Уравнение состояния сверхплотного вещества

Учреждение образования «Брестский государственный университет

имени А.С.Пушкина»

Физический факультет

Кафедра теоретической физики и астрономии

Реферат по специализации

«Теоретическая физика»

Уравнение состояния сверхплотного вещества.

Брест 2010

Уравнение состояния для Ае- и Аеп-фаз вещества

Мы будем иметь дело с моделями звездных конфигураций, состоящих из вырожденных газовых масс. Это конфигурации белых карликов и барионных звезд. Под последними подразумеваются модели небесных тел, состоящих из вырожденного барионного газа. В расчетах параметров этих звездных конфигураций нужно иметь уравнение состояния вещества. Нас интересуют только вырожденные состояния вещества.

Начнем с рассмотрения Ае-фазы. Она состоит из голых атомных ядер и свободного вырожденного электронного газа. При достаточно низких температурах движение ядер сводится лишь к тому, что они совершают нулевые колебания около фиксированных точек равновесия. Поэтому они не дают никакого вклада в давление вещества. Давление целиком обусловлено электронами, плотность же энергии определяется атомными ядрами.

Плотность энергии равна

ρ = (тпс2 +b)∑ 2 Акпк + e (1)

где b — средняя энергия связи нуклона в ядрах (здесь нет смысла различать массы протона и нейтрона), пк — число ядер данного типа (с параметрами Ак и Zк) в единице объема, ρе — плотность энергии электронного газа. В условиях наличия вырожденного электронного газа b является функцией е .Согласно

ρе = 4Ке(хе (1 + 2х2e) - (хе + )) (2)

где, хе = ρе/mес = (3 )1 /3hne1/3 me с — граничный импульс электронов в единицах mес (при ре>> тес, хе = е/те с2) и

Ке (3)

Иногда удобно взамен хe использовать параметр tе:

tе =4arsh xe (4)

С помощью этого параметра плотность энергии электронов запишется в следующем компактном виде:

ρe = Ке(sh te- te). (5)

В выражении энергии (1) можно произвести некоторые упрощения. Так,

∑Aknk= ∑Zknk= ne

где А/Z есть средняя величина отношения Ак/Zк (усредненная по всем типам ядер, имеющихся в среде). Учитывая последнее и пренебрегая малыми величинами b и ρе, получаем

ρ= (6)

Напомним, что из-за явления нейтронизации отношение А/ Z является функцией хе, эта зависимость аппроксимирована полиномом. Теперь вычислим давление. Оно равно производной энергии по объему с обратным знаком, при постоянном числе частиц и энтропии (в данном случае энтропия равна нулю). Так как парциальное давление ядер не учитывается, то

P=-( )Ne=-( )Ne

где Nе = Vпе — число электронов в некотором объеме V. При дифференцировании ρе нужно учесть, что хе зависит от объема V. Имея в виду (2), находим для давления

Р = Ке [xе (2 - 3) +3 ].(7)

Учитывая также формулу, уравнение состояния вещества в Aе-фазе можно записать в следующем параметрическом виде:

( 3 K n (2+a1xe+a2 +a3 ,

P= ( )4K (8)

Где a1,a2, а3 — постоянные, входящие в формулу: а1= 1,255 10-2, а2=1,755 10-5, а3=1,376 10-6; кроме того, мы ввели также новое обозначение

Кп= 5,11 1035 эрг см-3, (9)

которое будет встречаться в дальнейшем.

Рассмотрим два важных предельных случая уравнения состояния (8). В нерелятивистском случае параметр хе мал по сравнению с единицей. Разложим Р в ряд по степеням хе и отбросим малые величины в выражениях ρ и Р; исключая параметр х, получим

Р=Aρ5/3, (10)

Где

A= )5/3 -23 )5/3

Величина η= A/Z для всех ядер, за исключением водорода.

Р=B ρ4/3, (11)

Где

B=5,64 10-14 )4/3

В выражении для плотности энергии мы опустили b и ρе.

