Astronet > Yadernye reakcii

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Na saite

Astrometriya

Astronomicheskie instrumenty

Astronomicheskoe obrazovanie

Astrofizika

Istoriya astronomii

Kosmonavtika, issledovanie kosmosa

Lyubitel'skaya astronomiya

Planety i Solnechnaya sistema

Solnce

Yadernye reakcii

1. Vvedenie
2. Sposoby zapisi yadernyh reakcii
3. Energeticheskii vyhod yadernoi reakcii
4. Sechenie i skorost' yadernoi reakcii
5. Radius deistviya yadernyh sil, kulonovskii i centrobezhnyi energeticheskie bar'ery
6. Mehanizmy yadernyh reakcii. Termoyadernye reakcii
7. Staticheski ravnovesnye yadernye reakcii
8. Termoyadernaya evolyuciya zvezd
9. Zaklyuchenie

1. Vvedenie

Ya.r. nazyvayutsya processy prevrasheniya atomnyh yader (Ya) pri vzaimodeistvii ih mezhdu soboi i s elementarnymi chasticami.

V astrofizike Ya.r. rassmatrivayutsya v osnovnom v dvuh aspektah - kak istochnik energii zvezd i kak prichina obrazovaniya i izmenenii soderzhaniya him. elementov vo Vselennoi v celom i v otdel'nyh ee strukturnyh elementah (galaktikah, zvezdah, mezhzvezdnoi srede i t.d.). Ogromnye zapasy vnutriyadernoi energii postepenno osvobozhdayutsya posredstvom Ya.r. v nedrah zvezd i obespechivayut ih dlitel'noe sushestvovanie v vide pochti ne menyayushihsya so vremenem (stacionarnyh) gidrostaticheski ravnovesnyh tel. Ya.r. igrayut opredelyayushuyu rol' i na nestacionarnyh stadiyah evolyucii zvezd, v t.ch. pri vspyshkah novyh i sverhnovyh zvezd. Na vseh etih stadiyah zvezdnoi evolyucii posredstvom Ya.r. sinteziruetsya bol'shinstvo vstrechayushihsya v prirode tyazhelyh elementov.

Ishodnye dannye o Ya.r. astrofizika beret iz eksperimental'noi i teoreticheskoi yadernoi fiziki. Ya.r. opredelyayutsya tremya iz izvestnyh chetyreh fundamental'nyh vzaimodeistvii - sil'nym, el.-magn. i slabym (lish' gravitac. vzaimodeistvie ne imeet neposredstvennogo otnosheniya k Ya.r.). S etim svyazano gromadnoe raznoobrazie Ya.r.

Naibol'shii interes dlya astrofiziki predstavlyayut reakcii (R) sliyaniya Ya, inache govorya, sintez tyazhelyh Ya iz bolee legkih Ya i elementarnyh chastic. V processah sinteza vydelenie energii proishodit vplot' do obrazovaniya yader Fe i Ni, k-rye imeyut naibol'shuyu energiyu svyazi v raschete na odin nuklon. Poyavlenie na opredelennyh stadiyah evolyucii zvezd svobodnyh neitronov i zahvat ih Ya elementov gruppy zheleza privodit k sintezuu eshe bolee tyazhelyh atomnyh Ya, vplot' do Ya transuranovyh elementov.

Na zaklyuchitel'nyh stadiyah evolyucii dostatochno massivnyh zvezd, kogda temp-ra v ih nedrah stanovitsya ochen' vysokoi, skorosti Ya.r. uvelichivayutsya nastol'ko, chto pochti kazhdomu elementarnomu aktu sinteza k.-l. Ya sootvetstvuet obratnyi akt rasshepleniya etogo Ya na ishodnye sostavlyayushie. V rezul'tate ustanavlivayusya vpolne opredelennoe koncentracii Ya, ne zavisyashie ot skorostei Ya.r. Takoe sostoyanie zvezdnogo veshestva prinyato naz. yadernym statistich. ravnovesiem ili NSE (ot angl. nuclear statistical equilibrium). Sostoyanie NSE podderzhivaetsya bystrymi i mnogochislennymi pryamymi i obratnymi Ya.r. Ustanovlenie NSE v nedrah zvezd - odna iz dvuh glavnyh prichin poteri mehanich. ustoichivosti zvezd i perehoda ih v sostoyanie gravitac. kollapsa na konech. stadiyah evolyucii, vtoraya prichina - neitronizaciya zvezdnogo veshestva (sm. Gravitacionnyi kollaps).

