Нейтронизация вещества. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Нейтронизация вещества - превращение протонов, входящих в состав вещества звёзд, в нейтроны на заключит. стадиях эволюции звёзд. Молодые звёзды состоят в основном из водорода с добавкой гелия и малой примесью более тяжёлых хим. элементов, поэтому в начале термоядерной эволюции звёзд все нейтроны в звёздном веществе связаны в атомных ядрах и их суммарное число невелико (на 6 протонов в среднем приходится ок. 1 нейтрона). В конце эволюции кол-во нейтронов резко возрастает, на что указывает существование нейтронных звёзд - одного из продуктов звёздной эволюции.

После завершения водородных термоядерных реакций (см. Водородный цикл и Углеродно-азотный цикл ),в результате к-рых водород в центр. области звезды полностью превращается в гелий, нейтронов и протонов в звёздном веществе становится примерно поровну. Это обогащение звёздного вещества нейтронами не оказывает решающего влияния на строение звезды, главное здесь - выделение энергии в термоядерных реакциях синтеза гелия.

Однако на заключит. стадиях эволюции звёзд плотность вещества в их центр. областях сильно возрастает и электронный газ становится вырожденным (см. Вырожденный газ ).Энергия вырожденных электронов достигает такой величины, что они уже могут, несмотря на энергетич. барьер, захватываться атомными ядрами. Начинаются процессы т. н. обратного бета-распада ,посредством к-рых протоны превращаются внутри атомных ядер в нейтроны. Именно этот процесс множеств. захвата электронов атомными ядрами, сопровождающийся испусканием нейтрино v, наз. нейтронизацией.

Реакция захвата электронов е^- атомными ядрами (A, Z) (А - массовое число, Z - порядковый номер элемента) записывается в след. виде:

Энергетич. порог реакции (1) обычно велик, поэтому только при высоких плотностях вещества, характерных для конечных стадий эволюции звёзд, ферми-энер-гия

электронов может превысить критич. величину

- порог нейтронизации:

где

- ферми-энергия без учёта энергии покоя электрона, Q_A,Z - энергия связи ядра (A, Z), а Q_n=(т_n - т_p- т_е)^.c² = 0,7825 МэВ - энергия бета-распада нейтрона. При выполнении условия (2) реакция (1), в к-рую вступают электроны с энергией

в интервале

, оказывается энергетически выгодной: энергия системы уменьшается в каждом акте на величину

, уносимую электронным нейтрино. Продукт нейтронизации - радиоактивные ядра (A, Z - 1); они устойчивы в вырожденном веществе, поскольку их распад запрещён Паули принципом: все уровни с энергиями, меньшими , заняты, а энергии электронов в бета-распадах не превышают

Пороги первых двух стадий нейтронизации для ряда атомных ядер, образующихся на последоват. стадиях термоядерной эволюции звёзд, рассчитанные по ф-ле (2), представлены в табл. В 1-м и 5-м столбцах даны сокращённые записи реакций нейтронизации (опущены символы электрона и нейтрино). Характеристики электронного газа в момент начала H. в. фиксируются условием

, из к-рого однозначно определяются критич. значения числа электронов в единице объёма N_c и электронного давления р_с (4-й столбец). В 3-м столбце приведена критич. плотность вещества при нейтронизации, вычисленная в предположении, что вещество состоит целиком из нейтронизуемого хим. элемента: r_с = (A/Z)m_uN_c (m_u - атомная единица массы).

В случае достаточно медленного (квазистатического) сжатия число электронов в единице объёма N_e и давление электронов р_е остаются практически неизменными и равными их начальным значениям N_c и р_с, пока не исчерпается весь исходный хим. элемент. При этом устанавливается небольшое превышение

над

, такое, что уменьшение N_e в реакции (1) компенсируется его увеличением вследствие сжатия вещества. Отличие

от

тем меньше, чем медленнее сжатие, скорость к-рого определяется условиями гидростатич. равновесия звезды; напр., в случае белого карлика причинами сжатия могут быть потери энергии посредством эл--магн. и нейтринного излучений или увеличение его массы за счёт аккреции.

Зависимости р_е,

и N_е от плотности медленно сжимающегося и нейтронизующегося вещества имеют ступенчатый вид (рис.): пологие, почти горизонтальные, участки соответствуют протеканию реакции (1), а крутые подъёмы - врем. прекращению H. в. до того момента, пока

не достигнет нового, более высокого порога нейтронизации. Каждому пологому участку может соответствовать не одна, а неск. реакций типа (1). Это связано с тем, что порог нейтронизации ядра (A, Z - 1) часто бывает меньше, чем у исходного ядра (А , Z). В результате за первой реакцией нейтронизации быстро следует вторая реакция и т. д., пока не образуется ядро (А, Z_k) с Z_k < Z и порогом нейтронизации, большим, чем у ядра (A, Z). В отличие от первой реакции нейтронизации, для которой

, эти повторные реакции являются неравновесными (в термодинамич. смысле). В них исчезают электроны с таними энергиями, что разность

в среднем составляет заметную долю от

. Это вызывает неравновесную перестройку ферми-распределения электронов, сопровождающуюся выделением теплоты. T. о., несмотря на то, что нейтрино уносит почти всю освободившуюся энергию (за исключением ничтожно малой доли, передаваемой ядру в соответствии с законом сохранения импульса), нейтронизуемое вещество всё же нагревается. Такой источник теплоты учитывают, в частности, при расчётах теплового баланса белых карликов.

Зависимость (схематическая) давления p от плотности r при нейтронизации холодного звёздного вещества.

Конец каждого пологого участка зависимостей р_е, N_e и

от плотности отвечает полному превращению ядра (A, Z)в ядро (A, Z_k). При этом r_k/r_c = Z/Z_k(равно ¹³/₁₂ для перехода ⁵⁶Fe -> ⁵⁶Cr). Для промежуточных значений плотностей (r_с < r < r_k) вещество представляет собой смесь этих ядер.

Цепочка реакций (1) в конце концов приводит к образованию ядер, сильно перегруженных нейтронами. Как только ядро (А, Z - 1) оказывается неустойчивым по отношению к испусканию нейтронов, H. в. продолжается с выделением в каждом акте одного или неск. нейтронов:

Яркий пример - нейтронизация гелия (табл.). Порог реакции (3) для ядер на границе нейтронной стабильности

25 МэВ, чему соответствует критич. плотность H. в. r_с

4^.10¹¹ г/см³ (с учётом, что AIZ-= 3-4). При дальнейшем повышении плотности H. в. вступает в конечную фазу: в смеси из свободных нейтронов и предельно перегруженных нейтронами ядер равновесие сдвигается с ростом плотности в сторону преобладания нейтронов. Переход к ядерным плотностям можно считать концом процесса H. в.

Приведённое выше описание H. в. относится Б основном к вырожденному веществу при температуре T <<

/k. При рассмотрении нейтронизации вещество можно считать холодным, если дополнительно k T <<

Эти неравенства могут нарушаться на конечных стадиях эволюции массивных звёзд и в процессе гравитационного коллапса, когда звёздное вещество оказывается относительно горячим. Нейтронизация горячего вещества обладает рядом особенностей. Во-первых, становится возможным бета-распад:

Во-вторых, появляются позитроны, и, хотя их концентрация невелика, реакция

обычно оказывается эффективнее реакции (4). В-третьих, при темп-pax, превышающих ~5·10⁹ К, ядерные реакции становятся столь быстрыми, что устанавливаются вполне определённые концентрации разл. атомных ядер, зависящие только от температуры, плотности и соотношения между полными числами нейтронов и протонов в системе (с учётом как свободных, так и связанных в ядрах). Это последнее соотношение регулируется реакциями (1), (4) и (5). В них участвуют ядра как в основных, так и в возбуждённых состояниях, а также свободные нейтроны и протоны. Появление новых нейтронов в реакции (1) компенсируется их исчезновением в реакциях (4) и (5) - устанавливается т. н. кинетическое равновесие бета-процессов. С увеличением плотности равновесие сдвигается в сторону преобладания нейтронов.

Нейтронизацию вещества необходимо учитывать при описании строения и устойчивости звёзд на конечных стадиях их эволюции, при исследовании динамики образования нейтронных звёзд и чёрных дыр и при рассмотрении ряда вопросов, касающихся происхождения хим. элементов.

Литература по нейтронизации вещества

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.