Rambler's Top100Astronet    
  по текстам   по ключевым словам   в глоссарии   по сайтам   перевод   по каталогу 		 

На первую страницу
Физические основы строения и эволюции звезд
<< 6.4 Эволюция звезд главной ... | Оглавление | 6.6 Определение возраста скоплений >>

6.5 Горение гелия: 3 alpha-реакция

Горение гелия затруднено тем обстоятельством, что отсутствуют устойчивые ядра с атомным весом $ A=5$ и $ A=8$ (если бы они существовали, то были бы возможны реакции $ {}^{4}{\mathrm{He}}+{}^{1}{\mathrm{H}}$ и $ {}^{4}{\mathrm{He}}+{}^{4}{\mathrm{He}}$). Однако слияние трех ядер гелия дает устойчивое ядро с атомным весом 12: $ 3\,{}^{4}{\mathrm{He}}\to {}^{12}{\mathrm{C}}$. Поэтому дальнейшая эволюция звезды определяется этой так называемой 3$ \alpha $-реакцией. Ядра $ {}^{8}{\mathrm{Li}}$ и $ {}^{8}{\mathrm{Be}}$ неустойчивы и быстро распадаются. Например,

$\displaystyle {}^{8}{\mathrm{Li}}\to {}^{8}{\mathrm{Be}}+e^-+\nu, $

$\displaystyle {}^{8}{\mathrm{Be}}\to 2\,{}^{4}{\mathrm{He}}\qquad (\tau\sim 10^{-16}$с$\displaystyle ). $

Тем не менее тот факт, что ядро $ {}^{8}{\mathrm{Be}}$ хотя и неустойчиво, но все же существует в течение времени порядка $ 10^{-16}$с, оказывается существенным. Вероятность реакции при тройном столкновении $ \alpha $-частиц с произвольными энергиями намного меньше вероятности того, что две $ \alpha $-частицы имеют энергию как раз такую, что они (хотя и ненадолго) образуют систему $ {}^{8}{\mathrm{Be}}$. Такая система -- ядро $ {}^{8}{\mathrm{Be}}$ в подавляющем большинстве случаев распадается обратно на две $ \alpha $-частицы, но все же изредка происходит столкновение $ {}^{8}{\mathrm{Be}}$ с третей $ \alpha $-частицей, приводящее к образованию $ {}^{12}{\mathrm{C}}$. При больших температурах в термодинамическом равновесии имеется некоторая концентрация ядер $ {}^{8}{\mathrm{Be}}$, определяемая формулой Саха:

$\displaystyle [{}^{8}{\mathrm{Be}}]\sim [{}^{4}{\mathrm{He}}]^2e^{-0,3\,\mbox{Мэв}/kT}. $

Столкновение ядер $ {}^{4}{\mathrm{He}}$ с $ {}^{8}{\mathrm{Be}}$ приводит к образованию ядра $ {}^{12}{\mathrm{C}}$. Так как вероятность процесса пропорциональна произведению концентраций $ {}^{4}{\mathrm{He}}$ и $ {}^{8}{\mathrm{Be}}$

$\displaystyle [{}^{4}{\mathrm{He}}]\;[{}^{8}{\mathrm{Be}}]\sim [{}^{4}{\mathrm{He}}]^3e^{-0,3\,\mbox{МэВ}/kT}, $

то скорость реакции $ \sim \rho ^3$, если рассчитывать ее на единицу объема, или $ \rho ^2$ -- на единицу массы. Однако ни столкновение $ 3\alpha$, ни столкновение $ {}^{8}{\mathrm{Be}}$ с $ \alpha $ само по себе не приводит к образованию стабильного ядра $ {}^{12}{\mathrm{C}}$, пока система не избавиться от лишней энергии. Избыток энергии трех покоящихся $ \alpha $-частиц над энергией $ {}^{12}{\mathrm{C}}$ равен 7,28 МэВ, для горячих $ \alpha $-частиц он еще больше. При этом энергию не может унести нейтрон или протон -- на это энергии не хватает, да и получился бы $ {}^{11}{\mathrm{B}}$ или $ {}^{11}{\mathrm{C}}$, а не $ {}^{12}{\mathrm{C}}$. Значит энергию уносят фотоны или пары $ e^+, e^-$ (см. ниже). Снова вероятность процесса увеличивается, если система долго живет в данном состоянии , т. е. если мы имеем дело с определенным возбужденным состоянием ядра $ {}^{12}{\mathrm{C}}$, а не системой, состоящей из 6 протонов и 6 нейтронов (или 3 $ \alpha $-частиц) с произвольной энергией, не равной энергии какого-либо возбужденного состояния $ {}^{12}{\mathrm{C}}$.

