план-конспект урока ЯДЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ЗВЕЗД
план-конспект урока по астрономии (11 класс) на тему

КОНСПЕКТ  УРОКА  НА  ТЕМУ :

« ЯДЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ  ЭНЕРГИИ  ЗВЕЗД».

Цель урока: показать, что только термоядерные реакции могут обеспечить наблюдаемую светимость звезд; найти энергию, выделяющуюся в основных ядерных реакциях на звездах.

     Вопрос об источниках звездной энергии был поставлен почти сразу после открытия закона сохранения энергии, когда стало ясно, что излучение звезд обусловлено какими-то энергетическими превращениями и не может происходить вечно. Неслучайно первая гипотеза об источниках энергии звезд принадлежит Роберту Майеру, человеку, открывшему закон сохранения энергии. Он полагал, что источником энергии Солнца является непрерывное выпадение на его поверхность метеорных тел. Расчеты, однако, показали, что этого источника явно недостаточно. Гельмгольц и лорд Кельвин пытались объяснить длительное излучение Солнца его медленным сжатием, сопровождающимся выделением гравитационной энергии. Эта очень важная для современной астрономии гипотеза оказалась, однако, несостоятельной для объяснения излучения Солнца в течение миллиардов лет.

      На рубеже XIX и XX веков было сделано одно из великих открытий в истории человечества – обнаружена радиоактивность. Потребовалось не одно десятилетие, чтобы ядерная физика стала на прочную научную основу. Уже к 20-м гг. нашего века стало ясно, что источник энергии Солнца и звезд следует искать в ядерных превращениях. Однако указать конкретные процессы, происходящие в недрах звезд, не было возможности. Первым указал на возможность ядерных реакций в недрах Солнца сэр Артур Эддингтон. Было очевидно, что радиоактивный распад( α и β) не мог обеспечить необходимый выход энергии.

       Среди десятков замечательных открытий в ядерной физике одно оказалось особенно важным по тем последствиям, к которым привело его использование в практической жизни. Это было открытие ядерных реакций.

      Ядерной реакцией  называется превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного.

     Общим признаком ядерной реакции и радиоактивного распада является превращение одного атомного ядра в другое. Но радиоактивный распад происходит самопроизвольно, без внешнего воздействия, а ядерная реакция вызывается действием бомбардирующей  частицы. Исторически первую ядерную реакцию осуществил Эрнст Резерфорд в 1919 году.

                                 147 N + 42 He →   178 O +11H     

    В настоящее время установлено, что ядерные реакции могут происходить с любым атомным ядром как при столкновениях ядер, так и при столкновениях частиц с ядрами. Для осуществления реакции под действием положительно заряженной частицы необходимо, чтобы частица обладала кинетической энергией, достаточной для преодоления кулоновского отталкивания. Нейтральные частицы могут обладать сколь угодно малой энергией.

     Ядерные реакции бывают двух типов – идущие с поглощением или выделением  энергии. Использую закон связи массы и энергии Е=Мс2 можно по разности масс частиц, вступающих в реакцию, и масс частиц-продуктов определить изменение энергии частиц. Если Мо  •Мпродукта, то энергия выделяется, если наоборот, энергия поглощается. Энергия, освобождающаяся  при ядерной реакции, называется выходом ядерной реакции. Выход реакции обычно лежит в пределах от 1 до сотен МэВ, что в миллионы раз превосходит выход энергии при химической реакции.

      Рассмотрим источники энергии звезд. В звездных недрах самым распространенным веществом является  водород в ионизованном состоянии. Существуют два пути превращения водорода в гелий, отличающиеся разной последовательностью реакций. Это протон-протонная  реакция (р-р цикл) и углеродно-азотная реакция ( С-N цикл).

       Р-Р ЦИКЛ.

Эта реакция начинается со столкновения двух протонов с образованием ядра дейтерия:

                         11Н+11Н→21Н+1e+ν      1010 лет

Даже в условиях звездных недр эта реакция происходит крайне редко -  каждый протон имеет шанс превратиться в дейтерий только раз в насколько миллиардов лет. Найдем энергетический выход этой реакции:

Е=(2*1,00783 – 2, 01410)*931,5 МэВ=1,45 МэВ

   Образовавшиеся ядра дейтерия «жадно», через несколько секунд, «захватывают» протон и превращаются в изотоп гелия-3.

      21Н+11Н→32Не+γ        5 сек.

Энергетический выход реакции составляет

Е=(1,00783+2,01410-3,01602)*931,5 МэВ=5,51 МэВ.

После этого возможны три пути ядерных реакций.

1. Чаще всего изотоп гелия-3 будет взаимодействовать с подобным себе ядром:

                         32Не+32Не→42Не+11Н+11Н      106 лет

Е=(2*3,01602-4,00260-2*1,00783)*931,5 МэВ=12,84 МэВ.

Суммарный выход энергии составляет 1,45+5,51+12,84 МэВ=19,80 МэВ.

2. Второй путь состоит из нескольких реакций:

   32Не+42Не→74 Ве+γ

   74Ве+11Н→85 В+ν

    85 В→84 Ве+о1е+ν

    84 Ве→42Не+42Не+γ

3. Третий путь начинается также,  как  второй:

32Не+42Не→74Ве+γ

74Ве+о-1е→73 Li +ν

73 Li + 11Н→84 Ве

84 Ве→42Не+42Не+γ

Подавляющее большинство реакций идет по первому пути, но роль «побочных» путей отнюдь не мала. Благодаря им появляются легкие элементы – бор, бериллий, литий.

С - N цикл.

Этот цикл состоит из 6 реакций.

126С+11Н→137N+ν

137N→136C+o1e+γ

136C+11H→147N+γ

147N+11H→158O+γ

158O→157N+01e+ν

157N+11H→126C+42He

В углеродно-азотном цикле не происходит изменение числа ядер углерода, углерод служит лишь катализатором реакции, а продукт реакции – ядро гелия, образуется из 4 протонов, которые в разное время один за другим присоединились к углероду и образующимся из него изотопам.

      Часть энергии, выделяющейся при реакции, уносится гамма-квантами и нейтрино, поэтому реальный выход энергии примерно на 5% меньше рассчитанного.

       Найдем теперь энергетический выход углеродно-азотного цикла и сравним его с выходом протон - протонного цикла.

   126  С m=12,00000  а.е.м        158O  m=15,00307  а.е.м

    136C  m=13,00335  а.е.м         157N m=15,00011   а.е.м

    137 N m=13,00574   а.е.м        147N m=14,00307   а.е.м

     Сравним энергетические выходы – 19,80 МэВ у р - р цикла и 26,73 МэВ у С - N цикла. В каких звездах происходит протон - протонная реакция? Очевидно, в тех, где запасы водорода велики, а масса и светимость  сравнимы с массой и светимостью Солнца, т.е. это карлики главной последовательности. Углеродно-азотный цикл происходит в массивных звездах с большой светимостью – гигантах и сверхгигантах.

Успехи ядерной физики привели к полному объяснению природы источников звездной энергии.