Перейти к содержанию

Подборка

Подборки хранятся в этом браузере без учётной записи. Для них нужен включённый JavaScript.

10.9 Сгорел на работе

Астрономия10 класс2025Есть решение редакция rv_966c5e83153c9ba4 ID p_7ca5861b7c3b93f5

На приложенном графике представлены зависимости от времени светимости двух звёзд на стадии главной последовательности. Нижний график построен для Солнца при его текущем химическом составе, а верхний график – для звезды с массой 1 M ⊙ 1 M_{\odot} , которая образовалась на ранних этапах эволюции Вселенной и обладала значительно меньшей металличностью.

  • А. Чему равна масса водорода в Солнце, который к настоящему моменту уже преобразовался в гелий?

  • В. Какая масса водорода преобразуется в гелий в Солнце за всё время нахождения его на главной последовательности?

  • С. Чему равны массовые и количественные доли водорода и гелия в Солнце, когда оно выйдет со стадии главной последовательности?

  • D. Какая масса водорода преобразуется в гелий за всё время жизни звезды с массой 1 M ⊙ M_{\odot} , если она образовалась в ранней Вселенной и обладала низкой металличностью?

Рис. 4: Светимость звезд с массой 1 M ⊙ M_{\odot} на стадии главной последовательности, Z – металличность звезды

Для Солнца можно считать, что массовая доля водорода при образовании звезды составляла 70%, а массовая доля гелия — 30%. Наличием других элементов в звёздах, потерей массы

за счет звёздного ветра и других эффектов пренебречь. Масса протона составляет 1.6726 ⋅ 10 − 27 1.6726 \cdot 10^{-27} кг, масса ядра гелия – 6.6447 ⋅ 10 − 27 6.6447 \cdot 10^{-27} кг.

Решение

Показать решение

Решение.

В звездах типа Солнца водород превращается в гелий в результате ядерных реакций, называемых р-р циклом. В ходе одного такого цикла 4 протона превращаются в ядро гелия и выделяется энергия, подавляющая часть которой уносится излучением. Здесь и далее энергией, которую уносят 2 нейтрино за один цикл, пренебрежем.

Получим эту величину из данных, приведённых в условии задачи:

Δ E = Δ m ⋅ c 2 = ( 4 m p − m H E ) ⋅ c 2 = 4.1 ⋅ 10 − 12  Дж. \Delta E = \Delta m \cdot c^2 = (4m_p - m_{HE}) \cdot c^2 = 4.1 \cdot 10^{-12} \text{ Дж.}

Рассмотрим представленные графики. Площадь под кривой равна суммарной энергии, высвеченной звездой за время жизни на главной последовательности. Определим эту энергию для Солнца (нижняя кривая) за время 4.8-4.9 миллиарда лет и за всё время его нахождения на ГП. Современный возраст Солнца можно получить из графика, найдя время, при котором L=1 L ⊙ L_{\odot} .

Обратим внимание, что шкала по вертикальной оси имеет логарифмическую природу, поэтому данные с неё надо снимать аккуратно. Вероятная ошибка участника — это предположение, что светимость линейно растет со временем. Для наглядности предоставим график (рис. 5) в линейном масштабе на котором явно видно, что данное предположение не является верным.

Для вычисления площади разобьём логарифмическую кривую на несколько более-менее узких интервалов и определим площадь каждого как

S i = L i + L i − 1 2 ⋅ Δ t i S_i = \frac{L_i + L_{i-1}}{2} \cdot \Delta t_i
Номер L i L_i L i − 1 L_{i-1} t Δ t \Delta t S i S_i
10.750.7110.725
20.80.75210.775
30.850.8310.825
40.930.85410.89
510.934.80.80.72
61.05150.20.20
71.11.05611.075
81.21.1711.15
91.321.2811.285
101.51.32911.41
111.71.51011.6

Отметим, что светимости здесь выражены в единицах светимости Солнца, а время – в миллиадрах ( 10 9 ) (10^9) лет.

