Звезды: Красные гиганты, белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры

Красные гиганты – относительно холодные звезды высокой светимости с протяженными оболочками. Красные гиганты имеют большие радиусы и огромные излучающие поверхности. Максимум излучения приходится на красную и инфракрасную области спектра электромагнитного излучения. Красные гиганты имеют гелиевое ядро, окруженное тонким слоевым источником энерговыделения, где горит водород, или углеродно-кислородное ядро, окруженное двумя слоями горения водородным и гелиевым. Плотность вещества в ядрах красных гигантов достигает 10⁸-10⁹ г/см³, температура 10⁸-10⁹ К.

Белые карлики – компактные звезды с массой порядка массы Солнца и радиусами около 1% радиуса Солнца. Белые карлики существуют благодаря устойчивому равновесию между силами тяготения, которые стремятся сжать звезду и давлением вырожденного электронного газа препятствующего этому. Плотность вещества белого карлика 10⁵-10⁶ г/см³, температура поверхности около 10⁴ К. Основной источник светимости белого карлика – энергия теплового движения ионов вещества звезды. Электроны имеют квантовомеханический импульс ~ , Давление электронного газа пропорционально концентрации частиц и энергии Ферми ~ , Для релятивисткого электронного газа , концентрация пропорциональна плотности ~ , Следовательно давление электронного газа ~ ~ . Eсли гравитационное давление ~ > больше давления электронного газа, то происходит гравитационный коллапс звезды.

Зависимость давления от плотности вещества , где . Существует верхний предел массы холодного невращающегося белого карлика (предел Чандрасекара): Предельная масса белого карлика .

где М_О- масса Солнца, -молекулярная масса приходящаяся на один электрон. Если масса звезды М больше начинается процесс нейтронизации вещества звезды. Ядра начинают захватывать электроны в реакции обратного бета-распада , когда энергия Ферми электронов превышает порог нейтронизации. Ядра перегружаются нейтронами, и с некоторого момента начинают выбрасывать нейтроны, плотность звезды возрастает и приближается к ядерной. Размер звезду уменьшается. Белый карлик, пройдя предел Чандрасекара, превращается в нейтронную звезду.

Нейтронные звезды – сверхплотные звезды, состоящие из нейтронов с малой примесью электронов, сверхтяжелых атомных ядер и протонов. Нейтронные звезды были предсказаны в 30 гг. 20 века и открыты в виде пульсаров в 1967 г.. Пульсары испускают периодическое радиоизлучение с периодом 0,01-1 сек, которое вызвано быстрым вращением нейтронной звезды. Нейтронные звезды могут проявлять себя в виде рентгенеровских пульсаров. Плотность нейтронной звезды огромна ~10¹⁴ г/см³. Температура 10⁹ К.

Нейтронные звезды возникают в процессе нейтронизации вещества, т.е. реакции слияния электронов и протонов с образованием нейтронов в ядрах и в свободном состоянии и испусканием нейтрино:

. (2.164)

Порог нейтронизации:

E_с , (2.165)

Мэв – энергия бета-распада нейтрона.

При выполнении условия нейтронизации E_F > E_c реакция (2.164) становится энергетически выгодной.

Пример: Реакции нейтронизации и далее лишают звезду «электронной опоры». Давление электронного газа падает, и против силы тяготения действует только давление вырожденного газа нейтронов, обеспечивая гидростатическое равновесие нейтронной звезды. Масса нейтронной звезды с массой 1,5 массы Солнца имеет радиус около 10 км.

Черная дыра - конечный продукт эволюции массивных звезд () и звездных скоплений() где -масса Солнца. Она возникает в результате сжатия звезды силами гравитационного притяжения до размеров меньше гравитационного радиуса .Даже свет не может покинуть звезду и она гаснет. Черная дыра обнаруживается по -излучению вещества соседних звезд которое падает на неё. Сверхмассивная черная дыра находится в центре нашей Галактики.

Космические лучи

Космические лучи –поток заряженных частиц высокой энергии, приходящих к Земле со всех направлений космического пространства. Важной особенностью космических лучей составляет нетепловое происхождение их энергий достигающих 10¹¹ Гэв. Поток первичных космических лучей падающих на границу атмосферы составляет ~ 1 частицу/см²сек.

Первичные космические лучи падающие на внешнюю границу атмосферы Земли состоят из солнечных космических лучей, галактических и метагалактических космических лучей. Вторичные космические лучи возникают внутри атмосферы Земли, при столкновении первичных космических лучей с атомами воздуха. Эти вторичные частицы образуются внутри защиты (атмосферы).

Существование космических лучей было установлено по ионизации воздуха с высотой над поверхностью Земли (В.Гесс, 1912 г.). Отклонение лучей в магнитном поле свидетельствует, что первичные лучи являются заряженными частицами. Их энергия лежит в диапазоне 10⁶÷10²⁰ эв. Поток первичных космических лучей падающих на границу атмосферы составляет ~1 частица/см² сек. Состав космических лучей: протоны ~90%, ядра гелия ~7%, ядра элементов (10 <Z< 30) ~ 1%, электроны <1% с энергией1 Гэв и γ-кванты с интенсивностью ~10 фотон/м²сек и энергией 50 Мэв. Солнечные космические лучи в среднем имеют энергию< 400 Мэв и интенсивность при вспышке на Солнце ~10⁶ част/см²сек.

Первичные космические лучи в атмосфере создают ливни вторичных космических лучей, которые тратят свою энергию на ионизацию атмосферы. Средний массовый пробег протонов в атмосфере до ядерного взаимодействия составляет ≈ 80 г/см², что составляет 1/13 часть всей толщины атмосферы. Вторичные космические лучи на уровне моря содержат ядерно-активную компоненту, мюонную компоненту, и электронно-фотонную компоненту (см. рис.2.25)

Ядерно-активная компонента состоит из протонов, нейтронов и пионов. На уровне моря остается менее 1% ядерно-активных частиц.

Жесткая мюонная и нейтринная компоненты образуются при распаде заряженных пионов . Высокоэнергетические мюоны обладают большой проникающей способностью, доходят до уровня моря и регистрируются на глубине 1 км.

Мягкая электронно-фотонная компонента возникает при распаде нейтрального пиона . В кулоновском поле ядра каждый гамма-квант рождает электрон-позитронную пару .

Источниками галактических космических лучей являются вспыхивающие сверхновые звезды. Космические лучи с энергиями 10¹⁷ эв ускоряются во внегалактических источника, например, за счет движущихся магнитных неоднородностей (модель Ферми). Основной вклад в радиационный фон у орбиты Земли вносят солнечные космические лучи и заряженные частицы, находящиеся в радиационных поясах Земли.

Радиационные пояса Земли состоят из областей с высокой концентрацией протонов и электронов, которые удерживаются магнитным полем Земли, имеющим форму диполя, и охватывают Землю «как кожура яблоко».

Изучение космических лучей дает ценные сведения об электромагнитных условиях в различных областях космического пространства. Сами космические лучи являются уникальным источником частиц сверхвысоких энергий не доступных современным ускорителям.

Рис.2.25. Протон первичного космического излучения сталкиваясь с атомом атмосферы рождает нуклоны и заряженные пионы образующие ядерно-активную компоненту вторичного излучения -3. Заряженные пи-мезоны распадаясь рождают мюонную и нейтринную компоненты 2. Нейтральные пионы распадаясь рождают каскады гамма-квантов образующие электрон-позитронные пары -1.

«ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА»

Геологический факультет

Экзаменационные вопросы по дисциплине «Ядерная физика»