WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
THERMONUCLEAR ТЕРМОЯДЕРНЫЙ КОТЕЛ REACTOR В НЕДРАХ СОЛНЦА IN THE INTERIOR OF THE SUN И ПРОБЛЕМА AND THE PROBLEM OF SOLAR NEUTRINOS СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО G. E. KOCHAROV..

‡-·„ „‰‡‚ ‚ The state of the art and perspective investigations of Solar neutrinos that are generated in the deep До начала 30-х годов нынешнего столетия ниinterior of the Sun are disкто не подозревал о существовании нейтрино. Они cussed.

родились на кончике пера швейцарского физика В. Паули в трудной и неясной ситуации, царившей в физике в то время. А ситуация была такая: экспери·‰‡fl ‚менты показали, что при испускании электронов fl атомными ядрами либо не соблюдается известный ‚ ‰‚‡fl всем закон сохранения энергии, либо куда-то уносится энергия. Чтобы пояснить всю остроту поло, жения, достаточно сказать, что даже сам Н. Бор до „fl ‚ пускал возможность нарушения закона сохранения „· ‰‡ ‡.

энергии в микромире. Однако Паули нашел объяснение этому парадоксу, допустив существование нейтрино – частицы, являющейся, как выяснилось позже, главным действующим лицом во многих ядерных спектаклях, происходящих как на Земле, так и в космосе. Благодаря нейтрино недостаток энергии, обнаруженный в опытах по бета-распаду, легко объяснялся: энергию уносили нейтрино. Тем самым краеугольный камень физики – закон сохранения энергии был спасен. “Крестным отцом” нейтрино стал известный итальянский физик Э. Ферми: именно он дал новой частице имя, означающее по-итальянски “малая нейтральная частица”, “маленький нейтрон”. Он же предсказал ряд ее свойств.

Около четверти века нейтрино существовали только в формулах теоретической физики. Впервые их зарегистрировали американские ученые Райнес и Коуэн, поместив сложную экспериментальную установку под “град” нейтрино, источником которых был мощный ядерный реактор. Уже первые эксперименты подтвердили свойства этих частиц, предсказанные теорией. Нейтрино перестали быть мифом и теперь являются полноправными элементарными частицами. Бурное развитие техники физического эксперимента за последние несколько десятков лет сделало возможными эксперименты по регистрации нейтрино, рожденных в естественных условиях, возникла новая область науки – нейтринная астрофизика. Первым объектом изучения стало наше Солнце.

.. © ‡‚.., чтобы обеспечить наблюдаемую светимость в тече ние миллиардов лет.

Таким образом, ответ на принципиальный вопПроблема источников энергии была актуальной рос об источнике энергии звезд был получен. Однадля человечества во все времена. Каковы бы ни были ко возникла очень трудная проблема: могут ли в достижения науки, неистощимость Солнца всегда звездных условиях протекать ядерные реакции препоражала человеческое воображение. Ведь наше свевращения четырех протонов в ядро гелия тило излучает энергию миллиарды лет с поразительРассмотрим два протона. Ядерные силы притяженым постоянством. Мощность излучения составляет ния между ними начинают действовать на очень 4 1026 Вт, а каждый квадратный метр поверхности близком расстоянии 10- 13 см. Чтобы приблизиться Солнца в энергетическом отношении можно сравпротонам друг к другу на такое расстояние, нужно нить с электростанцией мощностью 100 103 кВт.

сообщить им энергию 1 МэВ, необходимую для Каким же образом генерируется столь большая преодоления взаимного электрического отталкимощность вания. Такая энергия может появиться у протона, Ответ на вопрос: “Почему светит Солнце” – если солнечное вещество нагрето до температуры простой: светит потому, что горячее. Но чтобы не ос1010 K. Поверхностная температура Солнца измеретывать, Солнце постепенно должно сжиматься, при на и составляет всего 5760 К. По мере углубления этом гравитационная энергия – энергия частиц, внутрь Солнца температура должна возрастать, доподнятых над центром шара, переходит в кинетичестигнув максимума в центре. Но даже здесь 1010 К скую, тепловую и восполняет потери в излучаемой никак не может быть. При такой температуре внутэнергии. Потенциальная энергия газового шара реннее давление столь велико, что гравитационные Солнца, возникшая за счет взаимного притяжесилы не в состоянии предотвратить взрыв центральния отдельных его частей, составляет 6 1048 эрг.

ной области. Поскольку же Солнце не взрывается, Поскольку в каждую секунду Солнце излучает температура в его центре должна быть в 1000 раз 3,9 1033 эрг, то запас потенциальной энергии долменьше. Соответственно меньше будет и энергия жен быть израсходован за время 6 1048/3,9 1033 сепротона – всего 1 кэВ, что в 1000 раз меньше значекунд = 50 106 лет. Так думали в прошлом столетии и ния, необходимого для приближения протонов друг считали, что возраст Земли и всей Солнечной сиск другу. Казалось бы, рухнули все надежды. Однако темы не более 50 106 лет.

решение проблемы было найдено с открытием квантовой механики, которая предсказала для частиц В самом начале XX века экспериментально было микромира туннельный эффект. Г. Гамов и Э. Теллер установлено, что уран пролежал в твердых породах развили теорию туннельного эффекта и показали Земли более 1 109 лет (по современным данным, возможность проникновения протона в “ядерную 4,7 109 лет). Поскольку Солнце за счет запаса гравияму” как сквозь туннель в барьере. Они получили тационной энергии не могло светить более 50 106 лет, формулу для числа актов реакции между двумя заостро встал вопрос об источнике энергии на Солнряженными частицами в 1 г звездного вещества в 1 с.

це. В результате возникло кризисное состояние, Базируясь на этих достижениях, Г. Бете написал выйти из которого помогли исследования в области статью под названием “Генерация энергии в звезядерной физики.

дах”, которая была опубликована 1 марта 1939 года.



В 20-х годах физики научились при помощи В этой блестящей статье Бете предложил послемасс-спектрографа с высокой точностью измерять довательность превращения протонов в гелий. В массы атомных ядер. Было установлено, что масса 1967 году ему была присуждена Нобелевская премия.

гелия на 0,8% (по современным данным, на 0,7%) меньше массы четырех ядер водорода (протонов), образующих, по представлениям того времени, По существующему представлению в звездах, вместе с двумя электронами ядро гелия. Английподобных Солнцу, синтез ядер гелия из протонов ский астрофизик А. Эддингтон сразу отметил важдолжен происходить с помощью протон-протонноность этого открытия для энергетики звезд. Если го (р–р) или углеродно-азотного (С–N) циклов.

четыре протона превратятся в ядро гелия, то при этом должна выделиться энергия, равная разности В первой реакции p–p цикла при столкновении масс четырех протонов и гелия, умноженной на квад- двух протонов образуются ядро дейтерия и позират скорости света, то есть 26,7 МэВ 4,3 10- 5 эрг. трон (рис. 1). Вероятность этой реакции очень мала, Таким образом, для обеспечения светимости Солн- поскольку для совершения процесса требуется выца 3,9 1033 эрг/с необходимо, чтобы ежесекундно полнение двух крайне редких условий. Во-первых, в сгорало 4 3,9 1033/4,3 10- 5 = 3,6 1038 протонов, момент столкновения протонов энергия одного из что составляет 10- 18 часть общего количества прото- них должна быть намного больше средней тепловой нов, имеющихся в солнечном веществе. Это означа- энергии, чтобы преодолеть кулоновские силы отет, что достаточно крайне незначительному количе- талкивания. Таких частиц очень мало. Во-вторых, ству солнечного водорода превратиться в гелий, необходимо, чтобы за короткое время ( 10- 21 с), ‹10, позитрон аннигилирует с электроном с образовани1 H + 1H D + e++ ем гамма-квантов, которые поглощаются в звездном веществе. Особое внимание к первой реакции 2 протон-протонного цикла (рис. 1) обусловлено тем, D + 1H He + что скорость энерговыделения в недрах Солнца задается именно ею, поэтому она определяет и темп жизни Солнца, и особенности процессов, происхо3 1 He + 3He He + 1H + 1H дящих в глубоких его недрах. Сечение этой реакции столь мало, что в ближайшем будущем вряд ли удастся в лабораторных условиях его измерить. Это сечение вычисляется теоретически.

3 2 He + 4He Be + Дейтон, возникший в первой реакции, быстро (секунды или доли секунды в зависимости от температуры) превращается в изотоп 3Не, соединяясь Be + e- 7Li + с протоном. Дальнейшее развитие цикла протекает по различным каналам в зависимости от темпера7 Li + 1H He + 4He туры и химического состава звездного вещества (варианты 1 – 3 на рис. 1). Установлено, что при Т < 15 106 К в основном реализуется вариант 1, 3 3 He + 4He Be + при 15 106 < T < 25 106 К – вариант 2, а при T > 25 106 К – вариант 3 (см. [1]). Последовательность в углеродно-азотном цикле показана на рис. 2.

7 Be + 1H B + Какой бы из циклов ни осуществлялся, конечный итог один: четыре протона превращаются в яд8 ро гелия-4. При этом неизбежно образуются два B Be + e+ + нейтрино и гамма-кванты, а также два позитрона, которые впоследствии, соединяясь с электронами, 8 Be He + 4He тоже дают гамма-излучение. При образовании одного ядра гелия-4 из четырех протонов выделяется Рис. 1. Протон-протонный цикл.

энергия 26,7 МэВ, равная разности энергии четырех протонов и энергии ядра 4Не. Эта энергия уносится электромагнитным излучением и нейтрино.

один из протонов превратился в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон соединяется с протоном с об- В рассмотренных выше ядерных реакциях возразованием дейтона, нейтрино покидает звезду, а никают гамма-кванты, которые распространяются 12 1 C + H N + 13 N C + e++ 13 1 C + H N + 14 1 N + H O + 15 O N + e++ 15 1 12 N + H C + He Рис. 2. Углеродно-азотный цикл.

.. в солнечном веществе по всем направлениям. На Таблица 1. Теоретические значения потоков I различных групп нейтрино на Земле и скорости реаксвоем пути они взаимодействуют с атомами среды, ионами и электронами. В среднем такое взаимодей- ции 37Сl(, e- )37Ar, = I, – сечение реакции (см2) ствие имеет место на пути в 1 см, в то время как раТип Поток I, Скорость реакции диус Солнца составляет 7 1010 см. При каждом нейтрино см- 2 с- 1 37Сl(, e- )37Ar, СЕН столкновении фотоны гибнут, порождая новые. В результате энергия фотонов постепенно уменьшаpp 6,00 1010 ется. Проходят сотни тысяч лет, прежде чем “дальpep 1,43 108 0,ним родственникам” рожденных в недрах Солнца Be 4,89 109 1,гамма-квантов удается выбраться наружу. Но, к сожалению, они мало чем похожи на своих “предков”:

B 5,69 106 6,в ядерных реакциях рождаются гамма- и рентгеновN 4,92 108 0,ские кванты, а выходят из Солнца фотоны оптичесO 4,26 108 0,кого и ультрафиолетового диапазона. Это излучение никак не отражает свойств среды, в которой Примечание. Полная скорость реакции 37Сl(, e- )37Ar равпервоначально возникли кванты. на 8,0 ± 0,1. Принятая единица измерения скорости реакции 1 СЕН (солнечная единица нейтрино), равная 10- 36 с- 1.

Иное дело – нейтрино. Для того чтобы покинуть Размерность [ ] = с- 1.

Солнце, им нужно всего 2 с. Важно и то, что, пройдя сквозь огромную толщу солнечного вещества, нейтрино сохраняют всю ту информацию, какую ное значение температуры в центре составляет они получили в термоядерных реакциях. Даже но15,6 106 К, а плотность – 148 г/см2. Энергетические чью солнечные нейтрино приходят к нам, проходя спектры нейтрино представлены на рис. 3. Рис. через толщу Земли, совершенно не замечая ее сущепоказывает скорость генерации различных групп ствования.





нейтрино в зависимости от расстояния до центра Как уже отмечалось, ежесекундно в недрах Солн- Солнца. Видно, что нейтрино разных групп отличаца сгорает 3,6 1038 протонов. Поскольку при превра- ются характером спектра, средней энергией, потоком и эффективной областью их генерации. Область щении четырех протонов в ядро гелия-4 рождаются генерации термоядерной энергии практически совдва нейтрино, в недрах Солнца должны ежесекундно падает с областью генерации p–p-нейтрино. Скогенерироваться 1,8 1038 нейтрино. Если теперь эту величину разделить на 4 R2, где R = 150 106 км – рость генерации 8В-нейтрино очень сильно зависит расстояние от Земли до Солнца, то получим величи- от температуры, поэтому поток таких нейтрино явну полного потока нейтрино на Земле – 6,6 1010 ней- ляется мерилом температуры в центре Солнца. Наитрино на 1 см2 в 1 с. Существенно отметить, что пол- более растянутой по радиусу является область генерации нейтрино в результате реакции: 3Не + р ный поток солнечных нейтрино слабо зависит от Не + е+ + (так называемое hep-нейтрино).

конкретных физических условий, реализуемых в е Две особенности являются характерными для этой глубоких недрах нашего светила. В то же время группы нейтрино. Во-первых, поток этих нейтрино потоки отдельных групп нейтрино сильно зависят от состояния вещества в центральной части Солн- является индикатором концентрации гелия-3, очень хорошого термоядерного горючим. Во-вторых, ца. Так, например, при изменении температуры от 12 106 до 14 106 К поток нейтрино, возникающих от распада 8В, меняется более чем в 15 раз, а поток нейтрино углеродно-азотного цикла – более чем в 10 раз. Это обстоятельство является исключительно 1010 pp 7Be важным, так как по мере удаления от центра Солнца N скорость генерации нейтрино при распадах 8В, 15N и О падает настолько сильно, что их можно не учиO тывать. Таким образом, измерение даже одного по- 106 17F тока нейтрино от распада 8В позволяет судить о тем8 B 104 Be пературе в центральной области Солнца.

hep В табл. 1 представлены результаты вычислений pep [2] вероятностей различных реакций p–p- и С–Nциклов в недрах Солнца и теоретические значения 0,1 Энергия нейтрино, МэВ потоков нейтрино в окрестности Земли в рамках современной модели эволюции Солнца.

Рис. 3. Энергетический спектр солнечных нейтСогласно последним представлениям, горение рино. Для нейтрино с непрерывным энергетиводорода в недрах Солнца осуществляется в основческим спектром приведено число нейтрино на ном (98,4 %) через протон-протонный цикл и толь1 см- 2 с- 1 Мэв- 1 на 1 а.е., для монолинии – нейтко 1,6% – через углеродно-азотный цикл. Расчет- рино на 1 см- 2 с- 1.

, ‹10, Поток 20 но поиску иголки в стоге сена. Но если иголка магнитная, то проблема нахождения иголки не так уж и B сложна. Следовательно, физикам для регистрации нейтрино необходимо было подобрать такой “магBe нит”. И это удалось сделать.

20 ноября 1946 года Б. Понтекорво (тогда он ра10 ботал в Канаде) прочитал своим коллегам по лаборатории Чок-Ривер лекцию, в которой были залоpp жены основы хлор-аргонного метода регистрации hep нейтрино. Идея метода проста и красива, она заключается в использовании реакции 37 Cl + Ar + e-.

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,Уникальные особенности этой реакции и определиR/R ли ее приоритет. В чем они заключаются Порог реакции относительно низкий (0,814 МэВ), то есть, за исключением p–p-нейтрино, все другие группы Рис. 4. Доля нейтрино, генерированных на различных расстояниях от центра Солнца, R – расстоспособны превратить 37Cl в 37Ar. Используется жидяние от центра, R – радиус Солнца.

кий детектор – перхлорэтилен C2Cl4, относительно дешевое вещество (обычная жидкость для химической чистки одежды).

энергетический спектр нейтрино простирается до высоких энергий: максимальная энергия составляПринципиально важным является то, что 37Ar – ет 18,77 МэВ. Такая особенность открывает уни- благородный газ, он не вступает в химические реаккальную возможность регистрации нейтрино этой ции, поэтому образующиеся атомы 37Ar не прилипагруппы. Не исключена возможность того, что горе- ют ни к молекулам C2Cl4, ни к примесным молекуние гелия-3 в недрах Солнца является важным ис- лам, содержащимся в перхлорэтилене. Химические точником энергии.

методы извлечения десятков атомов благородных газов из жидкости хорошо разработаны. 37Ar радиоактивен, захватывает один из атомарных электро нов с К- или L-оболочки и опять превращается в Огромная проникающая способность нейтрино, хлор. На освободившиеся вакансии в оболочках пас одной стороны, приводит к тому, что благодаря ей дают электроны с удаленных оболочек. Разность можно заглянуть в недра Солнца, с другой – делает энергий связи оболочек в атоме идет либо на испуспроблему регистрации исключительно тяжелой. Тео- кание рентгеновского излучения, либо на выброс рия предсказывает переход нейтронов в протон и одного из электронов внутренних оболочек атома.

электрон под действием нейтрино ( + n p + e- ).

Такой электрон называется оже-электроном в честь е Поскольку нейтрон в свободном состоянии неста- ученого (Auger), открывшего этот эффект. Путем билен, то создание мишени из необходимого коли- регистрации рентгеновского излучения и оже-элекчества нейтронов не представляется возможным.

тронов и проводится счет атомов 37Ar. Энергия, изПоэтому можно использовать лишь нейтроны, на- лученная в виде рентгеновского излучения или ходящиеся в связанном состоянии, то есть мише- оже-электронов, мала – 280 эВ, что хватает для сонью могут послужить различные ядра, состоящие, здания всего десяти пар электронов и ионов в газе.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.