home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Suzy B Software 2 / Suzy B Software CD-ROM 2 (1994).iso / adult_ed / lectures / lect09.txt < prev    next >
Text File  |  1995-05-02  |  5KB  |  71 lines

  1.  ----- The following copyright 1991 by Dirk Terrell
  2.  ----- This article may be reproduced or retransmitted
  3.  ----- only if the entire document remains intact 
  4.  ----- including this header
  5.  
  6.  Lecture #9  "Burning the Ashes"
  7.  
  8.    Although I detect the usual eagerness to jump to the 'flashy' (no pun 
  9. intended, well, maybe a little bit) subjects of supernovae, white dwarfs, 
  10. black holes, etc., I thought it might be good to go into a little detail 
  11. about how elements are formed first, since I detect a little 
  12. misunderstanding about it. To do this, let's look at what happens to a star 
  13. of 15 solar masses (that is, starts out with 15 times as much mass as the 
  14. sun) once all of the hydrogen in the core is consumed. At this point the 
  15. core of the star consists of helium "ash" left over from the fusion of 
  16. hydrogen. Since there is no longer enough pressure support to balance the 
  17. gravitational force (i.e. the weight of the overlying layers) the core 
  18. collapses as we said last time. This collapse releases a lot of energy, 
  19. enough, in fact, to cause the hydrogen in the layers above the helium core 
  20. to become hot enough to begin fusing hydrogen in a thin shell around the 
  21. core. We are very original and call this a hydrogen shell source. As the 
  22. core collapses, the temperature rises and eventually becomes high enough 
  23. that helium nuclei can start fusing together to form beryllium (Be). The Be 
  24. nucleus is unstable and will break back down into two He unless another He 
  25. nucleus combines with it to form carbon (C). The He nuclei contain two 
  26. protons and two neutrons. The Be nucleus, therefore, contains four protons 
  27. and four neutrons. The C atom has six protons and six neutrons. The net 
  28. result of these reactions is that three helium nuclei combine to form a 
  29. carbon nucleus (notice that we are forming NUCLEI, not atoms. The 
  30. temperature and pressure in the core of a star are much to high for the 
  31. binding of electrons to the nuclei.) This process of helium fusion is known 
  32. as the triple alpha process because alpha particles that were discovered in 
  33. the late nineteenth century in radiactive decays turned out to be helium 
  34. nuclei. Now, these C nuclei can combine with He nuclei to form oxygen, with 
  35. 8 protons and eight neutrons. There is also a small amount of neon and 
  36. magnesium produced.
  37.  
  38.    When the helium in the core is exhausted, what is left is carbon and 
  39. oxygen. The core again contracts, this time causing a helium shell source to 
  40. be created. Now we have a star with a carbon-oxygen core, a helium shell 
  41. source just above the core, and a hydrogen shell source above that. Carbon 
  42. fusion will occur when the temperature in the core reaches about 800,000,000 
  43. Kelvins (same as centigrade at this point). Soon the carbon is used up, the 
  44. core contracts, and a carbon shell source is set up. Our star will continue 
  45. to go through the same cycle with neon fusion, oxygen fusion, and finally 
  46. silicon fusion. Nope, that isn't a typo. Neon which is atomic weight 20, 
  47. fuses before oxygen, which is atomic weight 16. How does that happen, you 
  48. ask? At these high temperatures, a process known as photodisintegration 
  49. becomes important. Basically what happens is that photons have energies high 
  50. enough to break apart these nuclei. It turns out that a neon nucleus is held 
  51. together a little less tightly than an oxygen nucleus. Thus photons can 
  52. break the neon apart more easily than the oxygen. When the neon is broken 
  53. apart it splits into an oxygen and a helium nucleus. The helium nucleus can 
  54. then combine with another neon nucleus to form magnesium. Oxygen burning's 
  55. products are silicon and sulfur. Photodisintegrations continue and helium 
  56. and hydrogen nuclei combine with silicon to form heavier elements. When 
  57. silicon burning is completed, the core of the star contains primarily 
  58. iron-group nuclei like chromium, cobalt, nickel, manganese, and iron.
  59.  
  60.    At first you might expect the iron core to contract, and proceed with 
  61. iron burning. Well, the core does contract, but iron fusion does not take 
  62. place. Iron nuclei (atomic weight 56) are the most tightly bound nuclei 
  63. there are. If the iron nuclei were to combine with, say, helium nuclei, 
  64. energy would have to be absorbed, rather than released. We say that the 
  65. reaction is endothermic (takes energy) rather than exothermic (releases 
  66. energy). The star finds itself in quite a predicament. Up till now it has 
  67. managed to stave off gravity by 'burning' nuclear fuels. Now, there is no 
  68. more fuel. What happens now? Tune in next time!
  69.  
  70.  Dirk
  71.