Number of neutrons
G.N. Flerov, A.S. Ilyinov (1982)
184
Нуклеосинтез в звездах
Образование звезд
Эволюция массивной
звезды (M > 25M☉).
Ядерные реакции,
происходящие в звездах в
условиях термодинамического
равновесия, зависят от массы
звезды. Масса звезды
определяет максимально
достижимую температуру и
плотность в центре звезды.
Полная последовательность
ядерных реакций возможна
лишь в массивных звездах. В
звездах с массой M < 0,1M
гравитационная энергия
недостаточна для нагревания
звездного вещества до
температуры, необходимой
для протекания реакций
горения водорода.
5.
М. Бeрбидж, Г. Бeрбидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 году
указали основные процессы звёздной эволюции, в которых происходит
образование атомных ядер.
К процессам звёздного нуклеосинтеза относятся:
«Горение» водорода (протон-протонный цикл) — образование
4He
CNO-цикл — образование
4He
«Горение» гелия (тройной α-процесс) — образование
12C
Образование элементов, тяжелее гелия:
«Горение» углерода — образование 20Ne , 24Mg
«Горение» кислорода — образование 28Si
, 32S
«Горение» неона — образование 36Ar
,
40Ca
«Горение» кремния — образование 52Fe
,
56Ni
( Равновесный процесс (e-процесс, в котором кремний превращается в более
тяжелые элементы, такие как железо и никель через множество ядерных
реакций в некоторых массивных звезд; равновесный нуклеосинтез в
условиях ядерного статистического равновесия )
α-процесс - нуклеосинтез, происходящий в резульате захвата α-частиц
ядрами лёгких элементов. В звёздах он является основным источником
производства химических элементов от гелия до никеля, а при Ye~0.45
и до изотопов с A~100;
3 -реакция
Горение гелия затруднено тем, что отсутствуют
устойчивые ядра с атомным весом A=8 Однако
слияние трех ядер гелия дает устойчивое ядро с
атомным весом 12:
Поэтому дальнейшая эволюция звезды определяется этой
так называемой 3-альфа-реакцией. Ядра A=8 неустойчивы и
быстро распадаются. Например,
4. Солнце, основные характеристики и
Источник энергии
Возраст
4.5 109 лет
Масса
Mc= 2 1033 г
Радиус
Rc= 7 1010 см
Светимость
Lc= 4 1033 эрг/c
Температура
Епов = 6000K
Tц= 1.3 107K
Средняя плотность
=1.5 г/см3
плотность в центре
ц=150 г/см3
удельное энерговыделение
qc=Lc/Mc = 2 эрг/с.г
G=6.67 10-8 см3/гс2
4.
4. Солнце. Источник энергии
Мейер – падение метеоритов
Джинс – альфа-распад - роль ничтожна
Гельмгольц и Кельвин: гравитационное
сжатие: Eгр=GMc/Rc ~ 2 1015 эрг/г
=> t = Eгр/qc ~ 3 107 лет …
но важно для первичного разогрева
Из теоремы вириала (2Eкин + Eпот = 0) =>
<T> ~ 4 106 K
Эддингтон - аннигиляция
Eан=Mcс2/Mc ~ 9 1020 эрг/г; t=Eан/q =1.5 1015л
Аткинсон (1929),Гамов,Вейцзеккер, Бете –
термояд.реакции: 4p-> 4He + 26 МэВ
t ~ 1011 лет
горение водорода, pp-цикл
1

v
[Эрг/с]
5
-5
Цепочки реакций CNO-цикла
12C
+ p -> 13N + γ
13N → 13C + e+ + ν
e
13C + p → 14N + γ
14N + p → 15O + γ
15O → 15N + e+ + ν
e
15N + p → 12C + 4He
15N
+p→
16O
16O
(Q
(Q
(Q
(Q
(Q
(Q
+γ
+ p → 17F + γ
17F → 17O + e+ + ν
e
17O + p → 14N + α
Цепочка реакций I
17O
+ p → 18F + γ
18F → 18O + e+ + ν
e
18O + p → 15N + α
=
=
=
=
=
=
1.94 МэВ)
1.20 МэВ, T1/2=10 мин)
7.55 МэВ)
7.30 МэВ)
1.73 МэВ, T1/2=124 с)
4.97 МэВ
(Q = 12.13 МэВ),
(Q = 0.60 МэВ),
(Q = 1.74 МэВ, T1/2=66 c),
(Q = 1.19 МэВ).
(Q = 6.38 МэВ),
(Q = 0.64 МэВ, T1/2=110 мин),
(Q = 3.97 МэВ).
Видимо начало newL2:
Вставить N3
дозвездный нуклеосинтез
3. Первичный нуклеосинтез
1) 10 -2c  ~ 1011 n, p, е-, e+, , , в тепловом равновесии; n и
p в одинаковом количестве
2) 10-1с  ~ 3 1010 те же частицы, что и выше, но отношение
числа нейтронов к числу протонов n : p . 3 : 5
3) 1 с  ~ 1010 , , отделяется от остальных частиц; е-, е+
начинают аннигилировать; n : p . 1 : 3
4) 13,8с  ~ 3 109 Начинается образование D и 4Hе; исчезают
е-, е+; есть также свободные n и p
5) 35 мин  ~ 3 108 фиксируется количество D и 4Hе по
отношению к числу протонов и электронов; 4Hе/H ~ 2228% (по массе)
6) 7 105 лет  ~ 3 103 химическая энергия связи становится
достаточной, чтобы образовались устойчивые нейтральные
атомы. Теперь вселенная прозрачна для излучения.
Вещество начинает доминировать над излучением
Дозвездный нуклеосинтез
Протоны и нейтроны ранней Вселенной явились тем
материалом, из которого в дальнейшем возникли атомные
ядра различных химических элементов. T > 1010 K:
В условиях термодинамического равновесия соотношение между числом
нейтронов и протонов будет определяться температурой среды T,
разностью масс нейтрона и протона mn–mp:
атомов водорода 92%, гелия − 8%, и более
тяжелых
ядер − 1 атом на 1000
-4
10
t, c
104
Закончил Л-1 Продолжение 11.03.2013
1 Фаулер, УФН - 1985, т. 145
2 Имшенник, Надёжин. УФН - 1988 т. 156
3 Гинзбург В.Л. УФН. 1996 г. Том 166, № 2. С. 169-183.
4 Крамаровский, Чечев УФН - 199x
5 Вайнберг, 1981, М.Мир. - 3'
***
6 Ленг. Астрофизические формулы. Мир, 1978
7 Лучков, Июдин - ядерная астрофизика, МИФИ:1980
8 Чечев, Крамаровский. 1987 Синтез элементов во вселенной
9 Ядерная астрофизика. – сб. статей под ред. Барнса
10. Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Тутынь И.А.. Нуклеосинтез
во Вселенной. - М., МГУ, 1999.
11. Сивухин Д.В. Т. V. Ат. и ядерная физика. - М.:
2002.
12. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. – М.1980
где и как идет Nucleosynthesis
supernovae
NSM
winds
J.Truran
41
Атомное ядро
Атомное ядро