1 Физический факультет МГУ им. Ломоносова Реферат на тему: «Нуклеосинтез во вселенной» Выполнила: Балакшина Вероника. Москва 2016.
2 Введение Окружающий нас мир состоит из различных химических элементов. Как образовались эти элементы в естественных условиях? В настоящее время общепризнанной является точка зрения, что элементы, из которых состоит Солнечная система, образовались в ходе звездной эволюции. С чего начинается образование звезды? По современным оценкам только наша галактика - Млечный Путь насчитывает около 100 млрд звезд. Звезды рождаются и в современную эпоху спустя млрд лет после образования Вселенной. Звезды конденсируются под действием гравитационных сил из гигантских газовых молекулярных облаков. Масса вещества, сосредоточенного в них, составляет значительную часть всей массы галактик. Эти газовые облака первичного вещества состоят преимущественно из ядер водорода. Небольшую примесь составляют ядра гелия, образовавшиеся в результате первичного нуклеосинтеза. Большая туманность Орион - пример такого облака. Облако видимо потому, что оно освещено ближайшими звездами.
3 Нуклеосинтез Нуклеосинтезом называют образование атомных ядер в естественных условиях. Атомные ядра образуются в ядерных реакциях, происходящих во Вселенной на различных стадиях её эволюции. Наблюдаемая материя концентрируется в звездах и планетах, а также образует разряженную межзвездную среду. Эта материя представляет собой главным образом нуклиды(атомные ядра с различным числом протонов и нейтронов) девяносто двух химических элементов от водорода до урана. Все разнообразие ядерного состава Вселенной сводится примерно к 300 нуклидам. Три основных механизма нуклеосинтеза: космологический (первичный или дозвёздный) нуклеосинтез, синтез ядер в звёздах и при взрывах звёзд, нуклеосинтез под действием космических лучей. Механизмы нуклеосинтеза неотделимы от процессов во Вселенной и характером её эволюции. Современная наука полагает, что Вселенная родилась около 14 млрд. лет назад в результате так называемого Большого взрыва. Вначале вещество Вселенной, состоящее из элементарных частиц и излучения, было сконцентрировано в малом объёме и имело огромную плотность и температуру. Происходило стремительное расширение Вселенной, сопровождаемое её охлаждением. С появлением первых звёзд (примерно через 2 млрд. лет) Вселенная вступила в звёздную эру, в которой пребывает и сейчас. Космологический нуклеосинтез это синтез ядер на раннем этапе эволюции Вселенной (до образования звёзд). В краткий период секунд после Большого взрыва во Вселенной впервые реализовались условия для протекания термоядерных реакций синтеза. В горячем веществе Вселенной, содержавшем протоны и нейтроны при температуре 109 К, в результате их слияния образовывались лёгкие элементы, такие как дейтерий, тритий, гелий, литий.
4 После того как во Вселенной образовались звёзды, основным механизмом нуклеосинтеза стали ядерные реакции в звёздах. Лёгкие ядра (и химические элементы) вплоть до железа и никеля образуются в звёздах в термоядерных реакциях синтеза. Ядра более тяжёлых элементов вплоть до урана образуются в массивных звёздах и при их взрывах главным образом в результате захвата нейтронов более лёгкими ядрами с последующим бетараспадом (β-). Некоторые химические элементы образуются в результате взаимодействия космических лучей с межзвёздной средой. В результате нуклеосинтеза сформировался современный атомарный состав Вселенной. В ней больше всего водорода ( 91% атомов) и гелия ( 8.9%). Остальных атомов < 0.2%. Нуклеосинтез продолжается и в настоящее время.
5 Распространенность элементов. Распространенностью элементов называется число ядер данного элемента в веществе, приходящееся на определенное число ядер эталонного элемента. В качестве эталонного элемента обычно выбирают водород или кремний. Экспериментальные данные о распространенности различных элементов получают путем анализа элементного состава Земли, Луны и других планет, метеоритов, на основе спектрального анализа Солнца и других звезд межзвездной среды, а также из содержания различных ядер в составе космических лучей. Распространенность элементов как функция массового числа, построенная на основе анализа информации о распространенности элементов на Земле, в метеоритах, на Солнце и в звездах, схематически показана ниже. Логарифм распространенности нуклидов во Вселенной в зависимости от массового числа (по данным Е. Андерса и Н. Гривса, 1989). Среди наиболее существенных особенностей распространѐнности элементов можно выделить следующие: Элементное вещество Вселенной в основном состоит из водорода 91% всех атомов. По распространѐнности гелий занимает второе место, составляя 9% всех атомов. Существует глубокий минимум, соответствующий литию, бериллию и бору. Сразу за этим минимумом следует резкий подъѐм повышенной распространѐнности углерода и кислорода. За кислородным максимумом идѐт скачкообразное падение вплоть до скандия (Z = 21, А = 40). Наблюдается повышенная распространѐнность элементов в районе железа («железный пик»).
6 После А 60 уменьшение распространѐнности происходит более плавно, причѐм наблюдаются локальные максимумы в районе магических чисел протонов или нейтронов 50, 82, 126. Как правило, распространѐнность чѐтно-чѐтных нуклидов (чѐтные Z и N) выше, чем соседних нуклидов с нечѐтным числом нуклонов. Все эти особенности распространѐнности элементов во Вселенной находят объяснение в современной теории образования нуклидов. Для объяснения образования химических элементов в 1948 году Г. Гамовым была выдвинута теория Большого взрыва. Однако детальные расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование элементов тяжелее Li. На начальном этапе эволюции Вселенной, примерно через 100 с после Взрыва, при температуре ~ 109 K в термоядерных реакциях образовались лишь самые легкие атомные ядра - изотопы водорода и гелия. Согласно современным представлениям образование более тяжелых ядер на этом этапе оказывается невозможным. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции.
