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/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / sci / physics / 21631 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-12-22  |  7.8 KB

  1. Path: sparky!uunet!gatech!destroyer!news.itd.umich.edu!pablo.physics.lsa.umich.edu!metzler
  2. From: metzler@pablo.physics.lsa.umich.edu (Chris Metzler)
  3. Newsgroups: sci.physics
  4. Subject: Re: When your sun forges iron...
  5. Date: 23 Dec 1992 00:14:28 GMT
  6. Organization: University of Michigan Department of Physics
  7. Lines: 141
  8. Distribution: world
  9. Message-ID: <1h8b15INNgr6@terminator.rs.itd.umich.edu>
  10. References: <6k4TVB2w165w@netlink.cts.com> <Dec.16.20.31.12.1992.9453@ruhets.rutgers.edu> <1992Dec17.081331.21425@u.washington.edu> <11567@sun13.scri.fsu.edu>
  11. NNTP-Posting-Host: pablo.physics.lsa.umich.edu
  12.  
  13. Over the course of several articles, jac@ds8.scri.fsu.edu (Jim Carr) writes:
  14. |> In article <1992Dec17.081331.21425@u.washington.edu> lamontg@stein.u.washington.edu (Lamont Granquist) writes:
  15. |> >
  16. |> >In fact what happens is that you get a buildup of Fe-56 in the core.  After
  17. |> >the pressure gets great enough the Fe-56 begins to start to fission.
  18. |> >
  19. |> >This is bad.
  20. |> 
  21. |> No, it is wrong.
  22. |> 
  23. |> The iron does not fission.  It just sits there.  Since no more fusion is 
  24. |> taking place, no energy is released, and there is no longer any radiation 
  25. |> pressure to oppose the gravitational attraction and the star collapses on 
  26. |> itself until the nucleons reach a density where they feel the repulsive 
  27. |> short-range core in the nucleon-nucleon interaction.  They "bounce" off 
  28. |> of this repulsive potential, leading to the explosion of the star.  Along 
  29. |> the way, electron capture occurs as well, producing the excess neutrons 
  30. |> needed for r-process nucleosynthesis and the characteristic neutrino 
  31. |> pulse detected from the most recent nearby supernova. 
  32. |> 
  33. |> Fe-56 cannot fission any more than it can fuse.  It is at the bottom 
  34. |> of the binding energy curve.   
  35. |> 
  36.  
  37. This is partially wrong.
  38.  
  39. It is, of course, true that Fe-56 sits at the top of the iron peak.  But so
  40. what?  All that means is that fission or fusion processes involving iron must
  41. be endoergic.
  42.  
  43. In Supernovae of Type II, when the core burns to iron, it is no longer possible
  44. to support the mass above by nuclear processes, and the core collapses.
  45. This contraction results in very high temperatures and a lot of energetic
  46. photons.  For a Type II supernova, the iron core is above the Chandrasekhar
  47. limit, meaning that electron degeneracy pressure is not sufficient to
  48. support the mass of the star.  The matter can thus infall until the core is
  49. so hot and the photons so energetic that iron nuclei can photodisintegrate into
  50. He nuclei and neutrons.  This is not, strictly speaking, what we normally
  51. think of when someone says "fission," but the iron nonetheless does break
  52. down into smaller elements.
  53.  
  54. |> In article <1992Dec18.231931.24746@u.washington.edu> lamontg@stein.u.washington.edu (Lamont Granquist) writes:
  55. |> >jac@ds8.scri.fsu.edu (Jim Carr) writes:
  56. |> >>No, it is wrong.
  57. |> >
  58. |> >[...]
  59. |> >
  60. |> >>Fe-56 cannot fission any more than it can fuse.  It is at the bottom 
  61. |> >>of the binding energy curve.   
  62. |> >
  63. |> >Oh sure it can fission, it just takes positive energy to do it. 
  64. |> 
  65. |> There is more than just energy involved.  The energy must be delivered 
  66. |> in a single quantum (or a few on a 10^{-20} second time scale) to 
  67. |> cause such a reaction.  For example, a 100 MeV proton would cause 
  68. |> a variety of reactions, some of which would leave you with various 
  69. |> nuclear fragments.  The temperatures in a stellar core will not give
  70. |> you many events like this.  The thermal energies are just enough to 
  71. |> get you over the Si+Si coulomb barrier and fuse to Fe, but this is 
  72. |> not nearly enough to excite Fe to the point where it would come apart.  
  73. |> 
  74.  
  75. Single quantum = photon.  See above.
  76.  
  77. |> >My ASTR prof explicitly said that the Fe-56 in the core begins to break
  78. |> >apart as the pressure increases and not only does not produce any
  79. |> >energy, but begins to absorb it.  If you think he's wrong, I'd like more
  80. |> >info than just a statement of "thats wrong". 
  81. |> 
  82. |> Well, there was quite a bit of info in the text following what you quoted
  83. |> above, but perhaps I should elaborate.  If you would like a more detailed 
  84. |> description, I suggest you read Bethe's article in Ann. Rev. Nucl. Part. 
  85. |> Sci. 38, 1 (1988).  His first chapter outlines the sequence of events 
  86. |> and later chapters cover the details in review fashion.   
  87. |>
  88. |> If you have reference to the role of Fe fission, please let me know 
  89. |> what it is, since this is the first time I have ever heard it mentioned
  90. |> in this context.   
  91. |>
  92. |> The key point is that nuclear fusion proceeds until you have burned Silicon 
  93. |> to Iron.  At that time, it is not possible to generate any more energy at 
  94. |> the given temperature and pressure.  If the star is massive enough, the 
  95. |> pressure of the degenerate electron gas will not support it, and the 
  96. |> core collapses under its own gravity.  This happens fast, in about a second. 
  97. |> During this collapse, the density of the star core exceeds the density of 
  98. |> normal nuclear matter.  Thus it no longer even makes sense to speak of 
  99. |> nuclei at all -- the nuclei are pressed together into a giant mess with 
  100. |> large clusters (A ~ 1000) nucleons and, eventually, into a blob of 
  101. |> nuclear matter.  The physics then becomes the physics of the thermodynamics 
  102. |> and equation of state of dense nuclear matter, which is dictated by the 
  103. |> properties of the short-range part of the nucleon-nucleon interaction.  
  104. |>
  105. |> What is fundamentally wrong with your prof's emphasis on fission of Fe-56 
  106. |> is that it makes it hard to see how you get a neutron star (essentially 
  107. |> a single giant nucleus) in the low-mass case
  108.  
  109. Ah!  We now arrive, I think, at the source of all the confusion.  What
  110. Lamont Granquist was referring to (I think) and what I am referring to
  111. is the classical scenario for a Type II supernova -- the death of a
  112. massive star.  This is the "How Supernovae Work" model that is taught
  113. in introductory astronomy classes.  Type I supernovae, which involve
  114. stars of lower mass, are not discussed -- primarily because they're more
  115. complicated, but also because we're not as sure about how they work
  116. as we are about Type II's.  I think Lamont has been talking about
  117. apples and you about oranges -- both fruit, but not the same thing.
  118. The current paradigm of Type I's is that they occur when an existing
  119. white dwarf accretes matter from a binary companion and thus goes over
  120. the Chandrasekhar limit.
  121.  
  122. |> or how you produce all the 
  123. |> heavy nuclei in a supernova.  Electron capture and neutron capture rates 
  124. |> in thermally excited nuclei are the main emphasis of research on the 
  125. |> dynamics of supernovae and the related questions of nucleosynthesis. 
  126. |> The other main error is that fission of Fe is basically a 'high' energy 
  127. |> process and cannot be important (by phase space limitations) relative 
  128. |> to the low energy process that I mentioned above.  
  129.  
  130. You asked about references.  All the below spend some time on supernovae
  131. of Type II and the role of photodisintegration of iron, and eventually,
  132. the alpha particles themselves -- followed by electron-capture and
  133. neutron star formation.
  134.  
  135. Shu, F.  "The Physical Universe."  University Science Books, Mill Valley, 1982,
  136.     pp. 154-155.  Probably the most widely-used intro astrophysics textbook.
  137. Bowers, R.L., and Deeming, T.  "Astrophysics I:  Stars."  Jones and Bartlett,
  138.     Boston, 1984, pp. 276-282.
  139. Harwit, M.  "Astrophysical Concepts."  Springer-Verlag, New York, 1988, p. 241.
  140. Mihalas, D., and Binney, J.  "Galactic Astronomy."  W.H. Freeman & Co., 1981,
  141.     pp. 142-143.  Probably the most widely-used graduate astronomy text.
  142.  
  143.  
  144.         -- Chris
  145.  
  146. -- 
  147. SNAILMAIL:                                       AT&TMAIL:
  148. Chris Metzler                                    313-764-4607 (office)
  149. Department of Physics, University of Michigan    313-996-9249 (home)
  150. Randall Lab, 500 E. University
  151. Ann Arbor, MI  48109-1120 USA
  152.  
  153. E-MAIL:  metzler@pablo.physics.lsa.umich.edu
  154.