Суммируем значение площадей каждого столбца. За время жизни Солнца (4.8 миллиарда лет) площадь под кривой графика будет равна 3.935 ≈ 3.9 светимостей Солнца за 1 миллиард

Рис. 5: Данные по светимости в линейном масштабе

лет. Переведём это в джоули и получим полную высвеченную энергию E 1 E_1

E 1 = 3.9 ⋅ 3.88 ⋅ 10 26 ⋅ 3.15 ⋅ 10 16 = 4.8 ⋅ 10 43  Дж E_1 = 3.9 \cdot 3.88 \cdot 10^{26} \cdot 3.15 \cdot 10^{16} = 4.8 \cdot 10^{43} \text{ Дж}

Число актов р-р цикла будет равно

N 1 = E 0 4.1 ⋅ 10 − 12 Дж = 4.6 ⋅ 10 44 Дж 4.1 ⋅ 10 − 12 Дж ≈ 1.16 ⋅ 10 55 актов N_1 = \frac{E_0}{4.1 \cdot 10^{-12} \ \text{Дж}} = \frac{4.6 \cdot 10^{44} \ \text{Дж}}{4.1 \cdot 10^{-12} \ \text{Дж}} \approx 1.16 \cdot 10^{55} \ \text{актов}

А число протонов, преобразованных в гелий, будет в четыре раза больше:

N 01 = 4 N 1 = 4.66 ⋅ 10 55  протонов N_{01} = 4N_1 = 4.66 \cdot 10^{55} \text{ протонов}

Изначально в Солнце 70% массы было в виде атомов водорода. Поэтому исходное их количество равно

N 0 = 0.70 M ⊙ m n = 0.7 ⋅ 2 ⋅ 10 30 1.67 ⋅ 10 − 27 = 8.4 ⋅ 10 56  атомов N_0 = \frac{0.70 M_{\odot}}{m_n} = \frac{0.7 \cdot 2 \cdot 10^{30}}{1.67 \cdot 10^{-27}} = 8.4 \cdot 10^{56} \text{ атомов}

Оценим массу водорода, которая преобразовалась в гелий в Солнце к настоящему моменту:

M H | H E = N 01 ⋅ m p = 4.66 ⋅ 10 55 ⋅ 1.67 ⋅ 10 − 27 = 7.8 ⋅ 10 28  Kr = 3.9 % M ⊙ M_{H|HE} = N_{01} \cdot m_p = 4.66 \cdot 10^{55} \cdot 1.67 \cdot 10^{-27} = 7.8 \cdot 10^{28} \text{ Kr} = 3.9\% \ M_{\odot}

Полный интеграл под всей кривой равен 10.725 (светимостей Солнца за миллиард лет). Тогда число протонов, которые были преобразованы на Солнце в атомы гелия за всё время существования на ГП, равно

N 1 = 4 E 1 4.1 ⋅ 10 − 12 Лж = 4 ⋅ 10.725 ⋅ 3.88 ⋅ 10 26 ⋅ 3.15 ⋅ 10 16 4.1 ⋅ 10 − 12 Лж = 1.27 ⋅ 10 56 mt . N_1 = 4 \frac{E_1}{4.1 \cdot 10^{-12} \ \text{Лж}} = 4 \cdot \frac{10.725 \cdot 3.88 \cdot 10^{26} \cdot 3.15 \cdot 10^{16}}{4.1 \cdot 10^{-12} \ \text{Лж}} = 1.27 \cdot 10^{56} \ \text{mt}.

Тогда масса водорода, преобразованного в гелий, будет

M H | H E = N 1 ⋅ m p = 2.04 ⋅ 10 29  Kg = 10.6 % M ⊙ . M_{H|HE} = N_1 \cdot m_p = 2.04 \cdot 10^{29} \text{ Kg} = 10.6\% \ M_{\odot}.

Следовательно, массовые доли водорода и гелия в Солнце при выходе из Γ Π \Gamma\Pi будут составлять 59.4% и 40.6% соответственно.

Проделаем ту же самую операцию для звезды, которая образовалась в ранней Вселенной. Такая звезда обладала меньшей металличностью, её светимость была заметно больше, а время жизни на главной последовательности — заметно меньше.