7 Эволюция массивной звезды. Скорость протекания реакций слабого взаимодействия таких, как: p + e n + νe, n + e+ p + νe, p + eν n + e+, n p + e + νe, зависит от температуры и плотности. Чем они ниже, тем ниже скорость реакции. По мере расширения и остывания Вселенной наступает момент, когда снижающаяся скорость реакций уже не в состоянии поддерживать равновесие между нейтронами и протонами, скорость слабых процессов становится меньше скорости расширения Вселенной. Этот момент наступает примерно через 2 с после Большого Взрыва при Т 1010 К, когда средние кинетические энергии частиц, уменьшились до 1 МэВ. Равновесное отношение концентраций нейтронов и протонов уменьшилось к этому моменту до 1/6 и до начала первичного нуклеосинтеза это отношение снижалось в основном за счѐт распада нейтронов. Стартовой реакцией первичного нуклеосинтеза является реакция образования дейтерия p + n 21H + γ МэВ. Звезды образуются из отдельных неоднородностей в гигантском молекулярном облаке. Эти неоднородности имеют специальное название - компактные зоны. Типичные компактные зоны имеют размер порядка нескольких световых месяцев, плотность 3 10^4 молекул водорода в 1 см3 и температуру ~10 K. Сжатие компактной зоны начинается с коллапса внутренней части, т.е. со свободного падения вещества в центре зоны. Гравитационная сила сближает атомы так, что сгустки становятся меньше и плотнее. Падая на центр притяжения, молекулы приобретают энергию и в результате взаимодействия (столкновения) вначале происходит разрушение молекул на отдельные атомы. Гравитационное сжатие увеличивает температуру сгустка. Постепенно область коллапса перемещается к периферии, охватывая всю зону. Так начинается процесс звездообразования. Сгусток, образующийся в центре коллапсирующего облака, называют протозвездой. Падающий на поверхность протозвезды газ (это явление носит название аккреции) образует ударный фронт, что приводит к разогреву газа до ~106 K. Затем газ, в результате излучения, быстро охлаждается, образуя последовательные слои вещества протозвезды. Когда температура в центре звезды, повышающаяся за счет сжатия звездного вещества за счет гравитационных сил, достигает млн. K, кинетические энергии сталкивающихся ядер водорода оказываются достаточными для преодоления кулоновского отталкивания и начинаются ядерные реакции горения водорода, останавливающие дальнейшее сжатие звезды. Тепло, выделяющееся в процессе термоядерной реакции горения водорода, создает давление, которое противодействует гравитационному сжатию и не позволяет звезде коллапсировать пока происходит сгорание водорода. Это самая длительная стадия в звездной эволюции. Звезда находится в состоянии квазистатического равновесия, при
8 котором энергия, высвобождаемая в термоядерных реакциях, компенсирует потери энергии на излучение с поверхности звезды. По мере того, как в центральной части звезды происходит горение водорода, его запасы там истощаются и происходит накопление гелия. Когда водород в центре звезды выгорел, энергия за счет термоядерной реакции горения водорода не выделяется и в действие вновь вступают силы гравитации. Гелиевое ядро, образовавшееся в центре, начинает сжиматься, нагреваясь еще больше. Кинетическая энергия сталкивающихся ядер гелия увеличивается и достигает величины, достаточной для преодоления сил кулоновского отталкивания. Начинается следующий этап: горение гелия, а затем и более тяжелых ядер. Ядерные реакции синтеза более тяжелых элементов могут продолжаться до тех пор, пока возможно выделение энергии. На завершающем этапе термоядерных реакций в процессе горения кремния образуются ядра в районе железа. Это конечный этап звездного термоядерного синтеза, так как ядра в районе железа имеют максимальную удельную энергию связи. Стадии развития массивной звезды: При температуре 5 10^9K существенную роль начинают играть реакции фоторасщепления железа на нейтроны, протоны и ядра гелия. Эти реакции протекают с поглощением энергии. Звезда теряет устойчивость, кинетическая энергия падающего к центру звезды вещества приводит к быстрому увеличению скорости горения наружных слоев звезды. При температуре K кислород во внешней зоне выгорает в течение нескольких минут. Этот процесс называется взрывом сверхновой, после чего образуется нейтронная звезда или черная дыра.
9 Горение водорода Первые качественные модели реакций горения водорода исходили из следующего: 1. Только ядро водорода, имеющее минимальный электрический заряд, способно преодолеть кулоновский барьер с вероятностью достаточной для слияния ядер при температурах звезд. 2. Водород - самый распространенный элемент во Вселенной. Бете и Вайцзеккер показали, что возможны две различные последовательности реакций преобразования 4-х ядер водорода в ядро 4 He, которые могут обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды: - протон - протонная цепочка (pp - цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий; - углеродно - азотно - кислородный цикл (CNO - цикл), в котором в качестве катализатора участвуют ядра C, N и O. Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды (рис. 13). В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон - протонная цепочка. В более массивных звездах, имеющих более Рис. 13. Зависимость от температуры логарифма скорости V выделения энергии в водородном (pp) и углеродном (CNO) циклах высокую температуру, основным источником энергии является CNO - цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра C, N и O. По современным представлениям температура внутренних слоев Солнца составляет K и доминирующую роль в выделении энергии играет протон - протонная цепочка. Протон - протонная цепочка представлена на рис. 14. Под каждой стрелкой приведено либо время t протекания данной реакции в условиях Солнца, либо период полураспада T1/2 ядра. Для каждой реакции приведена энергия реакции Q..
10 Рис. 14. Протон - протонная цепочка. В звездах с массой большей, чем у Солнца, pp - цепочка не является главным источником энергии. Вещество звезд второго поколения наряду с водородом и гелием содержит более тяжелые элементы, образующиеся в реакциях горения водорода и гелия, и, в частности, азот, углерод, кислород, неон и другие. Эти элементы играют роль катализаторов в реакциях горения водорода. Когда температура в центре звезды приближается к 20 млнk, в звездах начинается цепочка ядерных реакций, в ходе которых ядра углерода испытывают ряд последовательных превращений, а из водорода образуется гелий. Эта цепочка реакций называется CNO - циклом. В процессе CNO-цикла 13С производится в последовательности реакций 12С(p,γ)13N(e+,ve) 13С. В последующем процессе горения гелия нейтрон образуется в реакции 12С(α,n)16О. Цепочка реакций I С+ p = N + γ (Q = 1.94 МэВ) 13 N = 13 C + e+ + νe (Q = 1.20 МэВ, T1/2=10 мин) C + p = N + γ (Q = 7.55 МэВ) 14 N 15 О 15 + p = О 15 = N + γ (Q = 7.30 МэВ) 12 + e+ + νe (Q = 1.73 МэВ, T1/2=124 с) С 15 N+ p 12 4 С+ Нe (Q = 4.97 МэВ). Цепочка реакций II
11 15 16 N + p = O + γ (Q = МэВ), 16 O + p = 17 F + γ (Q = 0.60 МэВ), 17 F 17 = O + e+ + νe (Q = 1.74 МэВ, T1/2=66 c), O+ p = N Цепочка реакций III + α (Q = 1.19 МэВ). 17 O 18 + p = F + γ (Q = 6.38 МэВ), 18 F 18 = O + e+ + νe (Q = 0.64 МэВ, T1/2=110 мин), O+ p = N + α (Q = 3.97 МэВ). На рисунке ниже показана зависимость от температуры логарифма скорость выделения энергии в водородном РР и углеродном CNO-циклах в условиях, характерных для звезд типа Солнца. Так как температура в недрах Солнца ~13 106К, то оно светит в основном за счет энергии, выделяющейся в водородном цикле.