Рис. 36.Рис. 37.

Ядро $ {}^{12}{\mathrm{C}}$ обладает большим количеством уровней (рис. 36). Один из уровней с энергией $ E=7,66$ МэВ находится в резонансе с тремя ядрами гелия -- $ 3\,{}^{4}{\mathrm{He}}\,$, обладающими избытком кинетической энергии (7,66-6,28=0,38) МэВ. Это возбужденное состояние, так же как и основное, имеет спин $ s=0$.Поэтому переход с уровня 7,66 МэВ в основное состояние $ {}^{12}{\mathrm{C}}$ не может идти с испусканием одного $ \gamma$-кванта (спин которого равен 1). Наиболее вероятным является переход с испусканием электронно-позитронной пары

$\displaystyle {}^{12}{\mathrm{C}}^*\to{}^{12}{\mathrm{C}}+e^++e^-. $

Снятие возбуждения может происходить также с испусканием квантов через промежуточный уровень $ E=4,43$ МэВ. Полная вероятность реакции на единицу массы пропорциональна $ \rho^2 e^{-\Delta E /kT}\simeq \rho^2 e^{-4,4/T_9}$. Сравним калорийность $ 3\alpha$-реакции с $ pp$-циклом:

$\displaystyle 4p\to {}^{4}{\mathrm{He}}+26\;$МэВ$\displaystyle , $

$\displaystyle {}^{4}{\mathrm{He}}\to{1\over 3}\;{}^{12}{\mathrm{C}}+2,4 \;$МэВ$\displaystyle , $

т.е. выделение энергии на грамм в $ 3\alpha$-реакции на порядок меньше.

Постепенно гелий в центре тоже выгорает -- возникает гелиевый слоевой источник, а водород при этом продолжает гореть во внешнем слоевом источнике (рис. 37). На стадии гелиевого слоевого источника сильно возрастает светимость звезды, увеличивается ее радиус, и на диаграмме ГР звезда попадает в область красных сверхгигантов (рис. 35). В дальнейшем (в достаточно массивных звездах) загорается углерод. Должно идти образование более тяжелых элементов O, Mg, Ne и т. д. во все убыстряющемся темпе. И наконец, такая звезда должна достичь состояния, при котором теряется ее устойчивость. Однако пока не существует хороших расчетов, доведенных до конца. Положение дел усложняется наличием большого числа слоевых источников и ядерных реакций, скорости которых плохо изучены. Кроме того, возникают тепловые неустойчивости, вспышки и т.п. Все это затруднят проведение детальных расчетов.

Ниже мы обсудим ряд характерных моментов, которые возникают при расчетов эволюции звезд и имеют достаточно простое физическое истолкование.


<< 6.4 Эволюция звезд главной ... | Оглавление | 6.6 Определение возраста скоплений >>

Публикации с ключевыми словами: Эволюция звезд - внутреннее строение звезд - термоядерные реакции - физические процессы
Публикации со словами: Эволюция звезд - внутреннее строение звезд - термоядерные реакции - физические процессы
См. также:
Все публикации на ту же тему >>

Обсудить эту публикацию
Оценка: 3.0 [голосов: 120]
 
О рейтинге
Версия для печати Распечатать

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце

Астронет | Научная сеть | ГАИШ МГУ | Поиск по МГУ | О проекте | Авторам

Комментарии, вопросы? Пишите: info@astronet.ru или сюда

Rambler's Top100 Яндекс цитирования