Osoboe mesto v yadernoi astrofizike zanimayut vyzyvaemye slabym vzaimodeistviem R elektronov i pozitronov s Ya. V etih R uchastvuyut takzhe neitrino. Pozitronnye beta-raspady (sm. Beta-processy) yavl. nepremennym zvenom v cepochkah R sinteza him. elementov iz vodoroda (sm. Vodorodnyi cikl i Uglerodnyi cikl). Elektronnnye beta-raspady vmeste s R zahvata neitronov delayut vozmozhnym obrazovanie v prirode naibolee tyazhelyh him. elementov. Zahvat elektronov Ya, soprovozhdaemyi intensivnym neitrinnym izlucheniem, okazyvaet reshayushee vliyanie na sv-va zvezdnogo veshestva na konechnyh stadiyah evolyucii zvezd (pri neitronizacii i gravitac. kollapse). Pogloshenie i izluchenie neitrino v R elektronov i pozitronov s neitronami, protonami i Ya igraet vazhnuyu rol' v gidrodinamich. kartine obrazovaniya neitronnyh zvezd (i, vozmozhno, Chernye dyr). Ono takzhe opredelyaet harakteristiki soprovozhdayushih gravitac. kollaps vspleskov neitrinnogo izlucheniya, teoretich. predskazanie k-ryh imeet bol'shoe znachenie dlya realizacii na neitrinnyh observatoriyah programm detektirovaniya gravitacionnyh kolapsov. Iz etogo kratkogo perechisleniya vidno, naskol'ko vazhny dlya astrofiziki Ya.r., obuslovlennye slabym vzaimodeistviem.

Dr. oblast' astrofiziki, v k-roi sv-va Ya.r. igrayut opredelyayushuyu rol', otnositsya k vzaimodeistviyu vysokoenergichnyh chastic (uskorennyh Ya) s mezhzvezdnoi sredoi i veshestvom razrezhennyh zvezdnyh atmosfer i okolozvezdnyh obolochek. Vysokoenergichnye chasticy mogut poyavlyat'sya v rezul'tate el.-magn. uskoreniya pri vspyshkah na zvezdah i v magnitosferah pul'sarov, a takzhe vsledstvie pryamogo gidrodinamich. uskoreniya v udarnyh volnah. Esli vyzyvaemye takimi chasticami Ya.r. soprovozhdayutsya otshepleniem ot reagiruyushih yader legkih fragmentov - protonov (p), neitronov (n), $\alpha$ -chastic i t.d., to ih naz. reakciyami skalyvaniya. Ya.p. skalyvaniya pozvolyayut ob'yasnit' ryad osobennostei sostava kosmicheskih luchei i otchasti proishozhdenie legkih elementov - Li, Be i B. Chasticy dostatochno bol'shih energii mogut takzhe privodit' k obrazovaniyu mezonov i dr. adronov pomimo neitronov i protonov.

Ya.r. lezhat v osnove stroeniya i evolyucii veshestva Vselennoi, poskol'ku predstavlyayut soboi te elementarnye processy, posredstvom k-ryh stanovitsya vozmozhnym proyavlenie mikroskopicheskih sv-v Ya v ogromnyh masshtabah kosmosa.

2. Sposoby zapisi yadernyh reakcii

Upotreblyaetsya dva sposoba zarisi Ya.r. Odin iz nih analogichen obychnym him. ur-niyam, napr.:
¹³C + $\alpha$ = ¹⁶O + n + 2,22 MeV , (1)
prichem vmesto znaka ravenstva chashe pishetsya strelka, chtoby podcherknut', v kakom napravlenii idet Ya.r. V pravoi chasti mozhet byt' ukazan enegeticheskii vyhod reakcii Q (v MeV). Polozhitel'noe znachenie Q sootvetstvuet vydeleniyu, a otricatel'noe - poglosheniyu energii v Ya.r.

Vo vtorom (sokrashennom) sposobe zapisi vydelyayutsya tyazhelye Ya (mishen' i produkty reakcii), a bombardiruyushaya i i vybrasyvaemaya (ili vybrasyvaemye) bolee legkie chasticy pishutsya v skobkah i razdelyayutsya zapyatoi. Ukazannaya vyshe R zapisyvaetsya pri etom kak ¹³C( $\alpha$ , n)¹⁶O, a vse R takogo tipa naz. reakciyami ( $\alpha$ , n). Bol'shoe znachenie v astrofizike imeyut takzhe reakcii (p, $\gamma$ ), (n, $\gamma$ ), (p, n), (p, 2n), ( $\alpha, \gamma$ ) i dr. V chislo Ya.r. vklyuchayut i opredelyaemye slabym vzaimodeistviem beta-processy. Raspad tritiya mozhno zapisat' kak ³H(e^-, $\tilde{\nu}$ )³He, a zahvat protonom elektrona - elementarnyi akt neitronizacii - kak ¹H(e^-, $\nu$ )n. V sokrashennoi zapisi vne skobok starayutsya po vozmozhnosti ispol'zovat' him. simvoly elementov (napr., ¹H vmesto p i ³H vmesto tritiya t). Krome togo, deiterii ²H inogda oboznachayut kak ²D, a tritii ³H kak ³T.

3. Energeticheskii vyhod yadernoi reakcii

V Ya.r. strogo vypolnyayutsya zakony sohraneniya impul'sa i energii. Odnako nek-raya chast' iknetich. energii mozhet perehodit' v energiyu pokoya (sm. Massa pokoya) i, naoborot, energiya pokoya mozhet osvobozhdat'sya v vide kinetich. energii [kak v reakcii (1)], k-raya peredaetsya dr. chasticam pri posleduyushih stolknoveniyah ili unositsya takimi elementarnymi chasticami, kak fotony i neitrino. Energeticheskim vyhodom reakcii Q naz. raznost' mezhdu summarnymi energiyami pokoya vseh chastic do i posle Ya.r. Esli Q >0, to summarnaya energiya pokoya umen'shaetsya v processe Ya.r. Takie Ya.r. naz. ekzoenergeticheskimi ili besporogovymi. V principe oni mogut protekat' pri skol' ugodno maloi nachal'noi kinetich. energii chastic. Naoborot, pri Q <0 chast' ishodnoi kinetich. energii chastic prevrashaetsya v energiyu pokoya. Takie Ya.r. naz. endoenergeticheskimi ili porogovymi. Dlya ih protekaniya neobhodimo, chtoby kinetich. energiya chastic prevyshala nek-ruyu velichinu (porog reakcii).

Zakon sohraneniya impul'sa nakladyvaet ogranichenie na velichinu kinetich. energii, k-raya mozhet pereiti v energiyu pokoya. Vsya kinetich. energiya mozhet pereiti v energiyu pokoya lish' v tom sluchae, kogda polnyi impul's reagiruyushih chastic raven nulyu. Poetomu Ya.r. udobno rassmatrivat' v sisteme koordinat, v k-roi centr inercii (c.i.) vzaimodeistvuyushih chastic pokoitsya, t.e. polnyi impul's raven nulyu po opredeleniyu. Dalee, esli osobo ne ogovoreno, pod energiei vzaimodeistviya budet podrazumevat'sya kinetich. energiya chastic v sisteme c.i. V sluchae dvuh nerelyativistskih at. Ya energiya vzaimodeistviya opredelyaetsya po f-le
$\varepsilon=Mv^2/2$ , (2)
gde $v=|v_1-v_2|$ - otnositel'naya skorost' chastic, a M - privedennaya massa
$M=m_u {A_1 A_2\over {A_1+A_2}}$ , (3)
prichem A¹ i A² - massy Ya, izmerennye v a.e.m. (A¹u).

Uslovie protekaniya endoenergeticheskih Ya.r. mozhno zapisat' v vide $\varepsilon > |Q|$ . Iz etogo neravenstva s pomosh'yu (2) mozhno poluchit' v laboratornoi sisteme koordinat, gde, napr., chastica s massoi m² pokoitsya, a chastica s massoi m¹ naletaet na nee s kinetich. energiei $\varepsilon_1$ , neobhodimoe uslovie dlya protekaniya endoenergeticheskoi reakcii:
$\varepsilon_1 > |Q| \cdot \left(\ 1+ {m_1\over {m_2}} \right)$ . (4)
Takoe vozrastanie poroga reakcii v laboratornoi sisteme koordinat ob'yasnyaetsya tem, chto chast' kinetich. energii, svyazannaya s dvizheniem centra mass, ostaetsya bespoleznoi dlya Ya.r.

4. Sechenie i skorost' yadernoi reakcii

Rassmotrim reakciyu mezhdu chasticami dvuh tipov (1 i 2). Predpolozhim dlya prostoty, chto chasticy 1 pokoyatsya, a chasticy 2 naletayut na nih so skorost'yu v. Togda skorost' reakcii P₁₂, t.e. chislo reakcii v ed. vremeni v ed. ob'ema, budet proporcional'na proizvedeniyu n₁ j, gde j=n₂v - chislo chastic 2, prohodyashih cherez ed. ploshadi v ed. vremeni (potok chastic 2), a n₁ i n₂ - chisla chastic 1 i 2 v ed. ob'ema. Koefficient proporcional'nosti $\sigma$ imeet razmernost' ploshadi i naz. secheniem Ya.r. Vyrazhenie $P_{12}=n_1 n_2 \sigma v$ ostaetsya spravedlivym i v tom sluchae, kogda dvizhutsya oba tipa chastic (togda v - skorost' vzaimnogo sblizheniya chastic, t.e. ih otnositel'naya skorost'). Secheniya Ya.r., voobshe govorya, zavisyat ot skorosti (kinetich. energii) reagiruyushih chastic. Krome togo, v astrofizich. ob'ektah (napr., v zvezdnom veshestve) obychno predstavleny chasticy s razlichnymi skorostyami. Poetomu dlya nahozhdeniya polnogo chisla Ya.r. v ed. ob'ema neobhodimo usrednit' privedennoe vyshe vyrazhenie dlya P₁₂ po raspredeleniyu otnosit. skorostei chastic
$P_{12}={n_1 n_2 \over {1+\delta_{12}}}\;<\sigma v>$ , (5)
gde uglovymi skobkami oboznacheno sr. znachenie i vvedena velichina $\delta_{12}$ , ravnaya 0 ili 1 v zavisimosti ot togo, razlichny ili tozhdestvenny chasticy 1 i 2. Vvedenie velichiny $\delta_{12}$ svyazano s tem, chto v opisannom vyshe sposobe podscheta chisla reakcii v sluchae tozhdestvennyh chastic uchastie kazhdoi chasticy v reakcii uchityvaetsya dvazhdy: odin raz, kogda eta chastica rassmatrivaetsya kak mishen', a v drugoi raz kak bombardiruyushaya chastica.

Skorost' vydeleniya energii $\varepsilon$ , rasschitannaya na edinicu massy, veshestva s plotnost'yu $\rho$ nahoditsya iz sootnosheniya
$\varepsilon=Q\cdot P_{12}/\rho$ . (6)
Teoriya yadernyh vzaimodeistvii vmeste s dannymi eksperimental'noi yadernoi fiziki pozvolyaet rasschitat' secheniya Ya.r., a s nimi i dve osn. ispol'zuemye v astrofizike harakteristiki Ya.d. - P₁₂ i $\varepsilon$ .

5. Radius deistviya yadernyh sil, kulonovskii i centrobezhnyi energeticheskie bar'ery

Yadernye sily yavl. korotkodeistvuyushimi. Poetomu dlya effektivnogo protekaniya Ya.r. chasticy dolzhny podoiti dostatochno blizko drug k drugu. Harakternoe rasstoyanie R, v predelah k-rogo yadernye sily okazyvayutsya sushestvennymi (ego naz. radiusom yadernogo vzaimodeistviya), opredelyaetsya sootnosheniem
$R\approx R_0\left(A_1^{1/3}+A_2^{1/3}\right)$ , (7)
gde A₁ i A₂ - massovye chisla reagiruyushih Ya, a $R_0\approx 1,5\cdot 10^{-13}$ sm.

V cepochke yadernyh prevrashenii, k-raya zakanchivaetsya sintezom v zvezdah Ya tyazhelyh elementov iz pervichnyh vodoroda i geliya, klyuchevymi zven'yami okazyvayutsya R protonov i $\alpha$ -chastic mezhdu soboi i s bolee tyazhelymi Ya, a takzhe nek-ryh Ya s yadrami togo zhe sorta i s podobnymi Ya. V takih Ya.r. sblizheniyu chastic na malye rasstoyaniya R prepyatstvuyut sily elektrostatich. ottalkivaniya, i poetomu reagiruyushie chasticy dolzhny preodolet' kulonovskii energeticheskii bar'er.

Zavisimost' kulonovskoi potencial'noi energii V