12 Ne - цикл и Mg - Al - цикл. В звездах второго поколения, содержащих Ne, Mg, Al, возможны замкнутые циклы, приводящие к горению водорода с образованием 4 He (рис. 17, 18). Из-за высокого кулоновского барьера ядер Ne, Mg, Al горение водорода при участии катализаторов Ne, Mg, Al возможно при температуре T K. Mg - Al и Ne - циклы не играют существенной роли в выделении ядерной энергии в звездах, однако их необходимо учитывать для правильного описания распространенности изотопов Ne, Mg и Al (рис. 17, 18). Реакции 27 Al(p,γ) 28 Si и 23 Na(p, ) 24 Mg приводят к утечке ядер из Mg - Al и Ne - циклов. Рис. 17. Ne - цикл. Широкой стрелкой указан выход из замкнутого цикла. Рис. 18. Mg - Al - цикл. Широкой стрелкой указан выход из замкнутого цикла. Горение гелия После водорода гелий наиболее распространенный элемент. Во Вселенной в целом на 10 ядер водорода приходится одно ядро гелия. Проблема заключается в том, что реакции между двумя ядрами водорода, двумя ядрами гелия, ядром водорода и ядром гелия приводят либо к несвязанным системам 2He, 5Li, либо к образованию ядра 8Be, имеющего время жизни с: 1H + 1H 2He + γ, 1H + 4He 5Li + γ, 4He + 4He 8Be + γ, где Eγ=0.09 МэВ Однако из-за высокой плотности ядер 4He оказывается, что прежде, чем ядро 8Be снова распадается на две α-частицы, оно успевает провзаимодействовать ещѐ с одним ядром 4He. В результате образуется стабильное ядро 12С: 4He + 8Be 12C МэВ.
13 Горение углерода, кислорода В результате горения гелия в центре звезды образуется углерод, и термоядерные реакции в центре звезды вновь останавливаются. Основными процессами при этом являются последовательный захват ядер гелия с образованием α-кратных ядер 12C α 16O α 20Ne α 24Mg α 28Si и реакции слияния углерода и кислорода 12C+12C, 16O+16O, 12C+16O. Горение кремния Результатом α-процесса в звездах является обогащение ядра звезды изотопом 28Si, так как, с одной стороны, для этого изотопа существуют различные возможности быстрого синтеза, а с другой он обладает повышенной устойчивостью. На этой стадии эволюции массивных звѐзд существенную роль начинают играть многочисленные реакции с участием протонов, нейтронов, α-частиц и γквантов. Протоны, нейтроны, α-частицы появляются внутри звезды за счѐт реакций расщепления под действием γ-квантов уже образованных элементов. Эти реакции приводят к образованию элементов в районе железного максимума на основе исходных ядер 28Si.
14 Реакции под действием нейтронов Распространенность элементов, расположенных в области за железом, относительно слабо зависит от массового числа A. Это свидетельствует об изменении механизма образования этих элементов. Образование этих элементов в результате взаимодействия заряженных частиц сильно подавлено из-за кулоновского барьера. Фактор, который также необходимо принять во внимание, состоит в том, что большинство тяжелых элементов являются - радиоактивными. По современным представлениям тяжелые элементы образуются в реакциях захвата нейтронов. Обычно различают быстрый (r) и медленный (s) процессы захвата нейтронов (от английских слов rapid и slow). Эти два механизма различаются отношением скорости захвата нейтронов (реакция (n, )) к скорости -распада. При условии τβ /τ(n,γ) << 1 в цепочку процессов образования тяжелых элементов будут вовлечены только стабильные и -радиоактивные ядра с большими периодами полураспада. То есть образование элементов будет происходить вдоль долины -стабильности. Нейтроны добавляются к ядрам последовательно. При этом могут образоваться только сравнительно устойчивые ядра. Ядра с малыми периодами полураспада исчезают раньше, чем они успевают захватить следующий нейтрон. Поэтому ясно, что образование тяжелых элементов должно заканчиваться свинцом и висмутом. На рис. 29 показана схема образования тяжелых элементов в s-процессе По современным представлениям примерно половина наблюдаемого количества элементов с A > 60 образуется в результате s- процесса. Медленный s-процесс происходит в оболочках красных гигантов. Конкретный набор изотопов и соотношение между ними, получающееся в реакциях медленного захвата нейтронов, зависит от соотношения скоростей процессов β-распада и захвата нейтронов. Рис. 29. Образование элементов в s - процессе. При условии τβ /τ(n,γ) >> 1 в процесс образования тяжелых элементов будет дополнительно вовлечено большое количество β- радиоактивных элементов с короткими периодами полураспада (так называемое образование r-элементов ). Выбор в качестве исходного материала более легких ядер наталкивается на большие трудности. Во-первых, чем легче исходное ядро, тем большее число нейтронов должно быть захвачено и время образования тяжелых элементов существенно увеличивается. Вовторых, отсутствие стабильных ядер с A = 5 и A = 8 приводит к тому, что этот рубеж нельзя перейти путем последовательного захвата нейтронов. В - третьих, сечение радиационного захвата нейтронов для ядер 12 C, 16 O и 40 Ca составляет крайне малую величину и следовательно время образования тяжелых элементов должно увеличиваться на несколько порядков. Эти аргументы наиболее существенны для выбора в качестве
15 исходных нуклидов ядер области железного пика. Наиболее важным аргументом в пользу механизма образования тяжелых элементов в реакциях захвата нейтронов является следующий. Оказывается, что произведение сечения захвата нейтронов σn,γ(a) с энергией кэв на распространенность ядер n(a) долины β-стабильности является монотонно меняющейся величиной, в то время как сечение σn,γ реакции (n,γ) и распространенность элементов сильно варьируется от ядра к ядру. В частности, это объясняет почему ядра с магическими числами N и Z встречаются чаще. s - Процесс имеет надежное экспериментальное подтверждение. На рис. 30 в соответствии с предсказанием модели, опирающейся на механизм медленного последовательного захвата нейтронов, произведение n σ действительно близко к константе на некоторых участках (A =90-130, ). Для того, чтобы в звездах эффективно протекал s-процесс необходимы определенные условия. 1. Температура вещества T должна быть больше 10 8 K для того, чтобы могли происходить ядерные реакции с образованием нейтронов. 2. Плотность нейтронов должна превышать см Условия 1 и 2 должны существовать в звезде в течение достаточно продолжительного времени (больше 10 3 лет), чтобы путем последовательного захвата нейтронов могли образовываться тяжелые ядра. 4. Продукты s-процесса должны эффективно выноситься во внешнюю оболочку звезды и попадать в межзвездную среду без дальнейших ядерных реакций. Рис. 30. Экспериментальная зависимость n от массового числа A
