moglobi.ru Другие Правовые Компьютерные Экономические Астрономические Географические Про туризм Биологические Исторические Медицинские Математические Физические Философские Химические Литературные Бухгалтерские Спортивные Психологичексиедобавить свой файл
страница 1 страница 2
Первичный нуклеосинтез. В процессе первичного нуклеосинтеза образуются элементы не тяжелее лития. Стандартная модель Большого Взрыва предсказывает следующее соотношение элементов: H – 75 %, 4He – 25 %, D – 3×10-5, 3He – 2×10-5, 7 Li – 10-9, что хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Как уже отмечалось, важную роль в ранней Вселенной играло излучение. Это излучение имеет тепловой спектр, и его интенсивность U можно характеризовать температурой Т согласно соотношению U = aT4, где а – постоянная излучения. По мере продвижения к начальному этапу температура излучения растет по закону Т = Тр(1 + Z ), где Тр – температура излучения сегодня и Z – величина, соответствующая красному смещению.

Для раннего периода, когда излучение доминировало, существует простое соотношение между температурой Т и временем t, прошедшим с момента Большого взрыва:

Время t здесь выражено в секундах, а температура Т – в кельвинах. Эта постоянная имеет величину порядка единицы и зависит от состояния вещества и излучения во Вселенной. Если положить α = 1, то, согласно этому соотношению, спустя 1 с после Большого взрыва температура излучения во Вселенной была 1010 К. При такой температуре в ранней Вселенной, состоящей из электронов, позитронов, нейтрино, антинейтрино, нейтронов, протонов и фотонов, могли образоваться различные ядра, начиная с дейтронов и кончая гелием. Более тяжелые ядра, такие, как ядра углерода, кислорода и т.д., могли синтезироваться лишь в ходе термоядерных реакций в звездах. Причина этого заключается в том, что есть некоторый интервал неустойчивости легких ядер, расположенных около ядра лития, и этот интервал не удается преодолеть в ходе первичного нуклеосинтеза. Поэтому синтез в раннюю эпоху останавливается на стадии образования гелия.

Полагают, что одной из первых реакций, приводящей к образованию тяжелых ядер, является реакция

n + p

Как показали расчеты, эта реакция идет при температуре Т = 9 ∙109 К, что соответствует соотношению нейтронов и протонов во Вселенной Nn / Np = 0,2 и времени ~ 3 с. При этих условиях дейтерий образуется в достаточном количестве для производства ядер с массой 3 в реакциях

d + n 3H + γ,

d + p 3Hе + γ

или


d + d 3H + p,

d + d 3Hе + n

и окончательно 4Не может образоваться в результате реакций

3H + p 4Не + γ,

3Hе + n 4Hе + γ.

Так как не существует стабильной массы 5, то 4Не является последним ядром в начальном этапе нуклеосинтеза. В принципе он мог бы образовать более тяжелые ядра (А = 7) в результате реакций:



4Не + 3H 7Li + γ,

4Не + 3He 7Bе + γ,

но кулоновский барьер для этих реакций около 1 МэВ, тогда как ядра при температуре Т = 9∙108 К имеют кинетическую энергию только 0,1 МэВ.



Звездный нуклеосинтез. В процессе эволюции Вселенная постоянно обогащается все более тяжелыми химическими элементами. На стадии главной последовательности звезда излучает энергию, которая поставляется ядерными реакциями, превращающими водород в гелий, гелий в углерод и так далее. В звездах на этой стадии и происходят все типы ядерных реакций, приводящих к образованию всего спектра химических элементов, причем звезды, проходя по диаграмме путь слева – сверху, вправо – вниз, накапливают все больше тяжелых элементов (рисунок 1.3.5).

