Биологический каталог




Лекции по экологии

Автор О.В.Богданкевич

хождения в сферу Шварцшильда и начинают излучать электромагнитные волны.

Эти электромагнитные волны, претерпевшие сильное красное гравитационное смещение, радиоастрономы наблюдают в СВЧ-диапазоне.

Похожее радиоизлучение наблюдается и в области, находящейся в центре ядра нашей галактики, где концентрация звезд значительно превосходит ту, что наблюдается в окрестности Солнца.

Вполне возможно, что ядро нашей галактики представляет собой огромную черную дыру, масса которой в миллионы раз превышает массу Солнца. В таком случае плотность вещества там может значительно превосходить плотность ядерной материи. И пока теоретики не очень представляют, как там течет время и каковы свойства материи при таких сверхвысоких ее плотностях.

4. Происхождение химических элементов

Совершенно очевидно, что жизнь не могла бы возникнуть на Земле, если бы в природе не существовали тяжелые элементы, по крайней мере тяжелее кальция, из которого состоят скелеты большинства животных, железа, без которого невозможен обмен веществ в организме, и целого ряда других, более тяжелых элементов, необходимых для всех живых существ в микроконцентрациях.

Молодая Вселенная состояла в основном из водорода и гелия. Но постепенно в недрах звезд, образовавшихся из газовых скоплений в результате термоядерных процессов, стали образовываться более тяжелые элементы.

Впервые объяснение этому явлению дал известный немецкий физик-теоретик Ханс Альбрехт Бете, уехавший в США из Германии в 1933 г. За работы по физике ядерных реакций и в частности за объяснения механизма термоядерных реакций в 1967 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике.

Для образования тяжелых элементов из водорода и гелия нужны нейтроны. Частично нейтроны образуются уже при первичных термоядерных реакциях горения водорода:

p + p = D + e++v, D + p = 3He + y,

D + D = 3He + n.

Часть нейтронов быстро захватывается протонами в реакции

р + n = D + у.

К образованию ядер 4 Не приводит реакция

3Не + 3Не = 4Не + 2р,

замыкающая цикл.

Важно, что последняя реакция имеет существенно меньшую скорость протекания, чем предыдущие реакции, обусловленную вчетверо большим кулоновским барьером.

Каково же среднее удельное энерговыделение внутри Солнца за счет термоядерных реакций? Это совсем нетрудно оценить.

Светимость Солнца составляет 4 • 1033 эрг/с, его масса т = 2 • 1033 г, откуда для стационарного состояния сразу получаем величину 4 • 1033/2 • 1033 = 2 эрг/с • г, т. е. 2 • Ю-7 Вт/г. Теплокровные животные вырабатывают в результате обмена веществ примерно 1(Г3 Вт/г.

Как видно из рис. 4.1, при температурах в 15-20 млн градусов (которая оценивается обычно из уравнения со10 100 1000

Температура, млн К, соответсвующая данной средней энергии

Рис. 4.1. График зависимости уровня кулоновского барьера

от температуры

стояния Клайперона-Менделеева), характерных для центральных областей большинства звезд вроде Солнца и поЭнергия частицы, эВ

1000 10000 100000

I I I I I 1 1_

добных ему, кулоновский барьер уменьшает скорость реакций Не-Не почти на восемь-девять порядков.

Малая проницаемость барьера стабилизирует цикл, который в противном случае имел бы взрывной характер, как в водородной бомбе.

Если же по какой-либо причине температура внутри звезды резко увеличивается, например в результате гравитационного коллапса, до нескольких миллиардов градусов, то стабильность циклов резко нарушается, так как проницаемость кулоновского барьера увеличивается на много порядков и становятся возможными термоядерные реакции не только с участием водорода и гелия, но и с участием более тяжелых атомов.

Эта ситуация приведена на рис. 4.1, отображающем зависимость проницаемости кулоновского барьера Т при соударениях протонов, дейтронов и ядер гелия (р-р, D-D и Не Не реакций).

Как видно из рисунка, при температуре в 1 млрд градусов скорости реакций с участием гелия возрастают на 10 порядков, это, по-видимому, и приводит к взрыву ядра звезды.

Дальнейшее утяжеление легких ядер происходит в недрах звезд в результате углеродного цикла Бете. Сначала в результате редких тройных столкновений ядер гелия образуются ядра углерода:

34Не = 12С.

Ядра 4Не при столкновении с протонами образуют ядра азота:

12С + р = 13N + y.

Ядро 13 N неустойчиво и путем р-распада с периодом полураспада 14 минут превращается в стабильный изотоп углерода 13 С:

13N = 13C + e++ve.

Ядро 13 С захватывает протон и переходит в устойчивый изотоп 14N.

Ядро N захватывает еще один протон и превращается в ядро кислорода 15О, которое неустойчиво и вновь путем [З-распада быстро переходит в ядро 15N.

Цикл завершается захватом еще одного протона:

15N + p = 12C + 4He.

В конечном счете ядро углерода восстанавливается, но дополнительно из четырех протонов образуется еще одно

Относительное содержание нейтронов

в стабильных ядрах различных элементов

U

0 20 40 60 80 100

Атомный номер элемента, Z

Рис. 4.2. Относительное содержание нейтронов в стабильных изотопах химических элементов

ядро гелия, плюс выделяется 26,8 МэВ энергии в виде быстрых позитронов, у-лучей и нейтрино.

Одновременно могут идти и другие реакции, приводящие к образованию более тяжелых ядер, но видимо, не тяжелее калия, так как для ядер с большим порядковым номером Z резко повышается кулоновский барьер термоядерных реакций при явном недостатке нейтронов для продолжения цепочек нейтронных реакций типа ПМ+ + п = п+1М.

Как же образуются более тяжелые элементы?

Из рис. 4.2 следует, что для образования стабильных изотопов тяжелее кальция (относительное число нейтронов становится больше 1) необходимо дополнительное число нейтронов, которых в солнечном цикле Бете вообще не вырабатывается, если не считать D-D реакций. Но эти нейтроны очень быстро захватываются водородом снова.

Относительная распространенность элементов

(за 1 принят кислород)

10 100

Атомный номер, Z

Рис. 4.3. Относительная распространенность элементов (за 1

принят кислород)

Как показывают спектроскопические исследования, для Солнца, большинства звезд и межзвездного газа содержание элементов практически одинаково, но их относительное содержание в земной коре несколько отличается от того, что наблюдается в космосе (рис. 4.3).

Средняя тепловая скорость атома водорода при комнатной температуре составляет 2200 м/с, а при температуре 10 000 К — примерно в 5 раз больше, т.е. примерно равна второй космической скорости.

Особенно большое различие наблюдается в относительном содержании в земной коре и в космосе самых легких элементов — водорода и гелия.

Одной из причин такого различия может быть диссипация этих элементов из первичной атмосферы Земли в космос еще на ранних геологических стадиях ее эволюции.

В современной атмосфере температура довольно значительно изменяется с высотой над уровнем моря и в ионосфере на высотах около 100 км может достигать нескольких тысяч градусов. Это происходит за счет поглощения ультрафиолетового излучения Солнца молекулами озона и кислорода.

Легкие газообразные элементы, к которым относятся водород и гелий, постепенно диссипировали с Земли в космос в достаточно большом количестве. Правда, в последнее время стали высказываться предположения, что большая часть первичного водорода оказалась связанной в мантии Земли в виде гидридов металлов и постепенно выносится на поверхность через разломы земной коры и извержения вулканов.

Гелий — элемент очень инертный. Поэтому он не связывался с другими элементами при формировании тела планеты из газового облака и в существенной степени улетел с Земли в космос за те 5 млрд лет, которые прошли со времени ее образования.

На Солнце и в атмосферах звезд все обстоит совсем по-другому. Представление о том, что Солнце и подобные ему звезды — это газовые шары, состоящие из водорода и гелия, совершенно неправомерно.

Вторая космическая скорость для поверхности Солнца составляет 670 км/с. Поэтому даже при температуре 6000 К тепловых скоростей атомов водорода совершенно не достаточно для их тепловой диссипации с поверхности звезды. Поэтому, скорее всего, элементный состав Солнца не сильно отличается от состава первоначальной протозвезды, из которой оно образовалось. Хотя необходимо учитывать выгорание водорода и некоторых других легких элементов в процессе термоядерного синтеза. Поэтому в спектрах излучения Солнца наблюдается дефицит таких легких элементов, как бериллий, литий и бор. Они просто выгорели там. И наоборот, на Солнце больше углерода, азота и кислорода. Эти элементы накопились в результате углеродного цикла Бете.

Однако даже в таком адском котле, каким являются недра большинства звезд, невозможно сварить элементы с числом Z больше 20: слишком высок кулоновский барьер для таких реакций при всех мыслимых стационарных условиях в недрах звезд.

По мнению большинства астрофизиков, подавляющая часть тяжелых элементов образовалась во Вселенной в результате взрывов новых, но в подавляющем большинстве случаев — при взрывах сверхновых звезд.

Попробуем оценить эти условия. Для более или менее точных расчетов нам потребовались бы какие-то модели внутреннего строения звезд и целая куча данных о скоростях и сечениях ядерных реакций. Попробуем обойтись без таких данных, не претендуя на относительно точные результаты и довольствуясь лишь оценками по порядку величины.

Рассмотрим такой сценарий.

В звезде с массой 2М = 4-1033 г (2 солнечных) выгорел весь водород, и прекратилось выделение энергии. Температура в недрах звезды стала падать и, следовательно, стало падать газокинетическое давление.

Гравитационные силы, не сдерживаемые более противодавлением горячей плазмы, начинают сжимать ядро звезды и вновь резко поднимать его температуру. В оболочке звезды термоядерные реакции шли медленнее, так как там температура и давление были ниже и водород там не выгорел до конца.

Пусть, для определенности, масса ядра равна 3/4 всей массы звезды, т. е. равна 3-1033 г. Этого достаточно, чтобы ядро превратилось в нейтронную звезду радиусом 5 км. Нетрудно оце

страница 8
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Скачать книгу "Лекции по экологии" (1.97Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(25.04.2017)