16 Основная проблема при описании s-процесса - источник нейтронов. Обычно в качестве источника нейтронов рассматривают две реакции - 13 C(α,n) 16 O и 22 Ne(α,n) 25 Mg. Образование нейтронов происходит в следующей цепочке реакций: 12 C + p 13 N + γ 13 N 13 C + e + + e 13 C + α 16 O + n (Q = 1.94 МэВ), (Q = 1.20 МэВ, T1/2=10 мин), (Q = 2.22 МэВ). (3) Дополнительным источником нейтронов с плотностью н/см 3 при T ~ 10 8 K могут быть фотоядерные (фотонейтронные) реакции: 13 C + γ 12 C + n (Q= МэВ), 14 N + γ 13 N + n (Q= МэВ). (4)
17 Х-процесс Изотопы Li, Be, B образуются в реакциях расщепления (скалывания) при взаимодействии галактических космических лучей с веществом межзвёздной среды: 1) лёгкая компонента космических лучей (быстрые протоны и α-частицы) в результате столкновения с тяжёлыми ядрами межзвёздной среды вызывает расщепление их с образованием изотопов Li, Be, B, которые затем смешиваются с межзвёздной средой; 2) быстрые ядра С, N, O, входящие в состав космического излучения, сталкиваясь с ядрами Н и Не, превращаются в Li, Be, B. Рис Основные компоненты первичных космических лучей. Рис Каскад вторичных частиц в атмосфере Земли. Е-процесс. Процесс, в котором в условиях термодинамического равновесия образуются элементы, расположенные в районе железного максимума. P-процесс. Это образование наиболее легких изотопов ядер. Он включает в себя образование и захват позитронов, захват протона, фоторождение нейтрона, (p,n) - реакции.
18 Заключение Если считать Вселенную закрытой (то есть имеющей положительное искривление по сравнению с Евклидовым пространством), то через десятки миллиардов лет начнется ее сжатие. Если же Вселенная открытая, то есть плоская, то сначала погаснут звезды (Солнце превратится в белый карлик через ~5 млрд лет, а еще раньше погаснут более массивные звезды). Хотя процесс образования звезд происходит и в настоящее время, наступит эпоха когда новые звезды не будут рождаться, запасы ядерной материи будут исчерпаны (~1014 лет). Через лет прекратят существование галактики, причем около 90% звездной материи будет рассеяно в межгалактическом пространстве, а оставшиеся 10% - затянуто в черные дыры. Но в конце концов на месте каждой галактики останется одна сверхмассивная черная дыра. Рассеянная в пространстве ядерная материя исчезнет за счет распада внутриядерных нуклонов ( лет). В конце концов из всех массивных объектов Вселенной образуются супергалактические черные дыры. И, наконец, эти черные дыры будут испаряться, этот крйне медленный процесс завершится через лет. При этом во Вселенной останется, главным образом, сильно разреженный газ электронов, позитронов, фотонов и нейтрино лептонная пустыня, изредка «тревожимая» холодными фотонами.
19 Литература Б.С. Ишханов, М. Е. Степанов, Т. Ю. Третьякова Семинары по физике частиц и атомного ядра Б.C. Ишханов, И.М. Капитонов, И.А. Тутынь «Нуклеосинтез во Вселенной»
docplayer.ru
Киевский национальний университет
им. Т.Г.Шевченко
философский факультет
заочное отделение
первый курс, направление: философия
дисциплина: физика
студент: А.В. Фойгт
преподаватель: С.Г. Остапченко
2003
ПЛАН:
1
При разработке теории Большого Взрыва и природы источника энергии Солнца в конце 30-х гг. ХХ века Х.Бете и К.Вейцзекер пришли к выводу, что генерирование энергии звезд, в т.ч. и Солнца, связано с образованием ядер гелия.
В соответствии с доработанной Г.Гамовым теорией Большого Взрыва Вселенной, последняя прошла т. наз. эру нуклеосинтеза – время образования протонов и нейтронов, вслед за ними – изотопов водорода, гелия и лития. Однако идея образования всех атомов на ранней стадии расширения Вселенной путем присоединения нейтронов и последующим отрицательным бэта-распадом потерпела неудачу в связи с тем, что в природе отсутствуют ядра с массовыми числами 5 и 8.
Э.Салпетер был первым, кто установил, что наряду с горением водорода в недрах звезд возможно также и горение гелия с образованием углерода. Это и послужило основой для современных теорий ядерного синтеза.
Согласно современным научным представлениям, все химические элементы образовываются в результате внутризвездных процессов, и это влияет на эволюцию звезд в целом
На основе данных о химических элементах в природе, ученые пришли к выводу, что наиболее вероятным источником образования большинства ядер являются последовательности ядерных процессов, протекающих в недрах звезд.
Химический состав Земли, Луны и метеоритов можно установить непосредственно, однако состав планет Солнечной системы менее известен, сведения о нем основываются на величине средней плотности вещества планет. При исследовании состава солнца, звезд и межзвездных газовых туманностей используется спектральный анализ, но он дает информацию только об атмосфере той или иной звезды. К примеру, в атмосфере Солнца зафиксированы около 70 элементов, тем не менее, некоторые элементы не представляется возможным обнаружить ни в атмосфере Солнца, ни в атмосфере звезд. В результате было сделано заключение, что в хорошем приближении содержание элементов в атмосфере звезд согласуется с их содержанием для Земли и метеоритов.
В 1956 году Г.Зюссом и Г.Юри на основе химического состава Земли, метеоритов и Солнца была составлена таблица распространенности элементов. Она примечательна тем, что демонстрирует немалое превосходство по рапространенности среди элементов с массовым числом 40-60 группы железа.
2
Образование ядер химических элементов от углерода до группы железа происходит в результате гелиевого, углеродного, кислородного, неонового и кремниевого горения в недрах звезд. Примечательно, что в лабораторных условиях энергии сталкивающихся частиц намного превышают аналогичные в недрах звезд, поэтому полученные эффективные сигма-сечения не могут быть приняты для астрофизических реакций.