Рисунок 1.3.5 Распространенность нуклидов относительно Si в зависимости от массового числа (выбраны такие единицы, в которых распространенность Si равна 106). Нуклеосинтез во Вселенной. Ядерные реакции в звездах. На рисунке показана относительная распространенность элементов на Земле, в метеоритах, на Солнце, и в звездах (Ишханов, Б.С., Кэбин, Э.И., 2000)

Распространенность химических элементов во Вселенной определяют разными способами – по спектру излучения звезд, путем химического элементарного анализа земных и космических образцов (метеоритов, лунных образцов). Полученная таким образом кривая распространенности элементов показана на рисунке 1.3.5.

Кривая имеет максимумы для группы кремния и группы железа, после чего кривая распространенности распадается на две ветви: одна включает нейтронообогащенные изотопы и характеризуется тремя двойными пиками вблизи магических чисел N = 50, 82 и 126, а вторая включает менее распространенные обогащенные протонами изотопы.  Одной из ступеней нуклеосинтеза являлось образование 12С. Как было показано, углерод может быть образован в результате реакции 4Не + 8Be 12C + γ.

Однако ядро 8Be является нестабильным по отношению к распаду на две α-частицы и живет 10-16 с. Между тем при температуре, близкой к 108 К, и плотности порядка 105 г/см2 три ядра 4Не могут образовать ядро 12С в результате двухступенчатой реакции 4Не + 4He → 8Be + 4He → 12C + γ, вторая часть которой носит резонансный характер. Эта реакция позволяет объяснить существование углерода, а с ним и других наблюдаемых изотопов. На каждой стадии слияния ядер, инициируемых взрывами внешней оболочки звезд, образуются всё более тяжелые ядра 4Не, 12С, 16О, 28S, 56Fe. При этом процессы образования сопровождаются и процессами распада этих ядер (рисунок 1.3.5).

В этом случае в наиболее благоприятных условиях находятся изотопы, имеющие наибольшую стабильность (энергия связи на нуклон максимальна). К таким относятся ядра в области А ≈ 60. Это объясняет повышение содержания ядер группы железа. Несколько иной механизм образования ядер тяжелее железа − это последовательные реакции радиоактивного захвата нейтронов элементами группы железа.

Рисунок 1.3.6 Кривая распространенности химических элементов. Верхняя кривая с двойными (r- и s-) пиками соответствует нейтроноизбыточным, нижняя (p-) – протоннообогащенными (Пенионжевич, Ю.Э., 1998, http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390)
На рисунке 1.3.6 представлена распространенность химических элементов во Вселенной, определенная разными способами: по спектру излучения звезд, путем химического анализа земных и космических образцов (метеоритов, лунных образцов).

Наличие двойных пиков в кривой распространенности элементов свидетельствует о двух различных процессах захвата нейтронов − r- и s-процессах. Эти два процесса соответствуют различным нейтронным плотностям. В случае малых плотностей нейтронов (s(slow)-процесс) при радиационном захвате (A, Z) + n (A + 1, Z) + γ образуется изотоп с массой на единицу больше, чем масса ядра мишени. Если конечное ядро (A + 1, Z) стабильно, то на нем также может произойти радиационный захват с образованием нового изотопа (A + 2, Z). При малых потоках ядро (A + x, Z) распадается раньше, чем поглотит нейтрон.

Железный пик – локальный максимум на графике распространённости химических элементов в районе железа (от скандия до никеля) (рисунок 1.3.7).

Закономерности энергии связи ядер таковы, что до ядер железного пика энергетически выгодны реакции синтеза, а после – деления. В результате в звёздах синтезируются все элементы до железного пика, но не после. Элементы с атомным номером больше 26 синтезируются при взрывах сверхновых звезд. Поэтому в космосе оказывается сравнительно больше этих элементов, чем соседних.

В основном оно распадается путем β-рас0пада, в результате которого образуются новое ядро (A + x, Z + 1) или же целая цепочка ядер, заканчивающаяся на ядре, время жизни которого будет достаточно большим для того, чтобы произошел новый радиационный захват. Этот процесс повторяется многократно и приводит к образованию нейтронодефицитных ядер с массой до 200. После этого ядра с большой вероятностью делятся, что прерывает s-процесс. При больших плотностях нейтронов (r(rapid)-процесс) ядро (A + x, Z) поглотит нейтроны раньше, чем распадется, и происходят новые радиационные захваты. Это происходит до тех пор, пока цепочка захватов не дойдет до изотопа с очень малым периодом полураспада.

Рисунок 1.3.7 Железный пик (Fe) на графике распространённости химических элементов. Распространённость показана по сравнению с распространённостью кремния (пунктирная линия). Значения распространённости усреднены по двум соседним точкам для сглаживания. По горизонтальной оси отложен атомный номер (http://ru.wikipedia.org/wiki/Железный_пик)

На рисунке 1.3.8 показаны цепочки r- и s-процессов образования изотопов из ядра 56Fe. Подтверждением существования r- и s-процессов является повышенное содержание изотопов при N = 50, 82 и 126. Экспериментально показано, что распространенность элементов обратно пропорциональна полным сечениям захвата нейтронов. Для ядер с магическими числами (50, 82, 126) это сечение на несколько порядков ниже, чем для других соседних ядер. С точки зрения ядерной физики этот результат является проявлением магических чисел. Для астрофизики это доказательство существования s-процесса.

Рисунок 1.3.8 Цепочки быстрого и медленного захвата нейтронов (r- и s-процессы) для ядра 56Fe. Точечные стрелками представлены альтернативные каналы образования 65Сu (Пенионжевич, Ю.Э., 1998, http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390)

Существование оболочки с числом протонов Z = 114 и соответственно повышение стабильности сверхтяжелых ядер вблизи дважды магического ядра 298114 (114 протонов и 184 нейтрона) было предсказано. Расчеты, проведенные по оболочечной модели, показали возможность существования такого сверхтяжелого ядра с периодом полураспада до ~108 лет. Хотя точность таких расчетов невелика и они скорее носят качественный характер, последние опыты по синтезу тяжелых изотопов 110-го элемента (272110) показали, что наблюдается повышение стабильности сверхтяжелых ядер по отношению к α-распаду (Пенионжкевич, Ю.Э., 1995), что является дополнительным подтверждением возможного существования сверхтяжелых ядер вблизи Z = 114. Вместе с тем активные поиски в природных объектах (космических лучах, материалах, лунных образцах, концентратах тяжелых химических элементов земных образцов) не дали положительного результата (Флеров, Г.Н., Ильинов, Ф.С., 1977). Сейчас готовится несколько экспериментов на ускорителях в Дубне и Дармштадте (Германия), направленных на искусственный синтез сверхтяжелых элементов в ядерных реакциях с тяжелыми ионами, но естественно с меньшими временами жизни. Возможно в ближайшее время, наверное, будет дан ответ на вопрос существования сверхтяжелых элементов (Пенионжевич, Ю.Э., 1998, http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390). 07.04.2010 получен 118 химический элемент.

Говоря о проблеме звездного нуклеосинтеза, нельзя также не упомянуть о некоторых процессах, происходящих в звездах и в том числе на Солнце, которые существенно меняют начальную распространенность элементов. В первую очередь это относится к так называемому CNO-циклу, в котором углерод, азот и кислород играют роль катализатора в образовании 4p 4Не (рисунок 1.3.9).

Легкие нуклиды 6Li, 7Li, 9Be, 10B, 11B характеризуются более низкой распространенность и стабильностью по отношению к He, C, N, O и не могут образовываться в процессе обычного нуклеосинтеза в недрах звезд, так как они легко разрушаются 6Li(p, 3He)4He; 7Li(p, γ)8B → 24He; 9Be(p, 4He)6Li; 10B(p, 4He)7Be; 7Be(e-, ν)7Li; 11B(p, γ)34He. На сегодняшний день общепризнанной гипотезой образования легких ядер являются реакции скалывания – реакции деления ядер C, N, O при столкновении с ядрами H и He либо в космических лучах, либо космических лучей с атомами межзвездных газовых облаков (Рыжов, В.Н., 2000).