Энергия связи нуклона в ядре имеет значение в интервале 0<b 8 Мэв. У порога исчезновения Aе-фазы Р 1029 эрг см-3, а отношение парциальных плотностей энергии электронов и ядер порядка

Таким образом, b и ρе действительно достаточно малы и в расчетах звездных конфигураций не могут играть сколько-нибудь заметную роль.

В приведенном уравнении состояния не учтено взаимодействие частиц. Здесь мы имеем дело только с кулоновскими силами . Было показано, что потенциальная энергия электрона, обусловленная электрическими силами, мала по сравнению с его кинетической энергией, причем с возрастанием плотности отношение их уменьшается. Таким образом, приближение идеального газа здесь вполне оправдано. Ряд поправок к выражению давления (8), обусловленных кулоновскими взаимодействиями. Поправки к Р некоторую роль могут играть лишь при больших Z и х<1. Изменения, обусловленные температурой, тоже несущественны. Здесь важным является эффект зависимости А/Z от граничной энергии электронов.

Уравнение состояния (8) применимо до x=46, чему соответствует плотность ρ 2,4 1032 эрг см-3. При больших плотностях мы имеем дело с Aen-фазой, где уравнение состояния другое.

Введем параметр

tn =4arsh xn ,

тогда ρп и Рп запишутся в следующем виде:

ρn=Kn(sh tn - tn),

Pn= Kn(sh tn - 8sh ).(13)

Учитывая также энергию атомных ядер, парциальное давление и плотность энергии электронов, для уравнения состояния Aen-фазы вещества получаем

ρ=Kn(sh tn - tn)+mnc2 ,

P= Kn(sh tn - 8sh )+Pe.(14)

Здесь ρе и Рe —плотность энергии и давление электронного газа. Заметим, что чуть выше порога появления Aen-фазы парциальная плотность энергии и давление электронов (можно даже сказать — плотность энергии атомных ядер) достаточно малы по сравнению с соответствующими величинами для нейтронного газа. Здесь почти на всем протяжении фазы энергия и давление системы в основном определяются нейтронным газом.

Вообще говоря, в Aen-фазе следовало бы учитывать ядерные взаимодействия между нейтронами. Их вклад несуществен для энергии, но, по-видимому, является важным для давления: при заданном числе нейтронов учет ядерных сил приведет к уменьшению давления. Насколько нам известно, в рассматриваемой области плотностей теория ядерной материи как следует не разработана, поэтому мы довольствуемся приближением идеального газа. Уравнение состояния (14) справедливо в области плотностей 2,4 1032 ρ 5.45 1034 эрг см-3.

Об асимптотическом виде уравнения состояния

Целесообразно сначала исследовать асимптотическое поведение вида уравнения состояния при чрезвычайно больших плотностях. Здесь можно достичь определенного результата, исходя из совершенно общих соображений. В опытах по рассеянию быстрых протонов на нуклонах было установлено наличие весьма интенсивных сил отталкивания, действующих на расстояниях r 2 10-14 см. Этот экспериментальный факт дает некоторое основание утверждать, что в надъядерной области с возрастанием плотности массы состояние барионной плазмы (мы говорим о барионной плазме, поскольку концентрация лептонов в ней очень мала) все больше отходит от газа и постепенно приближается к состоянию идеальной жидкости.

Можно доказать, что при любом типе взаимодействия, если только энергия взаимодействия частиц больше их кинетической, известный закон Р ρ/3 обязательно нарушается, т. е. давление при достаточно больших плотностях может иметь значения выше ρ/3. Соотношение ЗР имеет место для идеального газа и в тех случаях, когда поля настолько слабы, что при любых плотностях кинетическая энергия частиц всегда больше их энергии взаимодействия. Такими полями являются электромагнитное, гравитационнное и некоторые типы мезонных полей.

Литература

Саакян, Г.С. Равновесные конфигурации вырожденных газовых масс / Г.С. Cаакян.-М.: Наука, 1972.

Секержицкий, В.С., Секержицкий, С.С. К вопросу о параметрах холодного сверхплотного вещества с учетом плотности ядер//К 100-летию со дня рождения Гейзенберга. – 2001, БрГУ.