Содержание
- 2. Происхождение химических элементов H and He – наиболее распространены; отношение порядка 12.5 Уменьшение содержания первых 50
- 3. Горение водорода Бете и Вайцзеккр показали, что возможны две различные последовательности реакций преобразования 4-х ядер водорода
- 5. Реакции обычно классифицируют следующим образом: Горение водорода. Это один из основных процессов, поддерживающих длительное выделение энергии
- 6. CNO - цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к
- 7. Тройная гелиевая реакция (тройной альфа-процесс) — условное название ядерной реакции слияния ядер гелия-4 в недрах звёзд.
- 8. Начало «слоистости» Таким образом, реакции горения гелия приводят к образованию в центре звезды плотного ядра, состоящего
- 11. Горение углерода, кислорода и неона. В достаточно массивных звездах за фазой горения гелия следуют фазы горения
- 12. Е-процесс На стадии горения кремния звезда достигает максимального размера, т.к. при истощении в центре звезды последовательно
- 13. РЕАКЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕЙТРОНОВ. s-ПРОЦЕСС. Дальнейшие ядра нельзя получить увеличением температуры. По современным представлениям тяжелые элементы
- 14. РЕАКЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕЙТРОНОВ. r-ПРОЦЕСС В настоящее время общепризнанно, что многие ядра тяжелее железа, включая все
- 16. ОБРАЗОВАНИЕ ЛЕГЧАЙШИХ ЯДЕР 2H, He, Li, Be, B Легкие ядра - изотопы лития, бериллия и бора
- 18. При сгорании водорода температура ядра звезды остается относительно постоянной и составляет примерно 107 K. Звезда находится
- 20. Конечные стадии эволюции звезд после того, как они проходят последовательность реакций ядерного синтеза, зависят от массы
- 21. Белый карлик Для звезд с массой ниже некоторой критической гравитационное сжатие останавливается на стадии так называемого
- 22. Нейтронная звезда Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой с M ~ 25M остается плотное нейтронное ядро
- 23. Черная дыра Имеется предел для массы звезды, которая может удерживаться в равновесии плотно упакованными нейтронами. Этот
- 25. Алексей Александрович Маракушев – академик РАН, профессор кафедры петрографии МГУ Происхождение Земли и природа её эндогенной
- 26. С целью объяснения природы эндогенной активности Земли, других планет Солнечной системы и их спутников разработана на
- 27. Предложена магматическая природа метеоритов, формировавшихся на ранней стадии под высоким давлением флюидных оболочек планет в режиме
- 28. Маракушев высказал предположение, что планеты околосолнечной группы, то есть Меркурий, Венера, Марс и Земля, первоначально были
- 29. Но дальнейшая судьба протопланет сложилась по-разному. Значительную часть флюидных оболочек Протомеркурия, Протовенеры и Протомарса — планет,
- 30. Вследствие столь существенной потери давление внутри истончившихся оболочек резко понизилось. Из-за этого жидкие ядра трех перечисленных
- 31. Эволюция Солнечной системы Внутренние планеты: Оставшиеся тяжёлые ядра ПРОТОПЛАНЕТ: Меркурий Венера Земля Марс Пояс астероидов (хондриты
- 32. Иначе произошло с Протоземлей. На том расстоянии, на котором земная орбита отстоит от светила, плотность солнечного
- 33. Копящимся флюидным массам некуда деваться, кроме как вырваться за пределы земной коры. Таким образом, наша планета
- 35. Скачать презентацию
Происхождение химических элементов
H and He – наиболее распространены; отношение порядка 12.5
Уменьшение
Происхождение химических элементов
H and He – наиболее распространены; отношение порядка 12.5
Уменьшение
Очень низкое содержание тяжёлых элементов – нет больших вариаций содержаний
Элементы с чётным атомным номером более распространены, чем с нечётным
Li, Be, B аномально мало
Fe заметно высокая концентрация
43Tc and 61Pm не обнаружены
> 83 не стабильные изотопы: продукты распада U и Th
Горение водорода
Бете и Вайцзеккр показали, что возможны две различные последовательности реакций
Горение водорода
Бете и Вайцзеккр показали, что возможны две различные последовательности реакций
В более массивных звездах, имеющих более 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 1.5 ·107 K и доминирующую роль в выделении энергии играет протон - протонная цепочка.
Реакции обычно классифицируют следующим образом:
Горение водорода. Это один из основных
Реакции обычно классифицируют следующим образом:
Горение водорода. Это один из основных
Горение гелия. После того, как в звезде накапливается гелий, под действием сил гравитации гелиевое ядро сжимается, становится достаточно плотным и горячим и в нем начинается процесс горения гелия с образованием ядер 12C, 16O, 20Ne.
α-Процесс. Это процесс последовательного добавления α-частиц к ядру 20Ne с образованием ядер 24Mg, 28Si, 32S, 36Ar, 40Ca. Он описывает повышенную распространенность элементов типа N ·α, где α - ядро 4He, а N - целое число.
E-процесс. Это процесс, в котором в условиях термодинамического равновесия образуются элементы, расположенные в районе железного максимума.
s-Процесс. Это образование ядер тяжелее железа в результате медленного последовательного захвата нейтронов. Скорость s-процесса меньше скорости β-распада образующихся в процессе захвата нейтронов радиоактивных ядер. Длительность s-процесса от 102 до 105 лет. s-Процесс отвечает за образование максимумов в распространенности элементов при A ~ 90, 138 и 208.
r-Процесс. Это образование ядер тяжелее железа в результате быстрого последовательного захвата нейтронов со скоростью, существенно превышающей скорость -распада образующихся радиоактивных ядер. Характерное время r-процесса 0.01 - 100 с. В результате r-процесса в кривой распространенности элементов возникают максимумы при A = 80, 130 и 195.
p-Процесс. Это образование наиболее легких изотопов ядер. Он включает в себя образование и захват позитронов, захват протона, фоторождение нейтрона, (p,n) - реакции.
X-процесс. Это процесс нуклеосинтеза, ответственный за образование изотопов 6,7Li, 9Be, 10,11B. Считается, что эти элементы образуются в реакциях расщепления под действием космических лучей.
CNO - цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь
CNO - цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь
Ne - цикл и Mg - Al - цикл. В звездах второго поколения, содержащих Ne, Mg, Al, возможны замкнутые циклы, приводящие к горению водорода с образованием 4He
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.
Тройная гелиевая реакция (тройной альфа-процесс) — условное название ядерной реакции слияния
Тройная гелиевая реакция (тройной альфа-процесс) — условное название ядерной реакции слияния
образование нестабильного ядра бериллий-8 (период полураспада 10−16 с)
,
Q0 = 0,092 МэВ
образование возбуждённого ядра углерода -12
,
Q1 = 7,367 МэВ
Возникают ядра углерода-12, кислорода – 16 и неона - 20
Горение гелия
Когда температура в центральной части звезды, содержащей гелий, достигает 108 K, включается новая ядерная реакция - горение гелия.
Тройной α-процесс эффективно происходит при температурах ~ 100 - 200 млн K. Поэтому процесс горения гелия начнется лишь тогда, когда в результате гравитационного сжатия в центре звезды будут достигнуты такие температуры.
Начало «слоистости»
Таким образом, реакции горения гелия приводят к образованию в центре
Начало «слоистости»
Таким образом, реакции горения гелия приводят к образованию в центре
По мере истощения запасов водорода в центре звезды и образования в центре гелиевого ядра процесс горения водорода постепенно перемещается к периферии звезды. При этом плотность гелиевого ядра продолжает увеличиваться за счет гравитационного сжатия и температура его резко возрастает. Увеличение излучения приводит к увеличению размеров внешней оболочки в десятки и сотни раз, что влечет за собой падение температуры внешних слоев звезды. В итоге звезда сходит с главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга - Рассела и перемещается в область красных гигантов.
Горение углерода, кислорода и неона.
В достаточно массивных звездах за фазой горения
Горение углерода, кислорода и неона.
В достаточно массивных звездах за фазой горения
Синтез лёгких ядер путём α-захвата.
Возникают Mg-24, Si-28, S-32, Cl-36, Ca-40, Sc-44, Ti-48.
Е-процесс
На стадии горения кремния звезда достигает максимального размера, т.к. при истощении
Е-процесс
На стадии горения кремния звезда достигает максимального размера, т.к. при истощении
РЕАКЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕЙТРОНОВ. s-ПРОЦЕСС.
Дальнейшие ядра нельзя получить увеличением температуры. По
РЕАКЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕЙТРОНОВ. s-ПРОЦЕСС.
Дальнейшие ядра нельзя получить увеличением температуры. По
Подходящие условия для образования ядер в s-процессе существуют в красных гигантах. За счет s-процесса можно объяснить образование всех элементов вплоть до Z = 83. Ядра с Z = 84 - 89 не имеют стабильных изотопов и являются радиоактивными. Поэтому в s-процессе преодолеть эту область Z невозможно. В то же время в природе существуют ядра с Z = 90 (торий) и Z = 92 (изотопы урана 235U и 238U). Для объяснения существования этих ядер необходимо предположить их образование в результате быстрого захвата нейтронов нестабильными ядрами в результате r-процесса.
РЕАКЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕЙТРОНОВ. r-ПРОЦЕСС
В настоящее время общепризнанно, что многие ядра
РЕАКЦИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕЙТРОНОВ. r-ПРОЦЕСС
В настоящее время общепризнанно, что многие ядра
ОБРАЗОВАНИЕ ЛЕГЧАЙШИХ ЯДЕР 2H, He, Li, Be, B
Легкие ядра - изотопы
ОБРАЗОВАНИЕ ЛЕГЧАЙШИХ ЯДЕР 2H, He, Li, Be, B
Легкие ядра - изотопы
Были предложены различные модели:
1. Такой средой могла бы быть поверхность молодой звезды или внешняя оболочка газа и плотного вещества, окружающая звезду. При звездных вспышках протоны и -частицы, ускоренные до достаточно высоких энергий, могли бы разрушать тяжелые элементы с образованием Li, Be, B. Однако, детальные расчеты показывают, что такая модель не проходит. Так, например, для звезд типа Солнца значительная часть полной гравитационной энергии должна быть израсходована на требуемое ускорение протонов и -частиц, что противоречит наблюдаемым данным.
2. Li, Be, B могли бы образовываться при вспышке сверхновой. Внешние слои звезды в результате расширения образуют туманности или облака из газа и пыли. Ударная волна, проходя через внешние слои, может вызвать реакции расщепления. Однако такая возможность также практически исключается, так как температура в таком процессе, по-видимому, недостаточна для образования энергичных частиц, способных вызвать реакции расщепления.
3. Li, Be, B могут образовываться в реакциях расщепления при взаимодействии галактических космических лучей с веществом межзвездной среды. Эта последняя модель в настоящее время является общепризнанной.
4. Исследования последних лет, не отвергая рассмотренных выше гипотез, легли в основу ещё одной возможности образования изотопов Li, Be, B. Если предположить, что эти ядра образуются в окрестностях сверхновых в результате следующего механизма. После вспышки сверхновой в её окрестности образуются вполне подходящие условия для ускорения легких заряженных ядер 12C, 14N, 16O до достаточно высоких энергий. В результате столкновения ускоренных легких ядер с медленными протонами и образуются изотопы Li, Be и B
При сгорании водорода температура ядра звезды остается относительно постоянной и составляет
При сгорании водорода температура ядра звезды остается относительно постоянной и составляет
Если температура в центре звезды начнет увеличиваться, то там будет вырабатываться больше энергии, чем излучается с поверхности. При этом давление внутри звезды повышается, и она начнет расширяться. Увеличение размеров звезды приведет к тому, что скорость протекания термоядерных реакций уменьшится и температура в центре звезды начнет падать. И, наоборот, если поверхность звезды охлаждается быстрее, чем вырабатывается энергия в звезде, то звезда начнет сжиматься и скорость протекания ядерных реакций увеличивается. Процесс стабилизации температуры звезды на этой стадии её эволюции происходит таким образом, что вырабатываемая в результате термоядерных реакций энергия, излучается без каких-либо резких изменений.
Конечные стадии эволюции звезд после того, как они проходят последовательность реакций
Конечные стадии эволюции звезд после того, как они проходят последовательность реакций
Массивные звезды (с массой значительно превышающей солнечную), в центральной части которых последовательно осуществляются все возможные ядерные реакции синтеза вплоть до образования элементов группы железа, взрываются затем как сверхновые с формированием плотного нейтронного ядра и выбросом наружных слоев в межзвездное пространство. На месте сверхновой остается либо нейтронная звезда, либо черная дыра в зависимости от конечной массы.
Звезды, массы которых недостаточны, чтобы они завершили свою жизнь как сверхновые, после окончания ядерных реакций будут постепенно остывать. В зависимости от величины конечной массы такие звезды могут превратиться либо в белый карлик, либо в нейтронную звезду.
Массивные Звёзды вносят главный вклад в синтез химических элементов.
Распространённые элементы (имеют максимумы на диаграмме)
Лёгкие – входят во флюидную (газовую, жидкую, ледяную) фазу космических объектов (H, He, C, O, Ne)
Тяжёлые концентрируются в железокаменном материале (Mg, Si, Fe)
Белый карлик
Для звезд с массой ниже некоторой критической гравитационное сжатие
Белый карлик
Для звезд с массой ниже некоторой критической гравитационное сжатие
Нейтронная звезда
Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой с M ~
Нейтронная звезда
Расчеты показывают, что при взрыве сверхновой с M ~
p + e- n + e
после выброса нейтрино образуются нейтроны, занимающие гораздо меньший фазовый объем, чем электроны. Возникает так называемая нейтронная звезда, плотность которой достигает 1014 - 1015 г/см3. Характерный размер нейтронной звезды 10 - 15 км. В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское атомное ядро. Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует давление ядерной материи, возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это также давление вырождения, как ранее в случае белого карлика, но - давление вырождения существенно более плотного нейтронного газа. Это давление в состоянии удерживать массы вплоть до 3.2M Солнца .
Черная дыра
Имеется предел для массы звезды, которая может удерживаться в
Черная дыра
Имеется предел для массы звезды, которая может удерживаться в
Таким образом, если при взрыве сверхновой сохраняется остаток массы M > 3MСолнца , то он не может существовать в виде устойчивой нейтронной звезды. Ядерные силы отталкивания на малых расстояниях не в состоянии противостоять дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Возникает необычный объект - черная дыра. Основное свойство черной дыры состоит в том, что никакие сигналы, испускаемые ею, не могут выйти за её пределы и достигнуть внешнего наблюдателя.
В настоящее время нет прямых экспериментальных подтверждений существования черных дыр.
Алексей Александрович Маракушев – академик РАН,
профессор кафедры петрографии МГУ
Происхождение Земли
Алексей Александрович Маракушев – академик РАН,
профессор кафедры петрографии МГУ
Происхождение Земли
«Наука», 1999.
С целью объяснения природы эндогенной активности Земли, других планет Солнечной системы
С целью объяснения природы эндогенной активности Земли, других планет Солнечной системы
Предложена магматическая природа метеоритов, формировавшихся на ранней стадии под высоким
Предложена магматическая природа метеоритов, формировавшихся на ранней стадии под высоким
Вторая стадия (после миграции флюидных оболочек планет) отличалась режимом низкого давления и характеризовалась последовательным нарастанием окислительной обстановки в ходе первичной кристаллизации и вторичных преобразований.
Маракушев высказал предположение, что планеты околосолнечной группы, то есть Меркурий, Венера,
Причем, чем ближе к Солнцу, тем объемнее была планета. Иными словами, Протоземля была самой меньшей из этой четверки космических тел, имевших сходное строение. Все они, так же, как сейчас Юпитер и Сатурн, были окутаны огромной оболочкой из флюидов — уплотненных до жидкообразного состояния смесей газов. Постепенно под действием колоссальных давлений своих флюидных оболочек протопланеты начали расслаиваться на расплавные составляющие — силикатную часть и железное ядро.
А.А. Маракушев предложил рассматривать единую систему:
Солнце –Протомеркурий –Протовенера - Протоземля (имела много спутников)- Протомарс – Юпитер – Сатурн – Уран – Нептун – Плутон – Кометы
Планеты земной группы на протопланетной стадии формировались в виде железо-силикатных расплавных ядер в материнских He-H оболочках протопланет.
Но дальнейшая судьба протопланет сложилась по-разному. Значительную часть флюидных оболочек Протомеркурия,
Происходила дегазация флюидных оболочек.
Они потеряли и свои спутники. Реликты: Луна, Фобос и Деймос у Марса.
Вследствие столь существенной потери давление внутри истончившихся оболочек резко понизилось. Из-за этого жидкие ядра трех перечисленных планет успели захватить мало флюидов, что, в конечном итоге, привело к быстрому остыванию и затвердеванию расплавленного вещества и потере его внутренней активности. Иными словами, газовые планеты-гиганты превратились в «мертвые» твердые тела незначительных по космическим меркам размеров.
Вследствие столь существенной потери давление внутри истончившихся оболочек резко понизилось. Из-за
Вследствие столь существенной потери давление внутри истончившихся оболочек резко понизилось. Из-за
Эндогенно-активные планеты и спутники «живые»:
Земля, спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганнимед), Юпитер, Сатурн,
Уран, Нептун
«Мёртвые»:
Меркурий, Венера, Марс, Луна, Фобос и Деймос (спутники Марса),
спутники Юпитера (Каллисто и др.), спутники Сатурна,
Урана и Плутона
Эволюция Солнечной системы
Внутренние планеты:
Оставшиеся тяжёлые ядра ПРОТОПЛАНЕТ:
Меркурий
Венера
Земля
Марс
Пояс астероидов (хондриты результат
Эволюция Солнечной системы
Внутренние планеты:
Оставшиеся тяжёлые ядра ПРОТОПЛАНЕТ:
Меркурий
Венера
Земля
Марс
Пояс астероидов (хондриты результат
протопланет)
Внешние планеты:
Юпитер
Сатурн
имеют тяжёлые ядра и He-H оболочки (аналоги Солнца)
Уран
Нептун
имеют тяжёлые ядра и водные оболочки
(похожи на кометное вещество)
«Плутон+Харон» водяной лёд и Fe-Si пыль ……Кометы
Астероиды, кометы, метеорные тела, космическая пыль, метеориты
Иначе произошло с Протоземлей. На том расстоянии, на котором земная орбита
Иначе произошло с Протоземлей. На том расстоянии, на котором земная орбита
Земля постепенно тоже лишилась флюидной оболочки, но, в отличие от других планет своей группы, успела насытить собственное ядро значительным количеством флюидов.
Именно из-за высокого уровня насыщенности флюидами, утверждает гипотеза Маракушева, жидкое земное ядро затвердело к настоящему моменту только наполовину. В нем и поныне не прекращаются бурные процессы. В центре планеты продолжается кристаллизация твердой части ядра из железа с примесью никеля, что одновременно влечет повышение флюидного давления в жидкой части ядра
Копящимся флюидным массам некуда деваться, кроме как вырваться за пределы земной
Следует добавить, что флюидные потоки, покидая жидкое ядро, вызывая землетрясения и вулканизм, прихватывают с собой богатую добычу в виде рудных металлов и нередко образуют в земной коре и даже на поверхности планеты обширные месторождения никеля, меди, урана, серебра, золота, платины...
Гипотеза Маракушева перекликается с новейшими данными об экзопланетах, представляющих собой гигантские газовые шары, расположенные очень близко от своих звезд.