В результате горения гелиевого ядра звезды температура ее поверхности может даже снизиться, и после изменения физических свойств звезда превращается в красный гигант. В момент, когда температура в ядре звезды достигает 1.5 х 108 К, а плотность – 5 х 104 г/см3, начинается так. наз. тройная реакция: из трех атомов гелия образуется атом углерода. Наряду с рассмотренной возможна реакция с образованием кислорода из углерода и гелия с выделением гамма-частиц. Образующиеся ядра кислорода реагируют с гелием, и в результате формируется
неон. Из неона – марганец. Процесс горения гелия сопровождается другими реакциями с образованием различных нуклидов.
В результате гравитационного сжатия ядра звезды начинается слияние ядер углерода с образованием ядер неона, натрия и магния. Одновременно образуются аллюминий, кремний и некоторые соседние нуклиды.
Углерод может загораться и поддерживать горение лишь в массивных звездах. В звездах всего лишь в несколько раз превышающих по массе Солнце углеродное ядро может и не образовываться.
Горение неона характеризуется короткой стадией и заключается в фотодиссоциации. Следом за неоном происходит многоканальное горение кислорода, затем по мере роста температуры и плотности следует горение кремния – конечная стадия термоядерного синтеза нуклидов в массивных звездах, на которой образуются ядра группы железа, обладающие максимальной удельной энергией связи. Звезда с железным ядром находится в стадии предсверхновой, которая предшествует взрыву вследствие нарушения равновесия.
3
Образование атомных ядер, расположенных в таблице за группой железа, обеспечивается другими механизмами. Такие нуклиды образовываются в результате s-, r- и p-процессов. s-процесс представляет собой медленный захват нейтронов, при котором образующиеся неустойчивые ядра распадаются прежде, чем успеют присоединить следующий нейтрон. s-процесс идет в недрах звезд при их нормальной стадии эволюции.
Тяжелые и сверхтяжелые элементы таблицы Менделеева, стоящие за Bi, образуются вследствие r-процесса. В этом процессе ядро должно захватить много нейтронов, прежде чем произойдет его отрицательный бэта-распад. Возможными астрофизическими условиями протекания r-процесса считаются механизмы, являющиеся следствием взрывов сверхновых, так как реакции быстрого захвата нейтронов в стационарных звездах невозможны. Окончание r-процесса прерывается спонтанным делением сверхтяжелых ядер. Быстрый захват нейтронов был частично реализован в искусственных условиях при взрывах ядерных бомб, начиненных ураном-238.
p-процесс представляет собой образование редких, богатых протонами ядер путем захвата протонов или позитронов, так как ни одним процессом нейтронного захвата эти ядра не могут быть созданы. Однако физические модели условий протекания p-процесса в звездах остаются пока в большей степени неоднозначными по сравнению с процессами захвата электронов.
4
Легкие нуклиды лития, берилла и бора характеризуются более низкой распространенностью и стабильностью по отношению к гелию, углероду, азоту и кислороду и не могут образовываться в процессе обычного нуклеосинтеза в недрах звезд, т.к. они легко разрушаются.
На сегодняшний день ученые придерживаются гипотезы скалывания – образования ядер легких элементов путем реакции деления ядер углерода, азота и кислорода при столкновении с ядрами водорода и гелия либо в космических лучах, либо космических лучей с атомами межзвездных газовых облаков. Космические лучи – это поток заряженных частиц, включая ядра атомов, которые заполняют пространство Галактики. Их источником считаются взрывы сверхновых звезд. Содержание лития, берилла и бора в космических лучах на пять порядков больше, чем в звездах. Это указывает на то, что реакции скалывания имеют место в космических лучах.
В космических лучах бора больше, чем лития и берилла, а в Галактике – лития больше чем берилла и бора.
Образование химических элементов, за исключением водорода и гелия, из которых сформировалась Солнечная система, произошло в звездах предшествующего Солнцу поколения. Есть основания полагать, что Солнечная система образовалась из газопылевого облака – остатка сверхновых, которые прошли все этапы звездного нуклеосинтеза и взорвались.
www.ronl.ru
1. Введение.
2. Синтез ядер от углерода до группы железа
3. Образование тяжелых и сверхтяжелых элементов
4. Происхождение легких элементов
При разработке теории Большого Взрыва и природы источника энергии Солнца в конце 30-х гг. ХХ века Х.Бете и К.Вейцзекер пришли к выводу, что генерирование энергии звезд, в т.ч. и Солнца, связано с образованием ядер гелия.
В соответствии с доработанной Г.Гамовым теорией Большого Взрыва Вселенной, последняя прошла т. наз. эру нуклеосинтеза – время образования протонов и нейтронов, вслед за ними – изотопов водорода, гелия и лития. Однако идея образования всех атомов на ранней стадии расширения Вселенной путем присоединения нейтронов и последующим отрицательным бэта-распадом потерпела неудачу в связи с тем, что в природе отсутствуют ядра с массовыми числами 5 и 8.
Э.Салпетер был первым, кто установил, что наряду с горением водорода в недрах звезд возможно также и горение гелия с образованием углерода. Это и послужило основой для современных теорий ядерного синтеза.
Согласно современным научным представлениям, все химические элементы образовываются в результате внутризвездных процессов, и это влияет на эволюцию звезд в целом
На основе данных о химических элементах в природе, ученые пришли к выводу, что наиболее вероятным источником образования большинства ядер являются последовательности ядерных процессов, протекающих в недрах звезд.
Химический состав Земли, Луны и метеоритов можно установить непосредственно, однако состав планет Солнечной системы менее известен, сведения о нем основываются на величине средней плотности вещества планет. При исследовании состава солнца, звезд и межзвездных газовых туманностей используется спектральный анализ, но он дает информацию только об атмосфере той или иной звезды. К примеру, в атмосфере Солнца зафиксированы около 70 элементов, тем не менее, некоторые элементы не представляется возможным обнаружить ни в атмосфере Солнца, ни в атмосфере звезд. В результате было сделано заключение, что в хорошем приближении содержание элементов в атмосфере звезд согласуется с их содержанием для Земли и метеоритов.
В 1956 году Г.Зюссом и Г.Юри на основе химического состава Земли, метеоритов и Солнца была составлена таблица распространенности элементов. Она примечательна тем, что демонстрирует немалое превосходство по рапространенности среди элементов с массовым числом 40-60 группы железа.
2
Образование ядер химических элементов от углерода до группы железа происходит в результате гелиевого, углеродного, кислородного, неонового и кремниевого горения в недрах звезд. Примечательно, что в лабораторных условиях энергии сталкивающихся частиц намного превышают аналогичные в недрах звезд, поэтому полученные эффективные сигма-сечения не могут быть приняты для астрофизических реакций.
