Detector cho neutrino • Hayk Hakobyan • Các nhiệm vụ khoa học phổ biến về "Yếu tố" • Vật lý

Máy dò neutrino

Người ta biết rằng nguồn năng lượng hạt nhân chính của Mặt trời là quá trình đốt cháy hydro thông qua chuỗi ppI của chu trình proton-proton. Về mặt sơ đồ, chuỗi này được mô tả trong hình. 1. Hãy chia nhỏ nó thành các bước.

Hình 1.

1. Quá trình bắt đầu với sự hợp nhất của hai hạt nhân hydrogen (proton) thành một đồng vị heli không ổn định (diproton) với sự giải phóng năng lượng 0,42 MeV dưới dạng photon.
2. Về cơ bản các diproton hình thành theo cách này phân rã trở lại thành hai proton, nhưng rất hiếm khi xảy ra thỉnh thoảng.+– proton phân rã thành một nơtron trong hạt nhân helium với sự giải phóng positron và neutrino, trung bình là 0.26 MeV. Vì vậy, hạt nhân của đồng vị helium không ổn định biến thành hạt nhân của deuterium.
2 *. Đồng thời, positron tiêu diệt rất nhanh với electron, tỏa tất cả năng lượng còn lại và động năng dưới dạng hai photon (trung bình khoảng 1,02 MeV).
3. Hạt nhân của deuterium, lần lượt, tương tác với proton, tạo thành một đồng vị 3Ông và làm nổi bật 5,493 MeV dưới dạng một photon gamma.
4. Sau đó, cốt lõi 3Ông tương tác với một hạt nhân khác, tạo thành một đồng vị ổn định 4Anh ta phóng thích hai proton và 12.859 MeV dưới dạng động năng.

Trong khoảng 85% trường hợp, quá trình cháy hydrogen trong ánh nắng mặt trời xảy ra thông qua chuỗi ppI được mô tả ở trên. Trong 15% trường hợp, đây là chuỗi tổng hợp ppII 4Ông thông qua các phản ứng trung gian liên quan 7Hãy và 7Li, và trong khoảng 0,02% trường hợp, quá trình cháy xảy ra thông qua chuỗi ppIII. Trong khi đó, trong các ngôi sao nặng hơn Mặt trời khoảng 20%, việc đốt cháy hydro phức tạp hơn thông qua các chuỗi CN liên quan đến cacbon, oxy và nitơ chiếm ưu thế.

Hiệu quả của tất cả các phản ứng này tỷ lệ thuận với nhiệt độ, vì vậy hầu hết chúng xảy ra sâu ở độ sâu của ngôi sao, nơi nhiệt độ cao nhất. Ví dụ, trong ánh mặt trời, 90% năng lượng được tạo ra trong một vùng chiếm khoảng 10% bán kính.

Trong nhiệm vụ này, chúng ta sẽ tập trung vào chuỗi ppI.

Nhiệm vụ

1. Tính toánbao nhiêu năng lượng được giải phóng như một kết quả của một phản ứng ppI như vậy (đừng quên tính đến năng lượng mang đi bởi neutrino). Câu trả lời được trình bày thuận tiện trong các đơn vị của MeV.

2. Người ta biết rằng dòng năng lượng từ bề mặt Mặt trời đến Trái đất xấp xỉ \ (f_ % = 1 {,} 4 \ times10 ^ 6 ~ \ văn bản % ~ \ text % ^ {- 1} ~ \ text % ^ {- 2} \). Đưa ra câu trả lời từ điểm 1, tỷ lệ dòng neutrino mặt trời tới Trái đất (tính theo phần trên giây trên centimét vuông).

Dừng lại một lúc và suy nghĩ về ý nghĩa bạn nhận được. Nó cũng giống như nhiều neutrino đi qua ngón tay của bạn ngay bây giờ, và bạn thậm chí không nhận thấy nó.

