Нуклеосинтез

Углеродно-азотный цикл - превращение четырех протонов на α-частицу с участием ядер углерода, азота и кислорода, что происходит в звездах

Нуклеосинтез - процесс образования ядер атомов химических элементов в ходе эволюции Вселенной.

Мир, который нас окружает, состоит из атомов. Атомы, в свою очередь состоят из ядер и электронов, а ядра атомов с нуклонов - протонов и нейтронов. Зависимости от числа протонов в ядре атома делятся на различные химические элементы. Химические свойства атомов определяются его электронами, но количество электронов в атомах соответствует количеству протонов, поэтому именно количество протонов определяет номер химического элемента. Распространенность различных химических элементов в природе неодинакова. На Земли распространенным элементом является кислород. Во Вселенной в целом распространенным элементом является водород, вторым по распространенности - гелий.

Водород - самый простой из химических элементов. Основной изотоп водорода имеет ядро, которое состоит из одного протона. Современные представления о происхождении и развитии Вселенной утверждают, что примерно 13 млрд. лет назад во Вселенной не было других химических элементов кроме водорода. Точнее, не было даже водорода, потому что тогда протоны и электроны еще не объединились в атомы. Вселенная в то время был горячим плазмой - состоял из протонов, электронов и электромагнитного излучения. Остальные химических элементов образовалась в процессе охлаждения этой плазмы, во время которого протоны объединялись и образовывали большие, сложные ядра. Этот процесс называется нуклеосинтезом.

Образование ядер сложных атомов происходило не сразу. Его можно разделить на четыре стадии:

• Первая стадия, в течение которой образовались легкие ядра, произошла сразу после Большого взрыва.
• Вторая стадия - образование ядер более тяжелых элементов вплоть до железа - происходит в недрах звезд.
• Третья стадия - образование химических элементов тяжелее железа - происходит во время вспышек сверхновых.
• Процесс четвертого типа - ядерный синтез легких ядер, в том числе ³ He, под влиянием космических лучей - длится с небольшой скоростью все время.

1. Первичный нуклеосинтез

Первичный нуклеосинтез состоялся в течение первых трех минут после Большого взрыва. Ядерные реакции, которые происходили при этом, показано на рисунке справа. В результате получилось то соотношение изотопов химических элемнты: протия ≈ 77%, гелия-4 (≈ 23%), гелия-3 (3 ? 10 ^-4%), дейтерия (5 ? 10 ^-5%) и лития-7 (5 ? 10 ^{-10%) [1]}, которое (с небольшими изменениями) наблюдается во Вселенной сегодня. Хотя ⁴ He образуется также вследствие других механизмов, например при альфа-распада и реакциях синтеза внутри звезд, а ¹ H может возникнуть в результате радиоактивного распада или в реакциях вещества с космическими лучами, большинство этих атомов образовалось именно в результате первичного нуклеосинтеза, между сотой и трехсот секунд после Большого взрыва, когда начальная кварк - глюонная плазма охладилась, и из нее сформировались протоны и нейтроны. Элементы, тяжелее лития, в этот период не образовались из-за нехватки времени. В течение этого периода Вселенная быстро расширялась, в результате чего плотность вещества и температура снизились до уровня, когда скорость реакций резко снизилась.

2. Нуклеосинтез в звездах

Через много лет после Большого взрыва из облаков космического газа стали образовываться звезды. В недрах звезд благодаря силам гравитации вещество имеет столь высокую плотность и температуру, что реакции синтеза снова становятся возможными ^[2]. Энергия, выделяющаяся в этих реакциях, излучается в окружающее пространство в виде электромагнитных волн, благодаря чему звезды светятся. Звезды живут многие миллионы лет. В звездах главной последовательности процесс синтеза происходит путем сжигания водорода и образования гелия. В звездах, подобных Солнца - через протон-протонный цепочку, а в горячих - через углеродно-азотный цикл ^[1].

Но реакции синтеза в звездах образуют и химические элементе, тяжелее литий. Ключевым моментом является образование ядер углерода. Они могут образовываться из трех альфа-частиц вследствие тройного альфа-процесса лишь в достаточно массивных звездах. В последующих реакциях синтеза происходит захват тяжелыми ядрами альфа-частиц (α-процесс) и образуются ядра кислорода, неона и магния. В еще массивных звездах возможны дальнейшие реакции между ядрами вновь элементов, в результате которых образуются элементы до железного пика (от кремния в никеля). Поскольку в результате таких реакций возникают свободные энергичные нейтроны, может происходить постепенный захват их тяжелыми ядрами ( S-процесс) с последующим образованием незначительного количества элементов, несколько тяжелых от железа.

Продукты нуклеосинтеза в недрах звезд распространяются во Вселенной в виде планетарных туманностей и звездным ветром.

3. Взрывное нуклеосинтез

Некоторые звезды в своем развитии вспыхивают как сверхновые. При взрыве образуются элементы, тяжелее железа. Вследствие образования мощных потоков высокоэнергичных нейтронов происходит захват их атомными ядрами: как медленное (S-процесс), так и быстрое (R-процесс). Отчасти этому способствует также захват тяжелыми ядрами протонов: медленное ( P-процесс) и быстрое (Rp-процесс) ^[1]. Вследствие длинных цепочек таких реакций в некоторых количествах образуются тяжелые, в основном, радиоактивные элементы до урана и тория.

4. Синтез благодаря космическим лучам

Бомбардировка звездного вещества космическими лучами является причиной образования легких элементов, в частности радиоактивного ³ H, а также лития, бериллия и бора. При бомбардировке космические лучи, основную часть которых составляют быстрые протоны, разбивают ядра углерода, азота и кислорода, образуя, как следствие, легче элементы ^{[ ].}

Источники

Это незавершенная статья по физики. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.