После истощения запасов водорода в ядре звезды в результате p-p- или CNO-циклов он продолжает гореть в слое, который окружает это гелиевое звездное ядро. Масса гелиевого ядра постепенно увеличивается, гравитационные силы в то же время сдавливают ядро звезды, повышая его плотность и температуру. Оболочка звезды, напротив, сильно расширяется, приспосабливаясь к увеличивающейся поверхности звезды, температура поверхности звезды падает. Звезда сходит с главной последовательности диаграммы «спектр-светимость» и превращается в красный гигант (Рыжов, В.Н., 2000).

Согласно современным научным представлениям, практически все химические элементы образовались и образуются в результате процессов, происходящих в звездах, что приводит к эволюционным изменениям состояния звезд. Поэтому проблема образования нуклидов тесно связана и с вопросами эволюции звезд.

Таким образом, нуклеосинтез – это совокупность многих сложных процессов может происходить:


  1. При большом взрыве.

  2. В звездах, звездных образованиях, взрывах сверхновых звезд, центрах галактик.

  3. В результате радиоактивного распада радиоактивных химических элементов.

  4. Некоторые химические элементы образуются в результате взаимодействия космических лучей с межзвездной средой.

  5. В ударных волнах. Ускорение частиц в космической плазме на фронтах сильных ударных волн при коллапсе звездного облака, взрыве сверхновой, биполярного истечения вещества звезды, взаимодействие протозвездного ветра с веществом аккреционного диска и т. п.

  6. Нуклеосинтез в сверхновых, порождающих черные дыры и т. п.

Интерес к проблеме нуклеосинтеза не ослабевает. В настоящее время изучаются механизмы формирования изотопной гетерогенности первичного вещества в ударных волнах. Исследование изотопных аномалий и причин изотопной гетерогенности первичного вещества стало актуальнейшей проблемой современной космохимии. Ускорение в ударных волнах приводит к высоким интегральным потокам ядерноактивных частиц, к жесткому энергетическому спектру частиц и к обогащенности спектра тяжелыми ионами. Все это сказывается на скоростях образования и соотношения изотопов (Фаулер, У.А., 1985; Вассербург, Г.Дж., Папанастасиу, Д.А., 1986; Устинова, Г.К., 1997; 1998; 2002).

Рисунок 1.3.9 «Холодный» и «горячий» CNO-циклы. Указаны периоды полураспада Т1/2 для изотопов 13N, 14O, 15O (Пенионжевич, Ю.Э., 1998, http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390)

Средний химический элементарный состав в Земле, метеоритах, Солнце, звездах, в газовых облаках диска Галактики сформировался в результате многих разных событий. Например, при одном и том же среднем «моменте» образования твердого вещества Солнечной системы интервалы его образования по разным изотопам различны, поскольку различны моменты генерации короткоживущих и более долгоживущих изотопов, так как они относятся к разным событиям, происходившим в Солнечной системе: к вспышке последней углеродно-детонационной сверхновой, к одной или нескольким предшествующим вспышкам сильно проэволюционировавших сверхновых, сбросивших свежие продукты (Фаулер, У.А., 1985; Вассербург, Г.Дж., Папанастасиу, Д.А., 1986; Барнс, С.А., 1986; Шуколюков, Ю.А., 1988; Устинова, Г.К., 2002).

Определенный интерес представляет изучение нуклеосинтеза в сверхновых, порождающих черные дыры (astro-ph/0306412 и astro-ph/0306417). Черные дыры образуются из наиболее массивных звезд (с массой выше 20-25 М). По своим «внешним» проявлениям такие явления занимают две крайние ниши – сверхновые с медленным вращением коллапсируют «тихо» и выбрасывают малое количество металлов. При быстром вращении черной дыры образуются гиперновые, которые синтезируют много металлов. Наблюдаемое в сверхбедных металлами звездах распределение химических элементов похоже на порождаемое сверхновой с черной дырой и существенно отличаются от того, что дают обычные сверхновые (Nomoto, K., et al, 2003, astro-ph/0306412, обзоры препринтов astro-hp http://www.astronet.ru/db/msg/1191386 ).

В современном виде перечень процессов нуклеосинтеза изотопов химических элементов выглядит следующим образом:

«U: Космологический нуклеосинтез до образования звезд.

H: Горение водорода.

N: Горение водорода при высоких температурах.

He: Горение гелия.

C: Взрывное горение углерода.

O: Взрывное горение кислорода.

Si: Взрывное горение кремния.

NSi: Обогащенное нейтронами горение кремния.

E: Ядерное статистическое равновесие. Нуклиды, образующиеся, когда температура вещества поднимается до значений достаточно высоких для того, чтобы установилось статистическое равновесие между синтезом и распадом атомных ядер.

s: s-Процесс. Продукты медленного захвата нейтронов.

r: r-Процесс. Продукты быстрого захвата нейтронов.

p: p-Процесс. Протонный захват….

X: Дробление космическими лучами. Нуклиды, образующиеся в основном в результате взаимодействия космических лучей с атомными ядрами межзвездной среды» (Ишханов, Б.C., Капитонов, И.М., Тутынь, И.А., 1998; http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuclsynt/index.html#i).

За последние десятилетия получено много новых фактов удивительной картины астрофизического нуклеосинтеза. Многие фрагменты этой картины еще не закончены, некоторые могут быть неверными, но в основных чертах она убедительна и впоследствии будет оставаться богатейшим запасом знаний о Вселенной (Рыжов, В.Н., 2000).

Механизмы образования изотопов химических элементов неразрывно связаны с механизмами происхождения и эволюции звезд, галактик, Вселенной. Изотопы химических элементов, как и звезды, рождаются, живут и умирают в нейтронных звездах, черных дырах, чтобы вновь возродиться из нейтронного вещества, кварк-глюонной плазмы…на качественно новом уровне.

Итак, очевидно, любые космические объекты Вселенной рождаются (галактики, звезды…, химические элементы), живут и умирают в нейтронных звездах, черных дырах, что бы возродиться вновь. На новом уровне? В новом качестве? В каком?



И, наконец, о бесконечно разнообразных формах материи (барионная, темная материя, энергия). Одним из видов существования обычной материи являются ядра атомов, элементы. Но известно, что окружающий нас мир, в пределах доступного изучению, состоит из ядер атомов, элементов, построенных из одних и тех же составляющих: электронов, протонов, нейтронов. Возможно, существуют ядра атомов, «химических элементов», построенные по другим принципам, из других элементарных частиц (слагаемых), например, мезоатомы, образованные обычными ядрами с вращающимися вокруг них отрицательными мезонами, или антиатомы, то есть такие системы атомов, ядра которых состоят из антипротонов и антинейтронов с вращающимися вокруг них позитронами или положительными мезонами и т.п. Возможность существования подобного рода атомов не отрицается (Семишин, В.И., 1968; 1972; Кораблева, Т.П., Корольков, Д.В., 2005). Вселенная, вполне возможно, может состоять из различных типов, построений материи (элементарных частиц, ядер атомов, химических элементов…). Все космологические модели, отражают какие-то законченные, конечные фрагменты существования различных типов материи. Или, может быть правильнее, окружающий нас мир состоит из некоторого (бесконечного) количества набора пространств (блоков), характеризующегося определенным типом (видом) материи. Причем, каждое такое пространство «живет» по своим физическим, химическим, биологическим (информационным) законам. Совокупность таких пространств и является Вселенной. Вполне возможно, периодическая система Д.И. Менделеева, являющаяся химической, а сейчас уже не только химической классификацией атомов определенного типа (барионной материи): нейтроно-протоно-электронных, есть ветвь, часть более общего Закона природы (Кораблева, Т.П., Корольков, Д.В., 2005, с. 68-70).
страница 1 страница 2
скачать файл


Смотрите также: