Естествознание
10 класс

§ 75. Эволюция звезд и синтез тяжелых элементов

В каждой естественной науке заключено столько
истины, сколько в ней есть математики.
И. Кант

Как связана масса, мощность излучения звезды и время ее жизни? Какие процессы происходят в недрах звезд и какова их роль в эволюции Вселенной?

Урок-практикум

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Ознакомиться с процессами, происходящими на звездах, и их ролью в эволюции Вселенной. Выяснить, как связана масса звезды с временем ее жизни.

ПЛАН РАБОТЫ. Выполните задания 1—6. По результатам работы сделайте выводы о значении процессов, происходящих в недрах звезд в эволюции Вселенной.

1. В предыдущем параграфе говорилось о стадии эволюции звезды, в течение которой звезда называется нормальной звездой. Эта стадия характеризуется тем, что в недрах звезды происходит превращение протонов в ядро гелия. Как и многие химические реакции, эта ядерная реакция представляет собой цепочку реакций:

В этих формулах символами V, е‘ и X обозначены нейтрино, позитрон (антиэлектрон) и гамма-квант. Энергия, выделяющаяся при реакциях, выражена в мегаэлектронвольтах. Напомним, что 1 эВ= 1,6 • 10-19 Дж. Объясните, почему в первой из этих реакций выделяется меньше энергии, чем в двух последующих.

ПОДСКАЗКА. Вспомните, что говорилось о фундаментальных взаимодействиях в микромире.

2. Энергия порядка нескольких мегаэлектронвольт очень мала. Однако такая энергия выделяется при синтезе одного ядра гелия. Рассчитайте, сколько энергии выделяется при превращении в гелий одного грамма водорода, и оцените, сколько бензина нужно сжечь для получения такой же энергии. При сжигании 1 кг бензина выделяется 4,6 • 107 Дж.

ПОДСКАЗКА. В цепочке приведенных реакций 4 протона превращаются в ядро гелия. В 1 г водорода приблизительно 1 моль атомарного водорода, т. е. 6 • 1023 протонов.

3. Время жизни звезды ограничено запасом ядерного горючего, т. е. ее массой. Тем не менее более массивная звезда меньше живет. Предложите гипотезу, которая может это объяснить.

ПОДСКАЗКА. Масса звезды связана с энергией излучения. Вспомните о такой характеристике, как мощность излучения.

4. Астрономические исследования показывают, что мощность излучения звезды (астрономы называют ее светимостью и обозначают через L) пропорциональна 4-й степени массы, т. е. L = СМ4, где С — некоторая константа. Оцените, какой степени массы пропорционально время жизни звезды.

ПОДСКАЗКА. Для оценки примите самую простою модель, согласно которой мощность звезды не изменяется со временем. Далее используйте энергетические соображения.

5. Время жизни звезды типа Солнца порядка 10 млрд лет. Оцените, сколько времени живут звезды в 10 раз большей массы и в 10 раз меньшей массы.

6. Уменьшение количества водорода на звезде способствует сжатию ее гравитационными силами. Возникают условия для превращения ядер гелия в ядра более тяжелых элементов. Постепенно образуются все более тяжелые ядра. Гипотезы об эволюции Вселенной говорят о том, что все тяжелые ядра, в том числе и те, которые входят в состав нашего организма, образовались на звездах. Объясните, почему железо является одним из самых распространенных элементов в составе Земли.

ПОДСКАЗКА. Вспомните об удельной энергии связи (см. рис. 24)

В недрах звезд происходят реакции термоядерного синтеза с выделением энергии, во много раз превосходящей энергию химической реакции. В процессе этих реакций образовались все тяжелые элементы, существующие в природе. Мощность излучения звезд возрастает с их массой, в результате чего время жизни более массивных звезд меньше, чем у менее массивных.

Литература для дополнительного чтения

  1. Засов А. В. Астрономия. Учеб. для 11 кл. / А В. Засов, Э. В. Кононович. — М.: Просвещение, 1996.

Рейтинг@Mail.ru