Бета-процессы в интенсивном тепловом поле и модель процесса синтеза p-элементов в массивных звездах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.02, кандидат наук Аль Хаяли Имад Ахмед Хуссейн

• Аль Хаяли Имад Ахмед Хуссейн
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Аль Хаяли Имад Ахмед Хуссейн

Содержание

Введение

1. Влияние сильно нагретой среды на бета-процессы

1.1. Эффекты, влияющие на скорости бета-распадных процессов в нагретой среде

1.1.1. Термические бета-процессы

1.1.2. Фотобета-процессы

1.1.3. Наличие свободных электронов в веществе

1.1.4. Ионизация атомов и ядерный электронный захват

1.1.5. Электронный захват свободных электронов

1.2. Скорости бета-процессов в сильно нагретой среде

1.2.1. Электронный /?-распад

1.2.2. Позитронный /?-распад

1.2.3. Электронный ^Г-захват

1.2.4. Электронный захват ядром свободных электронов

1.2.5. Электронный фотобета-распад

1.3. Оценка значимости эффектов, обусловленных влиянием среды

1.4. Приближение для расчета ядерных матричных элементов бета-переходов

1.5. Выводы к главе 1

2. Воздействие высокотемпературного поля на процессы нуклеосинтеза "проблемных" /?-изотопов ш1п, 1158п, 92,94Мо, 96,98Г?и в массивных звездах

2.1. Особенности бета-распада нечетных изотопов 113Сс1,1151п и синтез /»-изотопов ш1п и П58п в массивных звездах

2.1.1. Термические ^-переходы

2.1.2. Фотобета-переходы

2.2. Роль термических и фотобета-переходов в синтезе «проблемных» р-изотопов 92'94Мо, 96'98Ки в звездном веществе

2.2.1. Роль термического /?-распада

2.2.2. Роль фотобета-распада

2.3. Выводы к главе 2

3. Изменение распадных характеристик бета-стабильных и мульти-бета-распадных нуклидов в сильно нагретой среде

3.1. Стимулирование бета-распада стабильных четно-четных ядер интенсивным тепловым полем

3.2. Изменение характеристик мультибета-распадных ядер в сильно нагретом веществе массивных звезд

3.3. Выводы к главе 3

4. Физическая модель для решения проблемы синтеза р-ядер в массивных звездах на квазиравновесных этапах их эволюции

4.1. Обзор литературы по проблеме синтеза р-ядер

4.2. Проблема синтезар-ядер и физическая модель для ее решения

4.2.1. Исходные положения модели процесса синтеза /»-изотопов по /?-распадным каналам

4.2.2. Уравнения модели и их решение

4.3. Исследование процесса синтеза р-ядер на квазиравновесных этапах эволюции массивных звезд

4.3.1. Стадия горения кислорода

4.3.2. Стадия горения кремния

4.4. Роль ионизации атомных оболочек в сильно нагретом веществе в процессе синтеза /?-ядер

4.5. Границы применимости моделей, использующих закон радиоактивного распада

4.6. Выводы к главе 4

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Бета-процессы в интенсивном тепловом поле и модель процесса синтеза p-элементов в массивных звездах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Фундаментальная проблема происхождения химических элементов в процессе эволюции звезд является главной в ядерной астрофизике. Этой проблеме и разнообразным подходам к ее решению посвящено довольно много обзорных статей и других научных изданий (смотри, например, [1-6]). Основные направления ее решения были определены в ключевой работе [1], а результаты, полученные впоследствии за 45 лет исследований, были проанализированы в работах [2] и [6]. Выяснилось, что главную роль в нуклеосинтезе играют s- и /--процессы (реализация последнего происходит на взрывном этапе эволюции звезды). Это есть процессы медленного (slow) и быстрого (rapid) захвата нейтронов ядрами, которые конкурируют с бета-распадом ядер-продуктов этого захвата. Именно они ответственны за синтез большинства средних и тяжелых стабильных ядер за «железным» максимумом (это изотопы с зарядовыми числами большими, чем у железа). Конечно, определенную роль на разных этапах эволюции звезды или при нуклеосинтезе каких-то конкретных элементов могут играть и другие процессы. Это захват протонов (¿»-процесс) или альфа-частиц (а-процесс), электронный захват, фотоядерные реакции, реакции с участием нейтрино (у- и y/7-процессы) и др. Однако, как правило, для их реализации требуются специфические условия, а они не всегда выполняются на квазиравновесных этапах эволюции массивной звезды.

Одновременно с разработкой стандартной теории процесса нуклеосинтеза в звездах возникла так называемая проблема «обойденных» изотопов. Для стабильных s- и г-ядер предлагаемые стандартной теорией физические механизмы, в принципе, позволяют получить их наблюдаемые «солнечные» распространенности. Однако есть категория стабильных ядер (их 33 в диапазоне массовых чисел от 74 до 196), распространенности которых стандартная теория нуклеосинтеза не может объяснить [1, 2]. Это стабильные

4

изотопы данного элемента с относительным недостатком нейтронов (избытком протонов), распространенности которых, как правило, на два-три порядка меньше, чем у и г-ядер. Именно они и получили название «обойденных» (иначе -р-ядра). В ¿-процессе после нейтронного захвата обычно идет цепочка последовательных бета-распадов, заканчивающихся стабильным изотопом (А, 2) (А и 2 - массовое и зарядовое числа соответственно). В интервале массовых чисел, где сосредоточены р-ядра, стабильность ядра (А, 2) обусловлена тем, что для последующего бета-перехода (А, 2)—>(А, 2+1) возникает энергетический порог высотой до 3 МэВ, а иногда и выше. Поэтому цепочка бета-распадов прерывается на ядре (А, 2), и последующий захват нейтронов не может дать ядро (А, 2+2) с увеличенным числом протонов (отсюда термин «обойденный» изотоп). Если бы порог преодолеть, то естественный бета-переход (А, 2+1)—*(А, 2+2) привел бы к опять-таки стабильному ядру (А, 2+2), которое и будет р-ядром.

В ряде работ [7-13] предлагались различные способы преодоления указанного порога в условиях квазиравновесных этапов эволюции звезды (мы их рассмотрим впоследствии в соответствующих главах). Однако для распространенностей /»-ядер удовлетворительные количественные результаты получить либо не удавалось, за исключением отдельных ядер, либо требовались физические условия, реализация которых была маловероятна. Поэтому в последнее время стали разрабатываться модели взрывного механизма синтеза /»-ядер (смотри, например, обзорные работы [2], [14, 15], а также статьи [1622]), в которых рассматривается конечный этап эволюции массивной звезды -стадия сверхновой.

В моделях, основанных на взрывном синтезе химических элементов, проблема преодоления вышеуказанного энергетического порога не стоит, так как при взрывах сверхновых по веществу звезды распространяется ударная волна. Благодаря волне протоны, альфа-частицы, легкие ядра, уже имеющиеся или под ее действием рождающиеся в ядерных реакциях, могут преодолевать кулоновские барьеры и напрямую поглощаться ядрами (А, 2). В результате

таких процессов также возможно появление р-изотопов. Как показывают результаты исследований в данном направлении, рассчитанные и наблюдаемые распространенности различаются уже не на порядки по величине, как было в других моделях, а в среднем в два-три раза [2, 14, 15]. Этот результат считается обнадеживающим, однако не факт, что предлагаемые взрывные модели звезд практически реализуемы. Кроме того, как отмечалось в [19], и при этом подходе остается несколько «проблемных» /»-изотопов, рассчитанные распространенности которых на порядки отличаются по величине от наблюдаемых. В принципе, согласие теоретических и наблюдаемых распространенностей можно получить и для них, только изменив скорости некоторых ключевых реакций ^-процесса. Однако это тогда создает проблему с получением наблюдаемых распространенностей уже для я-ядер. Общий вывод по работам данного направления был сформулирован в заключении обзорного доклада [15]: «Мы прошли длинный путь со времени опубликования работы [1], но тайна происхождения /»-нуклидов все еще с нами». Все вышесказанное подтверждает актуальность решения фундаментальной проблемы происхождения /»-изотопов.

Цель диссертационной работы - исследовать воздействие интенсивного электромагнитного поля с планковским спектром частот на стабильные и бета-активные ядра и разработать модель процесса синтеза /»-изотопов на квазиравновесных этапах эволюции массивной звезды. Модель должна в комплексном подходе учесть все типы бета-процессов и их интенсификацию сильным нагревом (до ядерных температур) вещества звезды и показать, что для большинства /»-изотопов их синтез можно рассматривать как продолжение ¿-процесса в сильно нагретом веществе звезды, но только без участия нейтронов.

Научная новизна

1. Для квазиравновесных этапов эволюции массивной звезды разработана физическая модель процесса синтеза /»-изотопов, учитывающая в комплексном подходе интенсификацию всех типов ядерного бета-

распада в сильно нагретом веществе и использующая систему кинетических уравнений для расчета распространенностей р-ядер.

2. Показано, что интенсивного электромагнитного поля с планковским спектром частот на «горячих» квазиравновесных этапах эволюции массивной звезды достаточно для получения наблюдаемых распространенностей 27 из известных 33-х /»-изотопов, что позволяет не рассматривать данную категорию химических элементов как особую.

3. Выявлено, что канал термического бета-распада на квазиравновесных этапах эволюции массивных звезд заметно ускоряет сильно заторможенные естественные бета-переходы 113Сс1—>ш1п и 1151п—>ш8п, и «проблемные» нечетные изотопы ,131п и 1158п, которые также иногда относят к /»-ядрам, вполне могут накопиться в звездном веществе в "солнечных" концентрациях даже на относительно "холодном этапе" гелиевого горения.

4. В синтезе /»-изотопов выявлена существенная роль подавления процесса электронного захвата ядер в среде, нагретой до «ядерных» температур (до 200-500 кэВ в энергетических единицах), из-за сильной ионизации их атомных оболочек.

5. Получено, что сильный нагрев вещества на стадиях горения кислородного и кремниевого слоев в массивной звезде стимулирует электронный бета-распад стабильных четно-четных ядер с интенсивностью, в большинстве случаев характерной для разрешенных и однократно запрещенных бета-переходов. Для мультибета-распадных ядер нагрев среды может в полном времени жизни значительно увеличить долю электронного бета-распада и сильно изменить коэффициенты ветвления, наблюдаемые в земных условиях.

6. Аналитическое решение системы кинетических уравнений для распространенностей /»-ядер позволило установить бета-распадный закон в триаде «стабильное четно-четное ядро-нечетно-нечетное мультибета-распадное ядро—стабильное четно-четное /»-ядро» и определить границы

применимости моделей, проводящих аналогичные расчеты с использованием закона радиоактивного распада для отдельных звеньев триады.

Все результаты, перечисленные в пп. 1-6, получены впервые.

Практическая значимость

Предложенная модель процесса синтеза /»-изотопов на квазиравновесных «горячих» этапах эволюции массивных звезд, использующая комплексное рассмотрение всех типов бета-процессов в сильно нагретой среде, практически полностью закрывает старую проблему /»-ядер. Развитая в работе схема расчета полных скоростей бета-процессов в высокотемпературном поле может быть использована при рассмотрении ¿-процессов на более холодных этапах эволюции звезды, а также и г-процессов в сверхновых. Полученные распространенности для /»-элементов можно использовать в качестве начальных их концентраций в системах кинетических уравнений для процесса синтеза элементов на взрывном этапе эволюции массивной звезды.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Физическая модель процесса синтеза р-изотопов в сильно нагретом веществе массивной звезды. В ней развит комплексный подход, учитывающий все способы воздействия высокотемпературного поля на бета-процессы и использующий систему кинетических уравнений для расчета распространенностей /»-элементов.

2. Результаты расчетов распространенностей /»-ядер, позволяющие сделать вывод, что для подавляющего большинства их синтез есть естественное продолжение ¿-процессов на горячие квазиравновесные этапы эволюции массивной звезды - стадии горения кислородного и кремниевого слоев.

3. Результаты воздействия сильного нагрева вещества массивной звезды на бета-распадные характеристики стабильных в земных условиях четно-четных ядер, и мультибета-распадных нечетно-нечетных ядер, участвующих в процессе синтеза /»-изотопов, а также «проблемных»

нечетных изотопов I13In и 115Sn с сильно заторможенными в земных условиях бета-переходами.

4. Вывод, что сильная ионизация атомов вещества звезды на горячих этапах эволюции массивной звезды существенна в процессе синтеза р-ядер, а для некоторых из них только ее учет позволяет получить наблюдаемые распространенности.

5. Результаты исследования границ применимости моделей, рассчитывающих распространенности /»-изотопов на основе закона радиоактивного распада.

Апробация работы

Основные результаты диссертации представлялись и докладывались на следующих конференциях:

1. Научная сессия Воронежского государственного университета (2013 г.);

2. LXII International Conference "Nucleus 2012". Fundamental Problems of Nuclear Physics, Atomic Power Engineering and Nuclear Technologies. Dedicated to the Memory of D.V. Skobeltsyn. June 25-30, 2012, Voronezh, Russia.

3. XX Конференция по фундаментальной атомной спектроскопии. 23-27 сентября 2013 г., Воронеж, Россия.

4. LXIII International Conference "Nucleus 2013". Fundamental Problems of Nuclear Physics and Atomic Power Engineering. October 08-12, 2013, Moscow, Russia.

Публикации

По материалам диссертации имеется 12 публикаций, из них 5 статей в рецензируемых журналах из списка ВАК [23-27] и 7 публикаций в сборниках тезисов конференций [28-34].

Личный вклад автора

Автор лично проводил подбор и обзор научной литературы, принимал вместе с научным руководителем участие в постановке задач и выполнял все численные расчеты, представленные в диссертации. Обсуждение полученных

результатов и подготовка к их публикации проводились совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был существенным. Количественные результаты, подтверждающие основные положения, выносимые на защиту, получены автором лично.

Объем диссертации и ее структура

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 106 страницы, из них 99 страниц текста, включая 12 рисунков. Список литературы включает 58 наименований на 7 страницах. Ее обзор проводится в начале соответствующих глав и разделов. В конце каждой главы приведены основные выводы по результатам проведенных исследований.

В главе 1 проводится систематизация источников воздействия на скорости бета-распадных процессов, протекающих в сильно нагретой среде. Приведено общее выражение для полной скорости бета-процесса в нагретой среде, а также для парциальных скоростей бета-переходов различного типа. Рассматривались электронный и позитронный бета-распады, захват атомным ядром связанных и свободных электронов, фотобета-распад. Выполнена оценка значимости различных факторов, влияющих на скорости бета-переходов, и сформулировано приближение для расчета бета-распадных ядерных матричных элементов.

В главе 2 приводятся результаты исследования процессов синтеза в нагретой среде ряда «проблемных» ядер. Термин «проблемные» связан с невозможностью объяснить их происхождение не только в ¿-процессе, но и в рамках моделей, рассматривающих взрывные этапы эволюции массивных звезд (смотри, например, [14] и [19]). Это нечетные изотопы из1п и 1158п, которые условно относят к категории обойденных из-за невозможности получения их наблюдаемых рапространенностей в ¿-процессе, и />изотопы Мо, ^"Яи. В главе 2 разработана практическая схема, позволяющая рассчитывать полные скорости бета-переходов в нагретой среде с учетом различных ее свойств, оказывающих влияние на бета-распад.

В главе 3 исследуется действие интенсивного электромагнитного поля с планковским спектром частот на стабильные четно-четные и мультибета-распадные нечетно-нечетные ядра в диапазоне массовых чисел 1А<А<\9в. Показано, что уже на стадии горения кислородного слоя в массивной звезде с температурой «ядерного» масштаба величины (около (20СМ-300) кэВ) за счет термических и фотобета-переходов стабильные ядра становятся бета-активными. При этом скорости их /^-распада имеют величины, характерные для разрешенных и однократно запрещенных ^-переходов. Тепловое поле изменяет и скорости распада бета-активных в естественных условиях мульти-распадных ядер. В сравнении с земными условиями у них заметно, а иногда и очень сильно, изменяется даже относительный вклад электронного /?-распада в полную скорость их распада (коэффициент ветвления). Полученные в этой главе результаты существенны для решения проблемы происхождения химических р-элементов.

Глава 4 целиком посвящена проблеме /»-изотопов. В ней сформулирована физическая модель процесса их синтеза на квазиравновесных этапах эволюции массивной звезды. Она использует комплексный подход, позволяющий одновременно учитывать все типы бета-процессов, интенсифицированных нагревом среды, и систему кинетических уравнений при расчете распространенностей р-ядер. Полученное аналитическое решение системы кинетических уравнений определило закон распада по каналам бета-процессов в триаде «стабильное четно-четное ядро-мультибета-распадное нечтно-нечетное ядро-стабильное четно-четное /?-ядро». Это решение позволило определить границы применимости других моделей, использующих в процессе синтеза /»-изотопов закон радиоактивного распада в отдельных звеньях триады. Исследована роль ионизации атомных оболочек в сильно нагретой среде. Проведены расчеты распространенностей всех известных р-ядер (их 33) и показано, что для 27 из них возможно получение наблюдаемых "солнечных" величин.

В Заключении суммированы все результаты проведенных исследований и сделаны выводы.

1 ВЛИЯНИЕ СИЛЬНО НАГРЕТОЙ СРЕДЫ НА БЕТА-ПРОЦЕССЫ

Как известно, /?-распадные процессы в стандартной теории происхождения химических элементов играют немаловажную роль [1, 2]. Начиная с этапа горения гелиевой оболочки в массивных звездах (в том числе, второго и последующих поколений), происходит синтез элементов за «железным максимумом» на кривой их распространенностей. Синтез средних и умеренно тяжелых ядер идет, главным образом, за счет ¿-процесса, а тяжелых ядер - за счет г-процесса. От соотношения величин скоростей захвата атомными ядрами медленных (¿) или быстрых (г) нейтронов и ^-распада зависит итоговая скорость нуклеосинтеза в веществе массивных звезд.

Особенно важен электронный /?-распад при ¿-процессе, когда после захвата нейтрона атомным ядром идет цепочка последовательных ^-распадов дочерних ядер. Она заканчивается /^-стабильным ядром, после чего уже на нем все повторяется снова. Обычно ¿-процесс осуществляется при сравнительно высоких температурах звездного вещества на квазиравновесных этапах эволюции массивной звезды. Во-первых, это этап гелиевого горения длительностью до 105 лет, когда температура звездного вещества достигает величин ЗГв (здесь и дальше температура будет задаваться в единицах Гп=10п К). Во-вторых, это этап углеродно-кислородного горения длительностью до полугода, когда вещество разогревается сильнее - до (2-^3)79, или 200-300 кэВ в энергетических единицах. И, наконец, в-третьих, это стадия горения кремния длительностью до 1 суток с самой высокой температурой — Т~ (3+-5)Т9.

^-распад ядер важен и для г-процесса, который играет ключевую роль в синтезе тяжелых элементов при вспышках сверхновых. В г-процессе скорость захвата ядром нейтрона в реакции (п, у) значительно превышает скорость /?-распада образующегося радиоактивного ядра. Поэтому сначала происходит захват нескольких нейтронов, а потом, когда скорость реакции (п, у) станет меньше скорости /?-распада, образовавшееся ядро претерпевает /?-распад. После этого опять все повторяется. Характерное время для г-процесса не превышает

100 с, но разогрев вещества звезды может быть сильным - до нескольких Т9. Естественно, скорость ^-распада будет определять и скорость всего г-процесса.

Как следует из вышесказанного, существенные для синтеза химических элементов /^-процессы идут при высоких температурах. Нагрев вещества массивной звезды на квазиравновесных стадиях ее эволюции может достигать температур от 2Г8 до 5Т9, т.е. вполне «ядерного» масштаба величин от 20 кэВ до 0.5 МэВ. При этом и продолжительность этапов может быть значительной -от сотен тысяч лет на ранних этапах до нескольких месяцев или суток на самых горячих этапах. Естественно, от скоростей ^-процессов в сильно нагретой среде будет зависеть и итоговая скорость процесса синтеза стабильных изотопов, и соответственно их распространенности. Ниже будут рассмотрены эффекты, обусловленные действием высокотемпературного поля вещества на /^-процессы различных типов и приведены формулы для расчета полных и парциальных скоростей различных мод ^-распада. Заранее отметим, что в сравнении с земными условиями действие высокотемпературного поля может существенно изменить эти скорости и через них повлиять на итоговые выходы химических элементов в процессе их синтеза.

1.1 Эффекты, влияющие на скорости бета-распадных процессов в нагретой среде

Впервые возможность изменения /?-распадных характеристик ядер из-за того, что при высоких температурах вещества могут быть заселены возбужденные ядерные состояния, была отмечена в работах [35-37]. Как следствие, из возбужденных состояний становится возможным ^-распад, который отсутствовал при "обычных" температурах. Такие ^-переходы, в отличие от переходов из основных состояний ядер, получили название термических. Все основные моды ^-процессов - электронный и позитронный /?-распады, электронный захват, могут быть термическими, если они осуществляются в нагретой среде. Впоследствии в [10] был предложен еще

один /^-процесс, инициируемый тепловым полем, - фотобета-распад. В этом случае фотон электромагнитного поля с планковским спектром частот в поле ядра рождает виртуальную лептонную пару, а позитрон поглощается этим ядром с испусканием антинейтрино. Это эндотермический процесс, и за счет энергии фотона могут стимулироваться /^-переходы из основного состояния материнского ядра в состояния с более высокой энергией дочерних ядер. В принципе, термин термический можно относить и к фотобета-распаду, если фотобета-переход идет из возбужденных состояний материнского ядра, заселенных в высокотемпературном поле. В [10] такой вариант не рассматривался.

Термические бета- и фотобета-процессы обусловлены прямым действием высокотемпературного поля на распадающееся ядро. Однако характеристики среды, в том числе, и ее температура, могут входить в выражения парциальных скоростей /^-переходов и косвенным образом. Включая и описанные выше, ниже будут рассмотрены основные эффекты, которые, в принципе, могут повлиять на скорости бета-процессов.

1.1.1 Термические бета-процессы.

В атомных ядрах, находящихся в квазиравновесном веществе с температурой Т, будут заселяться возбужденные состояния. Этот эффект при температурах "ядерного" масштаба величины будет наиболее заметен для низших состояний, а степень их заселенности может быть определена в соответствии с больцмановским распределением. При "нормальных" для земных условий температурах /?-распад был возможен только из основного состояния ядра. Теперь открываются каналы ^-переходов и из возбужденных состояний (термические /¡"-переходы), и их может быть много. Это кардинально изменит всю картину ^-распада ядра, особенно если термические /^-переходы будут иметь меньшую степень запрета, чем /?-распад из основного состояния материнского ядра. Как будет показано ниже в главе 2, именно такая ситуация возникала для электронных бета-переходов четвертой степени запрета шСс1—>1131п и 1151п->1158п в проблеме синтеза «проблемных» нечетных р-ядер

1131п и п58п. Соответственно полная скорость /?-распада ядра в нагретой среде будет увеличиваться в сравнении с ее величиной в земных условиях. Масштаб изменения будет определяться как количеством термических бета-переходов, так и степенью их запрещенности. Более того, как будет показано в главе 3, за счет термических ^-переходов даже ^-стабильные в нормальных условиях нуклиды в нагретой среде могут стать /^-активными.

1.1.2 Фотобета-процессы.

В нагретой квазиравновесной среде имеет место электромагнитное поле с планковским спектром частот. Его фотоны, взаимодействуя с ядром, также могут влиять на /?-распад, переводя его в категорию эндотермического. Как уже говорилось выше, за счет энергии поглощаемого фотона появляется возможность ^-переходов из состояний материнского ядра в вышележащие по энергии состояния дочернего ядра. Это также может ускорить /^-процесс, если /¡■-переходы такого рода будут иметь меньшую степень запрета.

Наибольшую интенсивность в этом процессе имеет фотобета-распад -рождение электрон-позитронной пары (е, е+) фотоном у в поле ядра,

поглощение им позитрона и испускание антинейтрино V [10]:

Здесь А и 2 — массовое и зарядовое числа ядра (А, 7). Как и термические /?-переходы, фотобета-переходы также могут стимулировать активность /?-стабильного в нормальных условиях изотопа.

1.1.3 Наличие свободных электронов в веществе.

Есть эффекты, которые зависят не только от температуры, но и от других физических характеристик среды. Так, для электронного /?-распада на его скорость может через принцип Паули повлиять состояние электронного газа в веществе звезды, в частности, его плотность. Если она велика, то часть конечных состояний для вылетающего ^-электрона окажется недоступной. Соответственно скорость всех типов электронных ^-распадов может измениться. Для обычных /?-переходов на этот эффект впервые было указано в

[35]. Впоследствии в работе [38] было показано количественно, как скорость электронного /?-распада зависит от соотношения величин его граничной энергии и энергии Ферми электронного газа. Соответственно через последнюю входит зависимость этой скорости от плотности электронов в веществе звезды, а также и от температуры. В веществе всегда есть определенное количество свободных электронов, поэтому значимость эффекта надо оценивать.

1.1.4 Ионизация атомов и ядерный электронный захват.

В процессах нуклеосинтеза, наряду с электронным ^-распадом, важную роль могут играть позитронный /?-распад и электронный захват из атомных оболочек ядра. В последнем случае важно наличие электронов на низколежащих атомных оболочках, в первую очередь, на АГ-оболочке, что в нормальных земных условиях обычно имеет место. Иными словами, с этой стороны электронный захват ничто не ограничивает.

Иначе обстоит дело в сильно нагретой среде (особенно до ядерных температур в 200 кэВ и выше). Эта температура значительно превышает энергию связи электронов в самой глубокой А"-оболочке даже тяжелого атома, и он ионизируется. Естественно, если вероятность заполнения атомной оболочки, в которой находится захватываемый ядром электрон, в условиях сильной ионизации уменьшается, то это будет отражаться и на скорости электронного захвата. На затрудненность ядерного электронного захвата с замкнутых орбит из-за ионизации атомов в условиях звезд впервые указывалось в работе [37]. Этот эффект также зависит от температуры и от таких характеристик среды, как плотности электронного газа и ионов, атомные ядра которых участвуют в электронном захвате.

1.1.5 Электронный захват свободных электронов.

Если электронный захват из связанных атомных состояний будет сильно подавлен, то в определенной мере его может скомпенсировать эффект, также обусловленный присутствием газа свободных электронов в звездном веществе. Речь идет о захвате ядром свободного электрона. Это явление исследовалось в работах [37, 39, 40]. В них были получены различные приближенные

выражения для скорости захвата и исследована ее зависимость от характеристик среды.

В следующем параграфе будут приведены модифицированные выражения для скоростей всех вышеперечисленных процессов, которые затем будут использованы в расчетах распадных характеристик нечетных нуклидов, бета-стабильных четно-четных изотопов, нечетно-нечетных мультибета-распадных ядер и распространенностей /»-элементов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аль Хаяли Имад Ахмед Хуссейн, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Burbidge Е.М. Synthesis of the elements in stars / E. M. Burbidge, G. R.

Burbidge, W. A. Fowler, and F. Hoyle // Rev. Mod. Phys. - 1957. - V. 29. - P. <

547-650.

2. Wallerstein G. Synthesis of the elements in stars: forty years of progress / G. Wallerstein, I.Iben, P.Parker et al. II Rev. Mod. Phys. - 1997. - V. 69. - P. 995-1084.

3. Ишханов Б.С. Нуклеосинтез во Вселенной / Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, И.А. Тутынь. - М.: Изд. МГУ, 1999. - 128 с.

4. Клапдор-Клайнгротхаус Г.В. Астрофизика элементарных частиц / Г.В. Клапдор-Клайнгротхаус, К. Цюбер. - М.: Редакция журнала УФН, 2000. -496 с.

5. Бедняков В.А. О происхождении химических элементов / А.В. Бедняков // ЭЧАЯ. - 2002. - Т. 33. - С. 914-963.

6. Rauscher Т. Nucleosynthesis in massive stars with improved nuclear and stellar physics / T. Rauscher, A. Heger, R. D. Hoffman, and S. E. Woosley // Astrophys. Jour. - 2002. - V. 576. - P. 323-348.

7. Домогацкий Г.В. Образование обойденных изотопов под действием нейтрино и возможная роль нейтрино в нуклеосинтезе / Г.В. Домогацкий, Д.К. Надежин // Астрон. Журн. - 1978. - Т. 55. - С. 516-530.

8. Копытин И.В. Столкновительный ^-распад ядер в кулоновском поле и проблема происхождения обойденных изотопов / И. В. Копытин, Т. А. Крыловецкая // Ядерная физика. - 1998. - Т. 61. - С. 1589-1599.

9. Копытин И.В. Роль термического /Г -распада в синтезе р-ядер / И.В.Копытин, М.А. Гиршфельд, Э.М. Бабишов, Т.А.Крыловецкая // Вестн. Воронеж, гос. ун-та. Сер.: Физика, математика. - 2006. - №2. - С. 72-77.

10. Shaw P.R. Photon-induced beta decay in stellar interiors / P.R. Shaw, D.D. Clayton, and F.C. Michel // Phys. Rev. - 1965. - V. 140. - P. B1433-B1441.

11. Arnould M. Importance of the photo-beta process for the synthesis of p-elements in stellar conditions // Nucl. Phys. - 1967. - V. A100. - P. 657-672.

12. Копытин И.В. Реакция фотобета-распада стабильного ядра как основа новой модели процесса синтеза р-ядер / И.В.Копытин, Т.А.Крыловецкая // Изв. РАН. Сер. физич. - 2000. - Т. 64. - С. 935-941.

13. Копытин И.В. Точный учет кулоновского поля при фотобета-распаде ядра и проблема "обойденных" элементов / И.В. Копытин, К.Н. Карелин, А.А. Некипелов // ЯФ. - 2004. - Т. 67. - С. 1455-1467.

14. Arnold М. The p-process of stellar nucleosynthesis: astrophysics and nuclear physics status / M. Arnold and S. Goriely // Phys. Reports. - 2003. - V. 384. -P. 1-84.

15. Rausher T. Origin of the /»-nuclei in explosive nucleosynthesis / T. Rausher // 11th Symposium on Nuclei in Cosmos. 19-23 July 2010. Heidelberg, Germany (arXiv: 1012.2213 [astro-ph.SR] 10 Dec 2010).

16. Fujimoto S. /»-Process nucleosynthesis inside supernova-driven supercritical accretion disks / S. Fujimoto, M. Hashimoto and O. Koike // Astron. Journ. -2003.-V. 585.-P. 418-428.

17. Rapp W. Sensitivity of p process nucleosynthesis to nuclear reaction rates in a 25 solar mass supernova model / W. Rapp, J. Gorres, M. Wiescher et al. 11 Astroph. Journ. - 2006. - V. 653. - P. 474-489.

18.Бабишов Э.М. Модель процесса взрывного синтеза /»-ядер / Э.М. Бабишов, И.В. Копытин // Астроном. Журн. - 2006. - Т. 83. - С. 638-648.

19. Бабишов Э.М. Новый подход в исследовании процесса синтеза р-ядер / Э.М.Бабишов, И.В.Копытин // Ядерная физика. - 2008. - Т. 71. - С. 12341239.

20. Thielemann F-K. The г-, />- and op-process / Thielemann F-K., Dillmann I, Farouqi K. et al. // Journ. Phys.:Conf. Ser. - 2010. - V. 202. - P. 012006012015.

21. Kusakabe M. Production of the p-process nuclei in the carbon-deflagration model for type la supernovae / M. Kusakabe, N. Iwamoto and K. Nomoto // arXiv: 1001.0145v3 [astro-ph. SR] 17 Nov 2010.

22. Travaglio C. Type la supernovae as sites of /»-process: two-dimensional models coupled to nucleosynthesis / C. Travaglio, F.K. Bopke, R. Gallino and W. Hillebrandt // arXiv: 1106.0582vl [astro-ph.SR] 3 June 2011.

23. Копытин И.В. Термический бета-распад и проблема /»-ядер ш1п и 115Sn / И.В.Копытии, Т.А.Крыловецкая, Имад А. Хуссейн // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: физика, математика. - 2012. - №1. - С. 34-41.

24. Копытин И.В. Роль термического и фотобета-распадов в процессах нуклеосинтеза в массивных звездах "проблемных" /»-ядер 113In, 115Sn, 92'94Мо, 96'98Ru / И.В. Копытин, Имад А. Хуссейн // Ядерная физика. -2013.-Т. 76, №4.-С. 513-525.

25. Копытин И.В. Бета-процессы в высокотемпературном поле и синтез р-элементов в звездах / И.В.Копытин, Имад А. Хуссейн // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: физика, математика. - 2013. - №1. - С. 49-64.

26. Копытин И.В. Бета-процессы в высокотемпературном поле и ядерные мультибета-распады / И.В. Копытин, Имад А. Хуссейн // Ядерная физика. - 2013. - Т. 76, №11.- С. 1379-1387.

27. Копытин И.В. Бета-распадный закон в изобарной триаде и синтез р элементов в сильно нагретом веществе массивных звезд / И.В.Копытин, Имад А. Хуссейн // Вестник Воронежского государственного универси тета. Серия: физика, математика. - 2013. - №2. - С. 72-83.

28. Kopytin I.V. Role of Endothermic Beta Decays in Abundance Forming Processes of 113In and 115Sn Nuclei / I.V. Kopytin, T.A. Krylovetskaya, Imad A. Hussain // LXII International Conference "Nucleus 2012". Fundamental Problems of Nuclear Physics, Atomic Power Engineering and Nuclear

Technologies. Dedicated to the Memory of D.V. Skobeltsyn. June 25-30, 2012, Voronezh, Russia. - Book of Abstracts. - Saint-Petersburg, 2012. - P. 161.

29. Kopytin I.V. Thermic Beta Decay and Problem of p-Nuclei 113In and 115Sn / I.V. Kopytin, T.A. Krylovetskaya, Imad A. Hussain // LXII International Conference "Nucleus 2012". Fundamental Problems of Nuclear Physics, Atomic Power Engineering and Nuclear Technologies. Dedicated to the Memory of D.V. Skobeltsyn. Book of Abstracts. June 25-30, 2012, Voronezh, Russia. - Saint-Petersburg, 2012. - P. 162.

30. Копытин И.В. Влияние ионизации атомов в сильно нагретом веществе массивной звезды на скорость процесса синтеза /?-изотопов / И.В. Копытин, A.C. Корнев, Имад А. Хуссейн // Сборн. тезисов докл. конфер. и школы молодых ученых по фундам. атомн. спектроск. (ФАС-ХХ), 23-27 сентября 2013 г., Воронеж, Россия. - С. 146-148 (www.fas.vsu.ruV

31. Копытин И.В. Зависимость распадных характеристик ядер от заполненности к-оболочек их атомов в сильно нагретом веществе / И.В. Копытин, Имад А. Хуссейн // Сборн. тезисов докл. конфер. и школы молодых ученых по фундам. атомн. спектроск. (ФАС-ХХ), 23-27 сентября 2013 г., Воронеж, Россия. - С. 146-148 (www.fas.vsu.ru).

32. Kopytin I.V. Beta processes in high-temperature field and nuclear multibeta-decays / I.V. Kopytin, Imad A. Hussain // LXIII Intern. Conf. "Nucleus 2013". Fundamental Problems of Nucl. Phys. and Atomic Power Engineering. October 8-12, 2013, Moscow, Russia. - Book of Abstr. - S.-Pb., 2013. - P. 42.

33. Kopytin I.V. Stimulation of stable isotope beta-decay by powerful heating of substance and p-nucleus synthesis in massive stars / I.V. Kopytin, A.S. Kornev, Imad A. Hussain // LXIII Intern. Conf. "Nucleus 2013". Fundamental Problems of Nucl. Phys. and Atomic Power Engineering. October 8-12, 2013, Moscow, Russia. - Book of Abstr. - S.-Pb., 2013. - P. 44.

34. Kopytin I.V. On the problem of /?-nucleus synthesis possibility at quasi-equilibrium stages of massive-star evolution / I.V. Kopytin, A.S. Kornev, Imad A. Hussain // LXIII Intern. Conf. "Nucleus 2013". Fundamental Problems of

Nucl. Phys. and Atomic Power Engineering. October 8-12, 2013, Moscow, Russia. - Book of Abstr. - S.-Pb., 2013. - P. 42.

35. Hoyle F. The synthesis of elements from hydrogen // Mon. Not. Roy. Astron. Soc.- 1946.-V. 106.-P. 343.

36. Cameron A.G.W. Photobeta reactions in stellar interiors // Astrophys. J. -1959.-V. 130.-P. 452.

37. Bahcall J.N. Beta decay in stellar interiors // Phys. Rev. - 1962. - V. 126. - P. 1143-1149.

38. Peterson V.L. Exclusion principle inhibition of beta decay in stellar interior / V.L. Peterson, J.N. Bahcall //Astrophys. J. - 1963. - V. 138. - P. 437-451.

39. Bahcall J.N. Electron capture in stellar interiors // Astrophys. J. - 1964. - V. 139.-P. 318.

40. Tsuruta S. Composition of matter in nuclear statistical equilibrium at high densities / S. Tsuruta, A.G.W. Cameron // Can. J. Phys. - 1965. - V. 43. - P. 2056.

41. H. Behrens and J. Janecke. Landolt-Bornstein. Numerical data and functional relationships in science and technology. New series. Group I: nuclear physics and technology. V. 4. - Berlin; Helderberg; New York: Springer-Verlag, 1969. -317 p.

42. Джелепов Б.С. Бета-процессы / Б.С. Джелепов, Л.П. Зырянова, Ю.П. Суслов. - М.-Л.: Наука, 1973. - 317 с.

43. К. Ленг. Астрофизические формулы. Руководство для физиков и астрофизиков. Ч. 2. - М.: Мир, 1978. - 384 с.

44. Takahashi К. Nuclear ß-decay of highly ionized heavy atoms in stellar interiors / K. Takahashi and K. Yokoi // Nucl. Phys. A. - 1983. - V. 404. - P. 578-598.

45. Takahashi K. Beta-decay rates of highly ionized heavy atoms in stellar interiors / K. Takahashi and K. Yokoi // Atomic Data and Nuclear Data Tables. - 1987.-V. 36.-P. 375-409.

46. Рапопорт Л.П. Влияние сильного взаимодействия между нуклонами в ядре на разрешенный p-распад / Л.П. Рапопорт, И.В. Копытин // Ядерная физика. - 1965. - Т.2. - С. 992-1001.

47. Мигдал А.Б. Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1983. - 432 с.

48. Firestone R.V. Table of Isotopes. 8th Edition / R.B. Firestone, V.S. Shirley, C.M. Baglin et al. - J. Wiley & Sons. - New York, 1996 (with CD-ROM: Firestone R.B. Table of Isotopes. 8th ed. - CD-ROM Edition, Version 1.0 -1996).

49. Гипперт-Майер M. Элементарная теория ядерных оболочек / М. Гипперт-Майер, И.Г.Д. Иенсен - М.: ИЛ, 1958. - 318 с.

50. Камерон А.Дж.У. Содержание химических элементов и нуклидов в Солнечной системе / А.Дж.У. Камерон // Ядерная астрофизика. Под ред. Ч. Барнса, Д. Клейтона, Д. Шрамма. - М.: Мир, 1986. - С. 33-52.

51. Копытин И.В. Воздействие синхротронного излучения на ядерный бета-распад / И.В.Копытин, К.Н.Карелин // Ядерная физика. - 2005. - Т.68. -№7.-С. 1185-1194.

52.Алмалиев А.Н. Ускорение (3"-переходов синхротронным излучением / А.Н.Алмалиев, И.В.Копытин, К.Н.Карелин // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: физика, математика. - 2004. - №1. -С. 5-10.

53. Shahid Rashid. Laser-intensity effect on beta decay of the free neutron // J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. - 2012. - V. 39. - P. 065103 (Юрр).

54. Тернов И.М. Влияние сильного электромагнитного поля на бета-распад / И.М. Тернов, В.Н. Родионов, О.Ф. Дорофеев // ЭЧАЯ. - 1989. - Т. 20, вып. 1.-С. 51-95.

55. Frohlich С. Neutrino-induced nucleosynthesis of А>64 nuclei: the Dp-process / C. Frohlich, G. Martinez-Pinedo, M. Liebendorfer et al. II arXiv:astro-ph/0511376vl 12 Nov 2005.

56. Бабишов Э.М. Взрывной синтез р-ядер: проблемы согласованных модельных расчетов / Э.М.Бабишов, И.В.Копытин // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: физика, математика. - 2006. - №2. - С. 5-13.

57. Lodders К. Abundances of the elements in the solar system / K. Lodders, H. Palme and H.-P. Gail // In Landolt-Bornstein: New Series. Astronomy and Astrophysics. Ed J E Trumper, Springer-Verlag: New York. - 2009. - V. VI/4B. - Chap 3.4. - P. 560-630.