Нейтронизация
Нейтрониза́ция — процесс захвата электронов ядрами при высоких плотностях в недрах звёзд на завершающих этапах их эволюции. Нейтронизация играет ключевую роль в образовании нейтронных звёзд и вспышках сверхновых.
На начальных стадиях звёздной эволюции содержание гелия в звезде составляет ~25 % (такая концентрация гелия в межзвёздной среде — результат первичного нуклеосинтеза), то есть отношение нейтронов к протонам составляет 1:6. На конечных же стадиях эволюции вещество звезды может практически полностью состоять из нейтронов (нейтронные звёзды).
Содержание
Механизм нейтронизации
Обратный бета-распад
В ходе эволюции плотность вещества в недрах звезды увеличивается, при таком росте плотности возникает ситуация вырождения электронного газа, электроны при этом вследствие действия принципа Паули приобретают релятивистские скорости (при плотностях <math>\rho > 10^6</math> г/см³). Начиная с некоторого критического значения энергии электрона <math>\varepsilon_c</math> начинают идти процессы захвата электронов ядрами, обратные <math>\beta</math>-распаду:
- <math>(A, Z) + {\rm e}^- \to (A, Z - 1) + \nu</math>
Условием захвата электрона ядром (A, Z) (А — массовое число, Z — порядковый номер элемента) при нейтронизации является превышение энергии Ферми <math>\varepsilon_F</math> электрона энергетического эффекта <math>\beta</math>-распада <math>\varepsilon_c</math>:
- <math>\varepsilon_F > \varepsilon_c= Q_{A,Z}-Q_{A,Z-1}+Q_n</math>
где <math>Q(A,Z)</math> — энергия связи ядра <math>(A, Z)</math>, и <math>Q_n=(m_n-m_p-m_e)\cdot c^2</math>= 0,7825 МэВ — энергия бета-распада нейтрона.
Нейтронизация является энергетически выгодным процессом: при каждом захвате электрона энергии <math>\varepsilon_e</math> разница <math>\varepsilon_e-\varepsilon_c</math> уносится образующимся в процессе нейтрино, для которого толща звезды является прозрачной (один из механизмов нейтринного охлаждения), <math>\beta</math>-распад образующихся радиоактивных ядер запрещён принципом Паули, так как электроны вырождены и все возможные состояния ниже <math>\varepsilon_F</math> заняты, а энергии электронов в бета-распадах не превышают <math>\varepsilon_c</math>: при больших энергиях Ферми такие ядра становятся устойчивыми.
Поскольку определяющим фактором является энергетический эффект <math>\beta</math>-распада <math>\varepsilon_c</math>, то нейтронизация — пороговый процесс и для разных элементов происходит при разных энергиях электронов (см. табл).
|
Первая реакция |
Пороговая энергия |
Пороговая плотность |
Вторая реакция нейтронизации |
<math>\varepsilon_{c2}</math>, МэВ | |
|---|---|---|---|---|---|
|
<math>{}^1{H}\to n</math> |
0,783 |
<math>1,22\cdot 10^7</math> |
<math>3,05\cdot 10^{23}</math> | ||
|
<math>{}^3{He}\to T</math> |
0,0186 |
<math>2,95\cdot 10^4</math> |
<math>1,41\cdot 10^{19}</math> |
<math>T \to 3n</math> |
9,26 |
|
<math>{}^4{He}\to T+n</math> |
20,6 |
<math>1,37\cdot 10^{11}</math> |
<math>3,49\cdot 10^{28}</math> |
<math>T\to 3n</math> |
9,26 |
|
<math>{}^{12}{C}\to ^{12}{B}</math> |
13,4 |
<math>3,90\cdot 10^{10}</math> |
<math>6,51\cdot 10^{27}</math> |
<math>{}^{12}{B}\to ^{12}{Be}</math> |
11,6 |
|
<math>{}^{16}{O}\to^{16}{N}</math> |
10,4 |
<math>1,90\cdot 10^{10}</math> |
<math>2,50\cdot 10^{27}</math> |
<math>{}^{16}{N}\to^{16}{C}</math> |
8,01 |
|
<math>{}^{20}{Ne}\to^{20}{F}</math> |
7,03 |
<math>6,22\cdot 10^9</math> |
<math>5,61\cdot 10^{26}</math> |
<math>{}^{20}{F}\to^{20}{O}</math> |
3,82 |
|