3. Giả sử bạn được chỉ định xây dựng một máy dò neutrino trên Trái đất. Trong tất cả các lựa chọn có thể, bạn quyết định dừng lại ở máy dò nước.Theo kế hoạch, các neutrino năng lượng cao từ Mặt Trời sẽ hiếm khi tương tác với các electron trong một phân tử nước, loại chúng ra với năng lượng lớn. Các electron, lần lượt, di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong nước, sẽ phải phát ra bức xạ Cherenkov, mà bạn sẽ cố gắng phát hiện bằng cách sử dụng các bộ quang (như Hình 2), có thể được sử dụng để sắp xếp bể chứa nước.

Hình 2

Vấn đề là chỉ có một phần triệu neutrino tiếp cận chúng ta từ mặt trời có đủ năng lượng để tương tác với các electron trong các phân tử nước. Vì vậy, bạn phải nhận được nhiều nước. Rất nhiều.

Biết rằng mặt cắt ngang cho sự tương tác của neutrino năng lượng cao với các electron là \ (\ sigma \ sim 10 ^ {- 43} ~ \ text % ^ 2 \), tỷ lệBạn cần bao nhiêu nước trong bể để ghi ít nhất 10 sự kiện mỗi ngày.


Mẹo 1

Giả sử rằng tất cả năng lượng được phân bổ mỗi giây cho Mặt Trời, một centimet vuông của bề mặt Trái đất đạt tới α. Sau đó, phần của tất cả các neutrino được tạo ra, đạt tới một cm vuông bề mặt Trái Đất, cũng bằng α, vì dòng neutrino, cũng như dòng photon, giảm theo định luật nghịch đảo vuông.


Mẹo 2

Các hạt có thể được coi là những quả bóng rắn với một mặt cắt ngang tương đương với mặt cắt tương tác của chúng. Với mặt cắt ngang và thông lượng hạt, cố gắng ước tính số va chạm của một electron riêng lẻ với neutrino mặt trời trên một đơn vị thời gian.


Giải pháp

1. Bạn có thể dễ dàng nhận thấy rằng mỗi phản ứng 1, 2 và 3 trong chuỗi ppI đầy đủ xảy ra 2 lần (vì phản ứng 4, bạn cần 2 hạt nhân đồng vị 3Anh ta). Kết quả là, tổng năng lượng giải phóng có thể được tìm thấy như sau:

Q = (12.859 + 2 · 5.493 + 2 · 1.02 + 2 · 0.42 – 2 · 0.26) MeV = 26.205 MeV,

trong đó thuật ngữ cuối cùng tính đến năng lượng được mang đi bởi hai neutrino. Do đó, là kết quả của một chu trình như vậy, bốn hạt nhân hydro (proton) được chuyển thành một hạt nhân 4Ông, đã phát ra hai neutrino và đã giải phóng (dưới dạng photon và động năng) 26,20 MeV năng lượng.

2. Đó là 26 MeV là nguồn chính của năng lượng mặt trời mà chúng ta nhận được trên Trái Đất. Để tìm ra dòng neutrino trên Trái đất, đủ để phân chia dòng năng lượng thành năng lượng của một chu kỳ và sau đó nhân với 2, vì kết quả của một chu kỳ, hai neutrino được tạo ra.

Điều này có thể được hiểu như sau. Để mỗi đơn vị thời gian trong dòng mặt trời N chuỗi tổng hợp. Theo đó, được sinh ra 2N miếng neutrino.Toàn bộ sức mạnh phát hành sẽ được E = NQ MeV trên mỗi đơn vị thời gian (nơi Q Me 26 MeV). Giả sử, của tất cả năng lượng, phần α rơi trên một centimét vuông của Trái đất, tức là fmặt trời = αE. Rõ ràng, tỷ lệ của tổng số neutrino đến Trái Đất chính xác là như nhau, có nghĩa là, fν = 2Nα. Thật dễ dàng để tính toán từ đây (xem xét 1 MeV = 1,6 × 10−6 erg):

\ [f _ {\ nu} = \ frac {2f_ {CN}} {Q} = \ frac {2 \ cdot 1 {,} 4 \ cdot 10 ^ 6 ~ \ văn bản % ~ \ text % ^ { -1} ~ \ text % ^ {- 2}} {26 {,} 205 ~ \ văn bản {MeV}} = 6 {,} 67 \ lần 10 ^ % ~ \ text % ^ {- 1} ~ \ text % ^ {- 2}. \]

Tức là, trong một giây, khoảng 70 tỷ neutrino mặt trời bay qua centimét vuông trên Trái đất.

3. Với một dòng như vậy, một electron trong hồ sẽ tương tác

\ [n = 10 ^ {- 6} \ cdot f _ {\ nu} \ cdot \ sigma = 6 {,} 67 \ lần 10 ^ {- 39} \]

một lần một giây (yếu tố 10−6 cho rằng chỉ một trong một triệu neutrino có đủ năng lượng để tương tác với một electron). Theo đó N electron tương tác Nn một lần một giây, hoặc 24 · 3600 ·Nn một lần một ngày. Chúng tôi muốn con số này gần 10, từ đó dễ dàng nhận thấy rằng tổng số electron trong bể phải là 1,7 × 1034.

Tổng số là 1,7 × 1033 phân tử nước (vì có 10 electron trong phân tử nước) hoặc khoảng 50 nghìn tấn nước. Từ quan điểm của khối lượng, rất nhiều nước có thể phù hợp bên trong một bể khối với một bên là 37 mét.


Lời nói

Như bạn có thể đoán, một máy phát hiện, "Super-Kamiokande", đã được tạo ra ở Nhật Bản. Ở đây chúng ta hãy thảo luận cách các ngôi sao quản lý để duy trì các nguồn năng lượng ổn định nhất trong hàng tỉ năm.

Vấn đề với năng lượng của các ngôi sao đã được biết đến vào giữa thế kỷ XIX. Giả thiết chính và đơn giản nhất trong nhiều thập niên là nguồn năng lượng của ngôi sao là trọng lực của nó. Bất kỳ đối tượng nào của quy mô này đều là một loại hồ chứa năng lượng hấp dẫn, từ đó có thể rút năng lượng và bằng cách nào đó biến nó thành bức xạ bằng lực hấp dẫn. Nói cách khác, ngôi sao dần dần co lại, năng lượng hấp dẫn giảm đi và làm nóng plasma, trong thực tế, nó tỏa ra.

Các vấn đề của giả thuyết như vậy được đề xuất bởi Kelvin và Helmholtz vào cuối thế kỷ 19 đã rõ ràng rồi. Thực tế là chúng ta biết chính xác độ sáng của Mặt Trời, tức là, lượng năng lượng được phát ra mỗi giây từ bề mặt Mặt trời (3,8 × 10)26 W). Chúng ta cũng biết khối lượng (2 × 1030 kg) và kích thước (7 × 10)8 m) của Mặt trời, tương ứng, chúng ta có thể tìm ra bao nhiêu năng lượng được chứa trong "bể hấp dẫn" (theo công thức GM2/R).Bằng cách chia hai đại lượng này thành nhau, bạn có thể nói rằng mặt trời có thể tỏa sáng bao lâu:

\ [T = \ frac {GM ^ 2 / R} {L_ {CN}} = 31 ~ \ văn bản {triệu năm}. \]

Tức là, với tốc độ bức xạ năng lượng hấp dẫn này của Mặt Trời, nó có thể là đủ, ngoại trừ một số hàng chục triệu năm (thời gian này đôi khi được gọi là thời gian Kelvin-Helmholtz). Tuy nhiên, trong thập niên 1830, với sự giúp đỡ của các nghiên cứu địa chất về tích tụ trầm tích, Charles Lyell đã thiết lập rằng Trái đất lẽ ra phải có ít nhất một vài hàng trăm triệu năm. Hơn nữa, trong thời gian này, Mặt trời lẽ ra phải chiếu sáng gần như bây giờ. Ngoài ra, đã có một số đánh giá của các nhà sinh học tiến hóa đã chỉ ra độ tuổi tối thiểu tương tự cần thiết cho sự phát triển tiến hóa.

Lớp đá, tương ứng với các thời đại khác nhau. Độ tuổi của các loại đá như vậy được nghiên cứu bởi địa lý học. Ảnh từ blog.hanneketravels.net

Sau đó, trong thế kỷ 20, sau khi phát hiện phóng xạ, bằng cách nghiên cứu số lượng đồng vị chì 206Pb và 207Pb trong đá được hình thành bởi sâu 238U và 235U, có thể xác định rằng tuổi của lớp vỏ Trái Đất nên là về 4,5 tỷ năm. Những con số này không còn phù hợp với lý thuyết Kelvin-Helmholtz nữa. Rõ ràng Mặt trời là một nguồn năng lượng mạnh hơn nhiều so với lực hấp dẫn, mà các nhà khoa học tại thời điểm đó không nghi ngờ.

Trong quý đầu tiên của thế kỷ 20, đã có một ý kiến ​​được diễn tả bởi Rutherford vào năm 1904 trong một bài phát biểu trước Hội Hoàng gia, có sự tham dự của Lord Kelvin, rằng một nguồn như vậy có thể bị phân rã phóng xạ. Sau đó, Arthur Eddington đề xuất một mô hình có thể xảy ra hơn để tổng hợp nhiệt độ cao của bốn hạt nhân hydro thành một lõi ổn định. 4Anh ta. Theo tính toán của ông, trong chiều sâu của mặt trời, nên có đủ nhiệt độ và áp suất cao cho quá trình này để có thể.

Ước tính bằng số không còn dài nữa. Lúc đó người ta đã biết rằng khối lượng của proton là khoảng 938 MeV, và khối lượng của hạt alpha (hạt nhân 4Anh) – 3728 MeV. Theo đó, nếu nó được ước tính gần đúng, thì khi hợp nhất bốn hạt nhân proton vào hạt alpha, năng lượng 4 × 938 – 3728 = 24 MeV đáng lẽ phải được giải phóng. Nó chỉ ra rằng hiệu quả của phản ứng này là khoảng 24 / (9 · 938) = 0,6%. Do đó, nếu chúng ta giả định rằng 75% Mặt trời là hydro, có thể chuyển đổi thành heli bằng cách sử dụng một phản ứng, năng lượng "chiến thắng", có thể ước tính rằng "hồ chứa" đó có thể tỏa sáng trong

\ [T = \ frac {0 {,} 006 \ cdot0 {,} 75 \ cdot M_ {CN} c ^ 2} {L_ {CN}} = 66 ~ \ văn bản {bn năm}, \]

có nghĩa là, lâu hơn nhiều so với "ánh sáng" sẽ là năng lượng hấp dẫn.

Năm 1925, với công trình tiến sĩ của ông tại Harvard, Cecilia Payne-Gaposhkina, sau khi phân tích quang phổ Mặt trời, cho thấy phần lớn (khoảng 74%) Mặt trời bao gồm hydro, chắc chắn ủng hộ giả thuyết của Arthur Eddington.

Spectrum of the Sun. Các đường thẳng đứng cho thấy các bước sóng ánh sáng được hấp thụ gần bề mặt của mặt trời. Các photon của các bước sóng nhất định có thể được hấp thụ bởi các nguyên tử, các electron trong đó sẽ truyền từ một obitan này sang quỹ đạo khác. Với sự giúp đỡ của những dòng này, bạn hoàn toàn có thể xác định chính xác thành phần của các ngôi sao. Mũi tên màu trắng biểu thị dòng hydro.

Lý thuyết cuối cùng của phản ứng tổng hợp hạt nhân được phát triển bởi Chandrasekhar và Bethe trong những năm 1930, mô tả tất cả các giai đoạn của chuỗi đốt cháy hydro. Sau đó, rõ ràng là ngoài chuỗi pp tiêu chuẩn, có nhiều quá trình đốt phức tạp liên quan đến carbon và nitơ và xảy ra ở các ngôi sao có nhiệt độ lõi cao hơn.

Trở về nơi chúng tôi bắt đầu, dòng neutrino mặt trời, cùng với kiến ​​thức về dao động neutrino, mà giờ đây không ai nghi ngờ,Chúng cũng là một dấu hiệu gián tiếp tốt mà chúng ta hiểu đầy đủ chi tiết về các quá trình nhiệt hạch xảy ra ở độ sâu của mặt trời.


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: