<< Predislovie | Oglavlenie | 2. Relyativistskii gaz s vyrozhdeniem >>
Chast' I. FIZIKA ZVEZDNO' MATERII
Glava 1. Termodinamicheskie svoistva veshestva
Razdely
- 1. Ideal'nyi gaz s izlucheniem
- 2. Relyativistskii gaz s uchetom vyrozhdeniya
- 3. Uravnenie sostoyaniya pri nalichii yadernogo ravnovesiya i processov slabogo vzaimodeistviya
- 4. Veshestvo pri ochen' bol'shih plotnostyah, neitronizaciya, vzaimodeistvie chastic
Veshestvo bol'shinstva zvezd imeet vysokuyu temperaturu i sravnitel'no umerennuyu plotnost'. V etih usloviyah kineticheskaya energiya chastic mnogo bol'she energii vzaimodeistviya mezhdu nimi i model' nerelyativistskogo, nevyrozhdennogo ideal'nogo gaza okazyvaetsya horoshim priblizheniem k real'nosti. Termodinamicheskie svoistva veshestva planet, naprimer. Zemli, izucheny gorazdo huzhe. Temperatura ih pri toi zhe plotnosti znachitel'no nizhe i veshestvo nahoditsya v zhidkoi i tverdoi fazah, issledovanie kotoryh sopryazheno s sushestvennymi trudnostyami.
V nedrah zvezd veshestvo i izluchenie nahodyatsya v termodinamicheskom ravnovesii, kotoroe ustanavlivaetsya bystrymi processami stolknovenii chastic, poglosheniem i ispuskaniem fotonov. Izluchenie, naryadu s gazom, sozdaet davlenie, protivodeistvuyushee sile tyazhesti.
Veshestvo zvezd sostoit iz razlichnyh himicheskih elementov, osnovnymi iz kotoryh yavlyayutsya vodorod i gelii. Na Solnce, naprimer, oni sostavlyayut v summe bolee 98,5% plotnosti veshestva. Ostal'naya chast' massy Solnca sostoit iz smesi prakticheski vseh stabil'nyh izotopov tablicy Mendeleeva. V tabl. 1 ukazano soderzhanie naibolee obil'nyh elementov, nablyudaemyh na Solnce [5]. Pri izmenenii ot centra do poverhnosti zvezdy temperatury na tri-chetyre poryadka i plotnosti na ~ 10 poryadkov izmenyaetsya sostoyanie ionizacii veshestva.
V central'nyh oblastyah zvezd s vse atomy prakticheski polnost'yu ionizovany.
Pust' - nomer himicheskogo elementa, kotoryi mozhet nahodit'sya v razlichnyh sostoyaniyah ionizacii ot neitral'nogo () do polnost'yu ionizovannogo (). Oboznachim cherez energiyu svyazi -kratno ionizovannogo iona elementa , opredelyaemuyu tak, chto dlya polnost'yu ionizovannogo iona = 0. Udel'naya energiya E (erg g-1), davlenie R (din sm-2) i udel'naya entropiya S (erg g-1 K-1) dannoi smesi atomov, ionov i elektronov s izlucheniem imeyut vid [145] .
(1.1) |
(1.2) |
(1.3) |
- plotnost',
- temperatura,
- postoyannaya Bol'cmana,
- postoyannaya Planka,
- postoyannaya plotnosti izlucheniya,
- skorost' sveta v vakuume,
- massovaya dolya elementa s atomnym nomerom i,
Element | Simvol | Atomnyi nomer |
Atomnaya massa |
Desyatichnyi logarifm rasprostranennosti |
|
po chislu atomov | po masse | ||||
Vodorod | H | 1 | 1.0080 | 12.00 | 12.00 |
Gelii | He | 2 | 4.0026 | 10.93 | 11.53 |
Uglerod | C | 6 | 12.0111 | 8.52 | 9.60 |
Azot | N | 7 | 14.0067 | 7.96 | 9.11 |
Kislorod | O | 8 | 15.9994 | 8.82 | 10.02 |
Neon | Ne | 10 | 20.179 | 7.92 | 9.22 |
Natrii | Na | 11 | 22.9898 | 6.25 | 7.61 |
Magnii | Mg | 12 | 24.305 | 7.42 | 8.81 |
Alyuminii | Al | 13 | 26.9815 | 6.39 | 7.78 |
Kremnii | Si | 14 | 28.086 | 7.52 | 8.97 |
Fosfor | P | 15 | 30.9738 | 5.52 | 7.01 |
Sera | S | 16 | 32.06 | 7.20 | 8.71 |
Hlor | Cl | 17 | 35.453 | 5.6 | 7.2 |
Argon | Ag | 18 | 39.948 | 6.8 | 8.4 |
Kal'cii | Sa | 20 | 40.08 | 6.30 | 7.90 |
Hrom | Sg | 24 | 51.996 | 5.85 | 7.57 |
Marganec | Mn | 25 | 54.9380 | 5.40 | 7.14 |
Zhelezo | Fe | 26 | 55.847 | 7.60 | 9.35 |
Nikel' | Ni | 28 | 58.71 | 6.30 | 8.07 |
Otnositel'noe soderzhanie po masse: | Chislo nuklonov na yadro, | ||||
Vodorod | X=0.73 | =1.26 | |||
Gelii | X =0.25 | Srednyaya atomnaya massa pri polnoi ionizacii | |||
Prochie elementy | x=0.017 | =0.60 |
- stepen' -kratnoi ionizacii -go elementa, tak chto ,
- massa yadra atoma s nomerom i atomnoi massoi
g - atomnaya edinica massy, ravnaya 1/12 massy izotopa ,
g - massa elektrona1,
(1.4) |
- statisticheskii ves iona -go elementa v -m sostoyanii ionizacii,
(1.5) |
(1.6) |
V polnost'yu ionizovannom gaze, sostoyashem iz vodoroda, geliya i drugih elementov s , imeem
(1.7) |
(1.8) |
Zdes' - energiya (potencial) ionizacii -go elektrona, . Energii ionizacii naibolee obil'nyh elementov privedeny v tabl. 2. Dlya nahozhdeniya stepeni ionizacii elementov v smesi neobhodimo reshit' sistemu uravnenii (1.8) s uchetom (1.4), (1.5). Analiticheskoe re shenie poluchaetsya v sluchae odnokratnoi ionizacii odnogo (-go) sorta atomov
otkuda
(1.9) |
Atomnyi nomer | Element | Potencialy ionizacii, eV | Polnye momenty |
1 | H,H | 0.747; 13.5985 | 0; 1/2 |
2 | He | 24.5876; 54.418 | 0; 1/2; 0 |
6 | C | 11.260; 24.284; 47.89; 64.49 | 0; 1/2; 0; 1/2 |
7 | N | 14.534; 29.602; 47.45; 77.47 | 3/2; 0; 1/2; 0 |
8 | O | 13.618; 35.118; 54.94; 77.41 | 2; 3/2; 0; 1/2 |
10 | Ne | 21.565; 40.964; 63.46; 97.12 | 0; 3/2; 2; 3/2 |
11 | Na | 5.1391; 47.287; 71.64; 98.92 | 1/2; 0; 3/2; 2 |
12 | Mg | 7.646; 15.035; 80.15; 109.2 | 0; 1/2; 0; 3/2 |
13 | Al | 5.9858; 18.828; 28.448; 120 | 1/2; 0; 1/2; 0 |
14 | Si | 8.152; 16.346; 33.493; 45.14 | 0; 1/2; 0; 1/2 |
15 | P | 10.49; 19.73; 30.18; 51.47 | 3/2; 0; 1/2; 0 |
16 | S | 10.36; 23.33; 34.83; 47.31 | 2; 3/2; 0; 1/2 |
17 | Cl | 12.968; 23.81; 39.61; 53.47 | 3/2; 2; 3/2; 0 |
18 | Ar | 15.760; 27.63; 40.74; 59.81 | 0; 3/2; 2; 3/2 |
20 | Ca | 6.113; 11.872; 50.91; 67.10 | 0; 1/2; 0; 3/2 |
24 | Cr | 6.766; 16.50; 30.96; 49 | 3; 5/2; 0; 3/2 |
25 | Mn | 7.4368; 15.640; 33.67; 51.2 | 5/2; 2; 5/2; 0 |
26 | Fe | 7.87; 16.18; 30.65; 54.8 | 4; 9/2 4; 5/2 |
28 | Ni | 7.63; 18.17; 35.2; 54.9 | 4; 5/2; 4; 9/2 |
1 eV = 11.604 K | X; X; X; X | X; X; X; X |
Pri issledovanii zvezdnoi evolyucii chasto neobhodimo znat' znacheniya adiabaticheskih pokazatelei
i teploemkostei
V usloviyah nepolnoi ionizacii vse velichiny rasschityvayutsya chislenno, dlya chego ih udobno vyrazit' cherez proizvodnye
Vospol'zuemsya izvestnymi svoistvami yakobianov
(1.10) |
Poluchaem
(1.11) |
(1.12) |
(1.13) |
(1.14) |
(1.15) |
(1.16) |
Proizvodnye ot entropii vyrazhayutsya cherez proizvodnye ot energii i davleniya iz pervogo zakona termodinamiki i usloviya polnoty differenciala svobodnoi energii :
(1.17) |
Esli stepeni ionizacii postoyanny, to iz (1.3)-(1.6) slededuet
(1.18) |
i vse proizvodnye vychislyayutsya analiticheski:
(1.19) |
(1.20) |
Zadacha. Vyvesti uravneniya dlya koncentracii elektronov v plazme, sostoyashei iz , , a takzhe atomov i odnokratno ionizovannyh ionov drugih elementov.
Reshenie. Ispol'zuya formulu Saha (1.8) i tabl. 2, poluchaem dlya vodoroda
(1) |
Ispol'zuya uslovie , imeem
(2) |
Analogichno dlya geliya poluchaem
(3) |
gde
(4) |
i dlya tyazhelyh elementov
(5) |
Zdes' temperatura v elektronvol'tah. Ispol'zuya sootnoshenie (4) dlya kazhdogo elementa i uslovie elektroneitral'nosti (5)
poluchaem uravnenie dlya privedennoi elektronnoi koncentracii
(6) |
Zdes' . Vse velichiny v (6) bezrazmerny i blizki k edinice, chto udobno dlya chislennogo resheniya.
Posle nahozhdeniya stepenei ionizacii v zavisimosti ot i , mozhno vychislit' termodinamicheskie funkcii i ih proizvodnye. Na ris. 1 v kachestve primera takogo rascheta privedena zavisimost' dlya smesi s sostavom , h i solnechnym sootnosheniem mezhdu drugimi elementami (tabl. 1). Dva minimuma na krivyh sootvetstvuyut oblastyam ionizacii vodoroda i pervoi ionizacii geliya. Pri maloi plotnosti vtoroi minimum popadaet v oblast' preobladaniya davleniya izlucheniya i potomu ne zameten.
Ris. 1. Zavisimosti pri = const, ukazannyh na krivyh, dlya normal'nogo sostava (tabl. 1) v oblasti, gde proishodit ionizaciya vodoroda i geliya |
<< Predislovie | Oglavlenie | 2. Relyativistskii gaz s vyrozhdeniem >>
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Evolyuciya zvezd - fizicheskie processy
Publikacii so slovami: Evolyuciya zvezd - fizicheskie processy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> |