Нуклеосинтез

Нуклеосинтез.

Допускается, что началом должен быть водород, так как это простейший и безусловно самый распространенный из элементов. Чтобы заставить слиться атомные ядра , их надо свести очень близко, а это трудно из-за сильного отталкивания между их положительными электрическими зарядами. Удается это только при случайных тепловых скоростях, возникающих в «газе», нагретом до многих миллионов градусов. Поскольку более тяжелые ядра имеют больший электрический заряд, увеличивающий силу отталкивания, для построения последующих элементов требуется уже целый ряд термоядерных реакций, происходящих при все более высоких температурах . (В ускорителях элементарных частиц те же скорости достигаются без высоких температур, и это позволяет изучать такие реакции в лаборатории.)

Первый этап -термоядерное сгорание водорода

Первый этап -термоядерное сгорание водорода, в ходе которого четыре протона, т.е. четыре ядра водорода, сливаются в результате ряда реакций, происходящих при температуре 2 • 107 К или больше, в одну а-частицу, или ядро гелия. При более высоких температурах (около 2 10 К) сгорание гелия заставляет сливаться а-частицы, но образующийся из двух ос-частиц изотоп 8Be нестабилен, поэтому при объединении трех а-частиц образуется 12С, который может принять еще одну а-частицу и превратиться в 160. Эти реакции вызывают истощение гелия, и для начала термоядерного сгорания углерода или кислорода температура должна подняться примерно до 5 •

108 К. В результате этих реакций получается 28Si, который особенно стабилен, и образуются некоторые другие ядра.

Чтобы заставить непосредственно слиться два ядра

Чтобы заставить непосредственно слиться два ядра 28Si, потребовалось бы дальнейшее значительное повышение температуры, но еще до этого развиваются другие реакции, при которых, по сути дела, происходит случайное разрушение некоторых имеющихся ядер и соединение их осколков с другими ядрами, что в конце концов превращает ядра кремния в более стабильные и тяжелые ядра. Этот процесс сгорания кремния при дальнейшем повышении температуры достигает равновесия (е-процесс).

Случайный е-процесс, при котором постоянно происходит как удаление частиц от ядер, так и их добавление, можно уподобить встряхиванию каких-либо предметов в коробке: если встряхивать не слишком сильно, то это приведет к более стабильному расположению предметов. Точно так же е-процесс перестраивает нуклоны и создает наиболее стабильные ядра. Среди них-железо и другие элементы, занимающие высокое положение на кривой а.

Элементы, расположенные дальше группы железа, нельзя построить путем повышения температуры

Элементы, расположенные дальше группы железа, нельзя построить путем повышения температуры, так как если бы они образовались, они оказались бы менее стабильными и в ходе е-процесса вскоре снова бы превратились в элементы группы железа. Более тяжелые элементы формируются иначе: путем простой бомбардировки нейтронами, которые, не имея электрического заряда, легко захватываются ядрами. Из эксперимента известно, что отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре должно оставаться в довольно узких пределах, зависящих от размера ядра. При бомбардировке медленными нейтронами(s-процесс) захват нейтронов идет через достаточно длительные промежутки времени, так что, когда ядро становится нестабильным из-за слишком высокого отношения числа нейтронов к числу протонов, оно успевает принять более стабильную форму, прежде чем будет захвачен очередной нейтрон.

Это осуществляется посредством внутренней конверсии нейтрона в протон с испусканием электрона, т.е. Р-частицы, для сохранения электрического заряда. Такой процесс может занять недели или даже больше-очень длительное время в масштабе скоростей ядерных превращений.
Синтез элементов посредством s-процесса может идти только до 209Bi, потому что следующее, более тяжелое ядро нестабильно вне зависимости от того, каким будет соотношение нейтронов и протонов. Это препятствие преодолевается в ходе г-процесса, при котором нейтроны захватываются так быстро, что образовавшиеся ядра не успевают распадаться до захвата очередного нейтрона. Таким способом синтезируются значительно более тяжелые ядра.

Конечно, когда бомбардировка нейтронами прекращается, богатые нейтронами ядра будут испытывать многократный Р-распад с образованием ядер, сравнительно более стабильных, но в свою очередь подвергающихся а-распаду и дальнейшему распаду на более легкие ядра. Однако в ходе г-процесса образуются также ядра 238U, 235U и 232Th, периоды полураспада которых сравнимы с возрастом Земли. Поэтому они еще не распались до пренебрежимо малых количеств. Примером тяжелого, но короткоживущего изотопа служит 244Ри, который был синтезирован, но распался; этот изотоп упоминался в связи с вопросом об интервалах времени образования метеоритов. В результате г-процесса осуществляется переход от в высшей степени нестабильных ядер, следующих непосредственно за 209Bi, к сравнительно более стабильным ядрам, имеющим более высокое массовое число.

Заполнению некоторых промежутков между более легкими элементами

Заполнению некоторых промежутков между более легкими элементами (например, между 12С и 160), оставшихся после тех или иных термоядерных процессов, способствует s-процесс. Однако, поскольку он может создавать только ядра, богатые нейтронами, необходим еще один процесс, который мог бы быть причиной образования известных ядер с низким (ниже среднего) отношением числа нейтронов к числу протонов. Это р-процесс, действие которого состоит в добавлении протонов.
Последний вопрос: как образовались легкие элементы Li, Be и В? Большинство их изотопов не могут появиться в результате описанных выше процессов: дело в том, что они разрушаются при температуре термоядерного сгорания водорода. Вероятно, они возникли как осколки при ударах космических лучей о тяжелые ядра в межзвездной пыли («продукты скалывания»). Скорость такого образования элементов очень мала, но ведь ядра проводят в космосе долгое время!