<math>{}^{24}{Mg}\to^{24}{Na}</math> |
5,52 |
<math>3,17\cdot 10^9</math> |
<math>2,28\cdot 10^{26}</math> |
<math>{}^{24}{Na}\to^{24}{Ne}</math> |
2,47 |
|
<math>{}^{28}{Si}\to^{28}{Al}</math> |
4,64 |
<math>1,96\cdot 10^9</math> |
<math>1,20\cdot 10^{26}</math> |
<math>{}^{28}{Al}\to^{28}{Mg}</math> |
1,83 |
|
<math>{}^{40}{Ca}\to^{40}{K}</math> |
1,31 |
<math>7,79\cdot 10^7</math> |
<math>1,93\cdot 10^{24}</math> |
<math>{}^{40}{K}\to^{40}{Ar}</math> |
7,51 |
|
<math>{}^{56}{Fe}\to^{56}{Mn}</math> |
3,70 |
<math>1,15\cdot 10^9</math> |
<math>5,29\cdot 10^{25}</math> |
<math>{}^{56}{Mn}\to^{56}{Cr}</math> |
1,64 |
Результатом такой нейтронизации является уменьшение концентрации электронов и заряда ядер при сохранении концентрации последних.
Околоядерные плотности: испарение нейтронов из ядер
При «сверхобогащении» ядер нейтронами энергия связи нуклонов падает, в конечном итоге для таких ядер энергия связи становится нулевой, что определяет границу существования нейтронно-избыточных ядер. В такой ситуации дальнейший рост плотности, ведущий к захвату электрона ядром приводит к выбросу из ядра одного или нескольких нейтронов (при <math>\rho \sim 4 \cdot 10^{11}</math> г/см³):
- <math>(A,Z) +{\rm e}^-\to(A-k,Z-1)+kn+\nu</math>.
В результате при постоянном давлении устанавливается обменое равновесие между ядрами и нейтронным газом, в рамках капельной модели ядра такая система рассматривается как двухфазная — состоящая из ядерной жидкости и нейтронного газа, энергии Ферми нуклонов обеих фаз в равновесном состоянии одинаковы. Точный вид диаграммы состояния такой системы в настоящее время (2006 г.) остаётся предметом исследований, однако при <math>\rho \sim 2 \cdot 10^{14}</math> г/см³ происходит фазовый переход первого рода к однородной ядерной материи.
Плотности, превышающие ядерные
Для сверхвысоких плотностей ограничивающим фактором является критерий Зельдовича: скорость звука <math>v _{s}</math> в такой плотной среде не должна превышать скорость света <math>c</math>, что накладывает ограничение на уравнение состояния:
- <math>P\leq \varepsilon =\rho c^{2}</math>.
Важность этого ограничения состоит в том, что оно действительно для сколь угодно больших плотностей, для которых о свойствах ядерных взаимодействий известно крайне мало.
Нейтронизация и устойчивость звёзд
При нейтронизации вещества уменьшается концентрация электронов при сохранении концентрации барионов, и, соответственно, уменьшается его упругость: для вырожденного электронного газа давление <math>P = K\rho ^{5/3}</math>, но при нейтронизации из-за падения объёмной плотности электронов падает и давление, дополнительный вклад вносят и релятивистские эффекты, что приводит уже к другой зависимости давления от плотности: <math>P = K\rho ^{4/3}</math>.
Результатом становится потеря звездой гидростатического равновесия — нейтронизированное ядро звезды сжимается, и температура в нём растёт, но, в отличие от обычных звёзд, давление газа, противодействующее сжатию, почти не зависит от температуры. Возрастанию температуры, которое могло бы привести к снятию вырождения при таких плотностях препятствуют процессы нейтринного охлаждения. Скорость такого объёмного нейтринного охлаждения, в отличие от классического поверхностного фотонного охлаждения, не лимитирована процессами переноса энергии из недр звезды к её фотосфере — и, таким образом, нейтринная светимость звезды на стадии быстрой нейтронизации при коллапсе становится преобладающей по сравнению фотонной светимостью.
Такая нейтринная вспышка была зафиксирована для сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке (расстояние ~50 килопарсек).
Напишите отзыв о статье "Нейтронизация"
Литература
- [www.astronet.ru/db/msg/1188465 Нейтронизация // Физика космоса. Маленькая энциклопедия, М.: Советская Энциклопедия, 1986]
- [nature.web.ru/db/msg.html?mid=1159166&uri=node48.html Я. Б. Зельдович, С. И. Блинников, Н. И. Шакура. Физические основы строения и эволюции звёзд, М., 1981].
- [www.astronet.ru/db/msg/1190161/node9.html Г. С. Бисноватый-Коган. Физические вопросы теории звёздной эволюции, М., Наука, 1989]
Отрывок, характеризующий Нейтронизация
– Вот как!… И ты в большом свете! – сказал он Пьеру.– Я знал, что вы будете, – отвечал Пьер. – Я приеду к вам ужинать, – прибавил он тихо, чтобы не мешать виконту, который продолжал свой рассказ. – Можно?
– Нет, нельзя, – сказал князь Андрей смеясь, пожатием руки давая знать Пьеру, что этого не нужно спрашивать.
Он что то хотел сказать еще, но в это время поднялся князь Василий с дочерью, и два молодых человека встали, чтобы дать им дорогу.
– Вы меня извините, мой милый виконт, – сказал князь Василий французу, ласково притягивая его за рукав вниз к стулу, чтоб он не вставал. – Этот несчастный праздник у посланника лишает меня удовольствия и прерывает вас. Очень мне грустно покидать ваш восхитительный вечер, – сказал он Анне Павловне.
Дочь его, княжна Элен, слегка придерживая складки платья, пошла между стульев, и улыбка сияла еще светлее на ее прекрасном лице. Пьер смотрел почти испуганными, восторженными глазами на эту красавицу, когда она проходила мимо него.
– Очень хороша, – сказал князь Андрей.
– Очень, – сказал Пьер.
Проходя мимо, князь Василий схватил Пьера за руку и обратился к Анне Павловне.
– Образуйте мне этого медведя, – сказал он. – Вот он месяц живет у меня, и в первый раз я его вижу в свете. Ничто так не нужно молодому человеку, как общество умных женщин.
Анна Павловна улыбнулась и обещалась заняться Пьером, который, она знала, приходился родня по отцу князю Василью. Пожилая дама, сидевшая прежде с ma tante, торопливо встала и догнала князя Василья в передней. С лица ее исчезла вся прежняя притворность интереса. Доброе, исплаканное лицо ее выражало только беспокойство и страх.
– Что же вы мне скажете, князь, о моем Борисе? – сказала она, догоняя его в передней. (Она выговаривала имя Борис с особенным ударением на о ). – Я не могу оставаться дольше в Петербурге. Скажите, какие известия я могу привезти моему бедному мальчику?
Несмотря на то, что князь Василий неохотно и почти неучтиво слушал пожилую даму и даже выказывал нетерпение, она ласково и трогательно улыбалась ему и, чтоб он не ушел, взяла его за руку.
– Что вам стоит сказать слово государю, и он прямо будет переведен в гвардию, – просила она.
– Поверьте, что я сделаю всё, что могу, княгиня, – отвечал князь Василий, – но мне трудно просить государя; я бы советовал вам обратиться к Румянцеву, через князя Голицына: это было бы умнее.
Пожилая дама носила имя княгини Друбецкой, одной из лучших фамилий России, но она была бедна, давно вышла из света и утратила прежние связи. Она приехала теперь, чтобы выхлопотать определение в гвардию своему единственному сыну. Только затем, чтоб увидеть князя Василия, она назвалась и приехала на вечер к Анне Павловне, только затем она слушала историю виконта. Она испугалась слов князя Василия; когда то красивое лицо ее выразило озлобление, но это продолжалось только минуту. Она опять улыбнулась и крепче схватила за руку князя Василия.
– Послушайте, князь, – сказала она, – я никогда не просила вас, никогда не буду просить, никогда не напоминала вам о дружбе моего отца к вам. Но теперь, я Богом заклинаю вас, сделайте это для моего сына, и я буду считать вас благодетелем, – торопливо прибавила она. – Нет, вы не сердитесь, а вы обещайте мне. Я просила Голицына, он отказал. Soyez le bon enfant que vous аvez ete, [Будьте добрым малым, как вы были,] – говорила она, стараясь улыбаться, тогда как в ее глазах были слезы.
– Папа, мы опоздаем, – сказала, повернув свою красивую голову на античных плечах, княжна Элен, ожидавшая у двери.
Но влияние в свете есть капитал, который надо беречь, чтоб он не исчез. Князь Василий знал это, и, раз сообразив, что ежели бы он стал просить за всех, кто его просит, то вскоре ему нельзя было бы просить за себя, он редко употреблял свое влияние. В деле княгини Друбецкой он почувствовал, однако, после ее нового призыва, что то вроде укора совести. Она напомнила ему правду: первыми шагами своими в службе он был обязан ее отцу. Кроме того, он видел по ее приемам, что она – одна из тех женщин, особенно матерей, которые, однажды взяв себе что нибудь в голову, не отстанут до тех пор, пока не исполнят их желания, а в противном случае готовы на ежедневные, ежеминутные приставания и даже на сцены. Это последнее соображение поколебало его.
– Chere Анна Михайловна, – сказал он с своею всегдашнею фамильярностью и скукой в голосе, – для меня почти невозможно сделать то, что вы хотите; но чтобы доказать вам, как я люблю вас и чту память покойного отца вашего, я сделаю невозможное: сын ваш будет переведен в гвардию, вот вам моя рука. Довольны вы?
– Милый мой, вы благодетель! Я иного и не ждала от вас; я знала, как вы добры.
Он хотел уйти.
– Постойте, два слова. Une fois passe aux gardes… [Раз он перейдет в гвардию…] – Она замялась: – Вы хороши с Михаилом Иларионовичем Кутузовым, рекомендуйте ему Бориса в адъютанты. Тогда бы я была покойна, и тогда бы уж…
Князь Василий улыбнулся.
– Этого не обещаю. Вы не знаете, как осаждают Кутузова с тех пор, как он назначен главнокомандующим. Он мне сам говорил, что все московские барыни сговорились отдать ему всех своих детей в адъютанты.
– Нет, обещайте, я не пущу вас, милый, благодетель мой…
– Папа! – опять тем же тоном повторила красавица, – мы опоздаем.
– Ну, au revoir, [до свиданья,] прощайте. Видите?
– Так завтра вы доложите государю?
– Непременно, а Кутузову не обещаю.
– Нет, обещайте, обещайте, Basile, [Василий,] – сказала вслед ему Анна Михайловна, с улыбкой молодой кокетки, которая когда то, должно быть, была ей свойственна, а теперь так не шла к ее истощенному лицу.
Она, видимо, забыла свои годы и пускала в ход, по привычке, все старинные женские средства. Но как только он вышел, лицо ее опять приняло то же холодное, притворное выражение, которое было на нем прежде. Она вернулась к кружку, в котором виконт продолжал рассказывать, и опять сделала вид, что слушает, дожидаясь времени уехать, так как дело ее было сделано.
– Но как вы находите всю эту последнюю комедию du sacre de Milan? [миланского помазания?] – сказала Анна Павловна. Et la nouvelle comedie des peuples de Genes et de Lucques, qui viennent presenter leurs voeux a M. Buonaparte assis sur un trone, et exaucant les voeux des nations! Adorable! Non, mais c'est a en devenir folle! On dirait, que le monde entier a perdu la tete. [И вот новая комедия: народы Генуи и Лукки изъявляют свои желания господину Бонапарте. И господин Бонапарте сидит на троне и исполняет желания народов. 0! это восхитительно! Нет, от этого можно с ума сойти. Подумаешь, что весь свет потерял голову.]
Князь Андрей усмехнулся, прямо глядя в лицо Анны Павловны.
– «Dieu me la donne, gare a qui la touche», – сказал он (слова Бонапарте, сказанные при возложении короны). – On dit qu'il a ete tres beau en prononcant ces paroles, [Бог мне дал корону. Беда тому, кто ее тронет. – Говорят, он был очень хорош, произнося эти слова,] – прибавил он и еще раз повторил эти слова по итальянски: «Dio mi la dona, guai a chi la tocca».