Номер L i L_i L i − 1 L_{i-1} t Δ t \Delta t S i S_i
11.751.5111.67
22.01.75211.88
32.42.0312.2
43.02.4412.7
543.0513.5
64.845.50.52.2

Площадь под кривой равна 14.15 светимостей Солнца за миллиард лет. Переведём эту величину в джоули:

E 2 = 14.15 ⋅ 3.88 ⋅ 10 26 ⋅ 3.15 ⋅ 10 16 = 1.7 ⋅ 10 44  Дж. E_2 = 14.15 \cdot 3.88 \cdot 10^{26} \cdot 3.15 \cdot 10^{16} = 1.7 \cdot 10^{44} \text{ Дж.}

Число протонов, которые были преобразованы в атомы гелия, равно

N 2 = 4 E 2 4.1 ⋅ 10 − 12  Лж = 4 ⋅ 14.15 ⋅ 3.88 ⋅ 10 26 ⋅ 3.15 ⋅ 10 16 4.1 ⋅ 10 − 12  Лж = 1.7 ⋅ 10 56  протонов, N_2 = 4 \frac{E_2}{4.1 \cdot 10^{-12} \text{ Лж}} = 4 \cdot \frac{14.15 \cdot 3.88 \cdot 10^{26} \cdot 3.15 \cdot 10^{16}}{4.1 \cdot 10^{-12} \text{ Лж}} = 1.7 \cdot 10^{56} \text{ протонов,}

что соответствует массе преобразованного в гелий водорода

M H | H E = N 2 ⋅ m p = 2.8 ⋅ 10 29  Kp = 14 % M ⊙ M_{H|HE} = N_2 \cdot m_p = 2.8 \cdot 10^{29} \text{ Kp} = 14\% \ M_{\odot}

Наконец, ответим на вопрос C про количественную долю атомов водорода и гелия. Запишем отношение массовых долей водорода и гелия для Солнца при уходе с главной последовательности:

N H m p N H E m H E = 59.4 % 40.6 % \frac{N_H m_p}{N_{HE} m_{HE}} = \frac{59.4\%}{40.6\%}

Выразим отсюда отношение числа атомов водорода к числу атомов гелия:

N H N H E = 59.4 % 40.6 % ⋅ m H e m p ≈ 5.85. \frac{N_H}{N_{HE}} = \frac{59.4\%}{40.6\%} \cdot \frac{m_{He}}{m_p} \approx 5.85.

Следовательно, количественная доля атомов водорода в Солнце будет равна η H = 5.85 / 6.85 ≈ 85 % \eta_H=5.85/6.85\approx85\% , а гелия η H E = 1 / 6.85 ≈ 15 % \eta_{HE}=1/6.85\approx15\% .

Критерии

Показать критерии
𝐊 𝐩 𝐢 \mathbf{K}\mathbf{p}\mathbf{i} итерии оценивания.25
При оценивании данной задачи пропагации ошибок нет.
K1.Определение энергии, которая выделяется при одном акте р-р цикла1
K2 .Утверждение, что площадь под кривыми – это полная излучённая энергия2
K 3.Снятие точек с диаграммы для Солнца3
Пункт оценивается, если снятые с графика значения верны.
Снято 5 и более точек
ИЛИ снято 3-4 точки
ИЛИ снято 2 точки
K4.Определена полная излучённая энергия Солнца до настоящего момента3
Верно использован возраст Солнца в диапазоне 4.5 − 5.0 4.5-5.0 миллиардов лет
Получена энергия E 1 E_1 в джоулях или в электронвольтах
K5.Определена массовая доля водорода в Солнце, уже превратившегося в гелий2
Определено число актов р-р цикла1
Получен численный ответ 3.9 % ± 0.2 % 3.9\% \pm 0.2\%
K 6.Определена полная излучённая энергия Солнца за все время на ГП2
K7.Определена массовая доля водорода в Солнце, которая превратится в гелий … 2 \dots 2
K8.Снятие точек с диаграммы для низкометалличной звезды3
Снято 5 и более точек
ИЛИ снято 3-4 точки
ИЛИ снято 2 точки
K9.Определена полная излучённая энергия звезды за всё время на Γ Π \Gamma\Pi 2
𝐊 𝟏𝟎 \mathbf{K10} <ol> <li>Определена массовая доля водорода в звезде, который превратится в гелий</li> </ol>2
K11. Определена количественная доля водорода в звезде, который превратится в гелий3
Приведен корректный способ связи массовых и количественных долей
Получено верное значение доли для атомов водорода и гелия