В результате горения гелиевого ядра звезды температура ее поверхности может даже снизиться, и после изменения физических свойств звезда превращается в красный гигант. В момент, когда температура в ядре звезды достигает 1.5 х 108К, а плотность – 5 х 104 г/см3, начинается так. наз. тройная реакция: из трех атомов гелия образуется атом углерода. Наряду с рассмотренной возможна реакция с образованием кислорода из углерода и гелия с выделением гамма-частиц. Образующиеся ядра кислорода реагируют с гелием, и в результате формируется неон. Из неона – марганец. Процесс горения гелия сопровождается другими реакциями с образованием различных нуклидов.
В результате гравитационного сжатия ядра звезды начинается слияние ядер углерода с образованием ядер неона, натрия и магния. Одновременно образуются аллюминий, кремний и некоторые соседние нуклиды.
Углерод может загораться и поддерживать горение лишь в массивных звездах. В звездах всего лишь в несколько раз превышающих по массе Солнце углеродное ядро может и не образовываться.
Горение неона характеризуется короткой стадией и заключается в фотодиссоциации. Следом за неоном происходит многоканальное горение кислорода, затем по мере роста температуры и плотности следует горение кремния – конечная стадия термоядерного синтеза нуклидов в массивных звездах, на которой образуются ядра группы железа, обладающие максимальной удельной энергией связи. Звезда с железным ядром находится в стадии предсверхновой, которая предшествует взрыву вследствие нарушения равновесия.
3
Образование атомных ядер, расположенных в таблице за группой железа, обеспечивается другими механизмами. Такие нуклиды образовываются в результате s-, r- и p-процессов. s-процесс представляет собой медленный захват нейтронов, при котором образующиеся неустойчивые ядра распадаются прежде, чем успеют присоединить следующий нейтрон. s-процесс идет в недрах звезд при их нормальной стадии эволюции.
Тяжелые и сверхтяжелые элементы таблицы Менделеева, стоящие за Bi, образуются вследствие r-процесса. В этом процессе ядро должно захватить много нейтронов, прежде чем произойдет его отрицательный бэта-распад. Возможными астрофизическими условиями протекания r-процесса считаются механизмы, являющиеся следствием взрывов сверхновых, так как реакции быстрого захвата нейтронов в стационарных звездах невозможны. Окончание r-процесса прерывается спонтанным делением сверхтяжелых ядер. Быстрый захват нейтронов был частично реализован в искусственных условиях при взрывах ядерных бомб, начиненных ураном-238.
p-процесс представляет собой образование редких, богатых протонами ядер путем захвата протонов или позитронов, так как ни одним процессом нейтронного захвата эти ядра не могут быть созданы. Однако физические модели условий протекания p-процесса в звездах остаются пока в большей степени неоднозначными по сравнению с процессами захвата электронов.
4
Легкие нуклиды лития, берилла и бора характеризуются более низкой распространенностью и стабильностью по отношению к гелию, углероду, азоту и кислороду и не могут образовываться в процессе обычного нуклеосинтеза в недрах звезд, т.к. они легко разрушаются.
На сегодняшний день ученые придерживаются гипотезы скалывания – образования ядер легких элементов путем реакции деления ядер углерода, азота и кислорода при столкновении с ядрами водорода и гелия либо в космических лучах, либо космических лучей с атомами межзвездных газовых облаков. Космические лучи – это поток заряженных частиц, включая ядра атомов, которые заполняют пространство Галактики. Их источником считаются взрывы сверхновых звезд. Содержание лития, берилла и бора в космических лучах на пять порядков больше, чем в звездах. Это указывает на то, что реакции скалывания имеют место в космических лучах.
В космических лучах бора больше, чем лития и берилла, а в Галактике – лития больше чем берилла и бора.
Образование химических элементов, за исключением водорода и гелия, из которых сформировалась Солнечная система, произошло в звездах предшествующего Солнцу поколения. Есть основания полагать, что Солнечная система образовалась из газопылевого облака – остатка сверхновых, которые прошли все этапы звездного нуклеосинтеза и взорвались.
www.ronl.ru
Объединение протонов и нейтронов (нуклонов) в составные ядра атомов протекает с участием ядерных сил, радиус действия которых не превышает 10-13 см. Для сближения нуклонов на такие расстояния необходимо по крайней мере выполнения двух условий: свободные нуклоны должны обладать энергией, позволяющей им сблизится до указанных расстояний; их энергия не должна при этом превышать энергию нуклонов в ядре, иначе объединение не сможет устойчиво существовать. Поэтому нуклеосинтез может протекать в интервале температур с верхней границей порядка 1 млрд., градусов. В условиях вселенной на этапе нуклеосинтеза образование составных ядер возможно только на соединения протонов с нейтронами. Соединение протона с нейтроном создает ядро дейтерия, с двумя нейтронами – ядро трития (изотопы водорода). В основе объединения двух и большего числа протонов лежит процесс нерезонансного захвата нейтрона протоном. В таком процессе захваченный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино и образуется устойчивое ядро к которому присоединяется еще 1 или 2 нейтрона и т.д. Однако в этом случае элементы с атомной массой 5 и 8 оказываются неустойчивыми и распадаются. Явл., наз., “щелью массы”. Таким образом нуклеосинтез в начальной фазе развития вселенной не образовать наблюдаемого в сегодняшней многообразия химических элементов, поэтому его назвали первичным нуклеосинтезом.
Реликтовое излучение: К моменту времени, когда радиус вселенной достиг около 100 млн., парсек (3,3 светового года; 1016 м), а плотность снизилась до 10-22 г/см3, t= 3000 К. В этих условиях электроны получили возможность прочно соединятся с ядрами, образуя устойчивые атомы водорода и гелия. Свободные электроны быстро исчезли, результате быстро прекратилось их взаимодействие с фотонами и барионное вещество (атомы водорода, гелия и их изотопы) вселенной стало прозрачным. Излучение отделилось от атомарного и образовало то, что в нашу эпоху назвали реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило “память” о структуру барионного вещества в момент разделения. В наши дни температура Р. и. Составляет около 3 К, что соответствует равновесному излучению абсолютно черного тела на длинах волн в области от 10 до 0,05 см. Реликтовое излучение обнаружено экспериментально в 1964 г. Оно подтверждает горячие происхождение вселенной. В частности оно подтверждает, что к моменту протекания рекомбинации (соединение электронов с ядрами) барионное вещество во вселенной распределялось исключительно однородно и изотропно.
Разбегание галактик. Возраст метагалактики. Космологический горизонт. Масштабы вселенной.
Вселенная – это весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, называется Метагалактикой , или нашей вселенной. Размеры метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15-20 млрд., световых лет. В метагалактике пространство заполнено чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и пронизывается межгалактическими лучами. В нем существуют гравитационные и электромагнитные поля и т.д. Расстояние между нашей галактикой и другими галактиками непрерывно увеличивается, происходит взаимное удаление всех галактик (спиральные, эллиптические, неправильные). Сама метагалактика нестационарна. Возраст метагалактики 1,5*1010 лет. Закон Хабла: чем дальше от нас галактики, тем с большей скоростью они удаляются.
Строение и эволюция вселенной изучается космологией . Космология – один из трех разделов естествознания, которые по своему существу всегда находятся на стыке наук. Космология использует достижения и методы физики, математики, философии. Предмет космологии – весь окружающий нас мегамир, вся “большая вселенная”, и задача ее состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции вселенной. Выводы космологии имеют больше мировоззренческое значение.
www.ronl.ru
www.hep.by
Чтобы представить космические масштабы, приведем значения некоторых расстояний, определяя их через время, за которое свет проходит эти расстояния. От Земли до Луны свет идет 1.28 с, от Солнца до Земли – 8.3 мин, от Солнца до самой далекой планеты Солнечной системы - Плутона – 5.6 часа. Расстояние от Солнца до ближайшей звезды 
-Центавра - 4 световых года, диаметр нашей Галактики ~100 000 световых лет, а Солнечная система расположена примерно в 25 000 световых лет от ее центра. В 120 000 световых лет от нашей Галактики расположены два спутника - меньшие галактики (Магеллановы Облака). Примерно в 1,5 млн. световых лет в созвездиях Андромеды и Треугольника находятся галактики одного с нашей масштаба со своими спутниками. Все эти галактики образуют Местное скопление галактик, входящее в состав Сверхгалактики, ядро которой - сотни галактик - лежит в созвездии Девы. Диаметр Сверхгалактики ~100 млн. световых лет.
Наиболее далекие наблюдаемые астрономические объекты удалены примерно на 4 млрд. световых лет.
Наша Галактика содержит порядка 100 млрд. звезд, газовые и пылевые туманности.
Основные характеристики звезд: масса M, радиус R, светимость L, то есть отношение мощности излучения звезды к мощности излучения Солнца, спектральный состав излучения, определяемый температурой внешней части звезды и наличием на ней различных химических элементов.
У нашего Солнца (желтого карлика) 
=2·1030 кг, 
=7·108 м, мощность излучения 4·1026 Вт, температура поверхности 
=6000 К.
Параметры звезд лежат в пределах: M=(0.03÷60)·
,R от ~10 км (нейтронная звезда) до 100·
(сверхгигант), светимость стационарных звездL=10-4÷105, температура поверхности от сотен тысяч кельвинов (голубые) до ~3000 К (красные).
По современным представлениям, звезды возникают в результате гравитационного сжатия (первичного гравитационного коллапса) межзвездных газопылевых облаков. В ходе сжатия за счет уменьшения расстояния между частицами уменьшается потенциальная энергия их гравитационного взаимодействия, но возрастает кинетическая энергия их хаотического теплового движения, то есть повышается температура.
При невысокой степени сжатия зарождающаяся звезда (протозвезда) имеет еще невысокую температуру и ее излучение должно лежать не в видимом, а в более длинноволновом диапазоне - инфракрасном. Наблюдаемые в областях повышенной концентрации газа и пыли мощные источники инфракрасного излучения с малыми угловыми размерами являются, по-видимому, такими протозвездами. Их открытие свидетельствует о продолжении во Вселенной процесса звездообразования. В 1947 г. В.А. Амбарцумян (сов.) открыл звездные ассоциации - целые группы молодых звезд.
При дальнейшем сжатии звезды ее температура повышается настолько (до десятков и сотен миллионов градусов), что начинает протекать реакция термоядерного синтеза, то есть слияния легких ядер (в первую очередь - ядер водорода) в более тяжелые ядра, сопровождающаяся выделением энергии.
Большинство наблюдаемых звезд (обычные звезды, называемые также звездами главной последовательности), в том числе - Солнце, находятся на стадии водородного синтеза, являющегося основным этапом их эволюции. Для звезд главной последовательности теория предсказывает, и астрономические данные подтверждают, что при увеличении массы звезды увеличивается, но не столь же быстро, и ее радиус (R~M0.75), но очень резко возрастает светимость вследствие увеличения температуры в ее недрах и скорости «сжигания» водорода. То есть при увеличении массы обычной звезды ее температура повышается, чему соответствует изменение цвета от красного до голубого, а длительность «выгорания» водорода сокращается от ~10 млрд. лет для нашего Солнца до 1-10 млн. лет для голубых гигантов (современный возраст Солнца оценивается в ~6 млрд. лет).
В обычных звездах, как правило, гравитационное сжатие уравновешивается давлением плазмы и параметры звезды (R, L) поддерживаются стабильными.
Но иногда наблюдаются автоколебания - пульсации размеров, температуры и светимости звезд. Такие звезды называются цефеидами, а также «маяками Вселенной», так как, во-первых, они являются гигантами и сверхгигантами и видны издалека. Во-вторых, установлена четкая связь между периодом пульсаций цефеид и их средней светимостью, что позволяет установить их светимость, а, сопоставляя светимость с наблюдаемой с Земли яркостью, - расстояние до цефеид.
Завершается эволюция звезд по-разному. Как правило, когда термоядерное горючее исчерпывается, ядро сжимается и нагревается, а оболочка расширяется и остывает - возникает красный гигант. В ядре возможно протекание реакций и с более тяжелыми ядрами. Если масса исходной звезды 
, то возможен отрыв (сброс) оболочки с образованием газовой туманности и остатка звезды - обнаженного очень горячего ядра - белого карлика (
). Белые карлики составляют 3-10% всех звезд. Температура поверхности белых карликов лежит в пределах от ~70 000 К до ~5 000 К у старых, остывших («красных») белых карликов. Основной источник энергии их свечения - запасенная на стадии термоядерного синтеза энергия движения частиц.
Некоторые звезды в конце эволюции вспыхивают, увеличивая свою светимость за несколько часов во много раз: от сотен тысяч (Новые звезды) до 1010 (Сверхновые звезды). Последний раз Сверхновая звезда в нашей Галактике наблюдалась в 1604 г. И. Кеплером. Появление Новых и Сверхновых звезд объясняется взрывом ранее существовавшей звезды с полным ее уничтожением или резким сбросом значительной части оболочки.
Взрыв Сверхновой возможен в звездах с массой 
, где в основном выгорелиH и He, и образовалось углеродно-кислородное ядро (CO-ядро) массой MCO Если MCO
(масса исходной звезды больше
), то спокойное протекание реакции с участиемC и O ведет к образованию железного ядра массой MFe
с дальнейшим вторичным гравитационным коллапсом и возникновением нейтронной звезды или черной дыры.
Если же MCO
и имеется водородно-гелиевая оболочка, то возможно развитие процесса, при котором произойдет либо очень быстрая термоядерная реакция на основеC (взрыв) с уничтожением звезды, либо быстрый коллапс с взрывным сбросом оболочки и образованием нейтронной звезды.
Упоминающиеся нейтронные звезды возникают, если масса звезды превышает критическое значение 
(масса Чандрасекара
), но меньше
. В условиях высокой плотности и большой энергии электронов происходит нейтронизация вещества (
) – превращение протонов в нейтроны, и возникающая звезда состоит в основном из нейтронов, а ее плотность примерно равна плотности атомного ядра ~1017 кг/м3. При такой плотности Солнце имело бы радиус 17 км. Первая нейтронная звезда была открыта в 1967 г. в центре Крабовидной туманности, возникшей на месте взрыва в 1054 г. Сверхновой звезды, в виде пульсара - мощного импульсного источника радио- и рентгеновского излучения. Считается, что период пульсаций излучения пульсаров (от 0.033 с до 4.3 с) есть период вращения нейтронной звезды. Все известные пульсары расположены в нашей Галактике.
В 1960 г. были обнаружены внегалактические чрезвычайно мощные источники электромагнитного излучения - квазары (от англ. quasi-stellar radiosource - квазизвездный радиоисточник). Мощность их радиоизлучения ~1036 0Вт, инфракрасного ~1040 Вт, видимого ~1039 Вт, что в 103÷104 раз превышает суммарную мощность излучения всех звезд крупной галактики, причем размеры квазаров не превышают размеров Солнечной системы. Возможно, квазары - ядра некоторых галактик, где в компактном звездном скоплении с массой ~108·
происходят столкновения звезд, вспышки Сверхновых. Возможно, квазары возникают в результате перетягивания (акреции) вещества из двойной или тройной звездной системы на черную дыру.
Акрецией материи в системе двойных звезд (одна - красный гигант, другая - белый карлик, нейтронная звезда или черная дыра) объясняют и появление Новых звезд. Так, если водород из оболочки красного гиганта будет перетекать на белый карлик, где водород уже выгорел, то он будет накапливаться в течение некоторого времени, а затем произойдет термоядерный водородный взрыв - вспышка Новой звезды.
Наконец, в завершение эволюции звезд с 
(естественно, что
) возможно образование черных дыр. Черная дыра - тело, сжатое до размеров, меньших гравитационного радиуса
, формула которого была получена в 1916 г. К. Шварцшильдом (нем.):
. (4.4)
Для тела массой M сфера радиусом 
называется сферой Шварцшильда (для Солнца
3 км).
По общей теории относительности при сжатии тела массой M в сферу радиусом 
гравитационные силы возрастают до бесконечности, преодолевают любую силу упругости и сжимают материю в точку. Никакие сигналы (свет, частицы), испущенные внутри сферы Шварцшильда, не могут ее покинуть и существование черной дыры проявляется лишь в гравитационном воздействии на окружающие сферу Шварцшильда тела. Причем на достаточном удалении от черной дыры ее гравитационное воздействие описывается обычным законом всемирного тяготения. Если черная дыра образует двойную звезду с обычной, то перетекание вещества от обычной звезды в черную дыру должно сопровождаться разгоном частиц и возникновением рентгеновского излучения. Поэтому черная дыра, вернее - окружающая ее область пространства, должна проявлять себя как источник рентгеновского излучения, идущего от ненаблюдаемого объекта. Такие источники, могущие оказаться черными дырами, уже обнаружены.
Нуклеосинтез - цепочка ядерных реакций слияния легких ядер, ведущих к образованию более тяжелых.
В исследованной части мира 99,9% вещества (по массе) составляют H и He. Из других элементов наиболее распространены C, O, N, Ne, Mg, Si, S, Ar, Fe.
Для звезд главной последовательности, в том числе - Солнца, основными являются реакции водородного и углеродного (углеродно-азотного) циклов. Эти реакции были открыты в 1938-39 гг. Х. Боте (род. во Франции, работал в Герм., Великобр., США, Нобелевская премия 1967 г.).
Водородный цикл протекает при температуре порядка 10 млн. градусов и состоит из следующих реакций (над стрелками указано среднее время, за которое происходит одна такая реакция):
1D2
,
+ 1D2
2He3
2He3 + 2He3
2He4 + 2 
,
где 
- протон, то есть ядро 1h2 обычного водорода, 1D2 - ядро тяжелого водорода, 
- позитрон, 
- электронное нейтрино,
- гамма-квант (фотон).
Если записать в уравнении слева только израсходованные частицы, а справа - возникшие в конечном итоге и учесть энергию, выделившуюся в виде излучения и кинетической энергии продуктов реакции, то получим:
4 
2He4
МэВ.
При температуре порядка 20 млн. градусов протекает углеродный цикл, в ходе которого сам углерод не расходуется, а является лишь катализатором реакции:
+ 6C12
7N13
,
7N13
6C13
,
+ 6C13
7N14
,
+ 7N14
8O15
,
8O15
7N15
,
+ 7N15
6C12 + 2He4,
или в сокращенном виде:
2He4
МэВ.
При температуре ~200 млн. градусов протекает так называемый 
-процесс:
3 2He4
6C12
7.3 МэВ,
и последующие процессы: 6C12 + 2He4
8O16
, 8O16 + 2He4
10Ne20
и так далее вплоть до возникновения 14Si28.
При T~3-10 млрд. градусов протекает e-процесс образования железа и близких к нему элементов.
Более тяжелые ядра возникают за счет захвата нейтронов. При s-процессе - медленном захвате нейтронов, возникают ядра, неустойчивые относительно электронного 
-распада:
, 
,
в результате чего синтезируются ядра с относительно большим числом протонов, вплоть до 83Bi209.
При r-процессе до 
-распада успевает произойти захват нескольких нейтронов и синтезируются ядра с относительно большим числом нейтронов, вплоть доU, Th. Особенно эффективно r-процесс должен протекать в начальный момент вспышки Сверхновой звезды.
studfiles.net
nuclphys.sinp.msu.ru
