Звездный нуклеосинтез – источник происхождения химических элементов

Киевский национальний университет

им. Т.Г.Шевченко

философский факультет

заочное отделение

ЗВЕЗДНЫЙ НУКЛЕОСИНТЕЗ – ИСТОЧНИК ПРОИСХОЖДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

первый курс, направление: философия

дисциплина: физика

студент: А.В. Фойгт

преподаватель: С.Г. Остапченко

Киев

2003

ПЛАН:

Введение.

Синтез ядер от углерода до группы железа

Образование тяжелых и сверхтяжелых элементов

Происхождение легких элементов

1

При разработке теории Большого Взрыва и природы источника энергии Солнца в конце 30-х гг. ХХ века Х.Бете и К.Вейцзекер пришли к выводу, что генерирование энергии звезд, в т.ч. и Солнца, связано с образованием ядер гелия.

В соответствии с доработанной Г.Гамовым теорией Большого Взрыва Вселенной, последняя прошла т. наз. эру нуклеосинтеза – время образования протонов и нейтронов, вслед за ними – изотопов водорода, гелия и лития. Однако идея образования всех атомов на ранней стадии расширения Вселенной путем присоединения нейтронов и последующим отрицательным бэта-распадом потерпела неудачу в связи с тем, что в природе отсутствуют ядра с массовыми числами 5 и 8.

Э.Салпетер был первым, кто установил, что наряду с горением водорода в недрах звезд возможно также и горение гелия с образованием углерода. Это и послужило основой для современных теорий ядерного синтеза.

Согласно современным научным представлениям, все химические элементы образовываются в результате внутризвездных процессов, и это влияет на эволюцию звезд в целом

На основе данных о химических элементах в природе, ученые пришли к выводу, что наиболее вероятным источником образования большинства ядер являются последовательности ядерных процессов, протекающих в недрах звезд.

Химический состав Земли, Луны и метеоритов можно установить непосредственно, однако состав планет Солнечной системы менее известен, сведения о нем основываются на величине средней плотности вещества планет. При исследовании состава солнца, звезд и межзвездных газовых туманностей используется спектральный анализ, но он дает информацию только об атмосфере той или иной звезды. К примеру, в атмосфере Солнца зафиксированы около 70 элементов, тем не менее, некоторые элементы не представляется возможным обнаружить ни в атмосфере Солнца, ни в атмосфере звезд. В результате было сделано заключение, что в хорошем приближении содержание элементов в атмосфере звезд согласуется с их содержанием для Земли и метеоритов.

В 1956 году Г.Зюссом и Г.Юри на основе химического состава Земли, метеоритов и Солнца была составлена таблица распространенности элементов. Она примечательна тем, что демонстрирует немалое превосходство по рапространенности среди элементов с массовым числом 40-60 группы железа.

2

Образование ядер химических элементов от углерода до группы железа происходит в результате гелиевого, углеродного, кислородного, неонового и кремниевого горения в недрах звезд. Примечательно, что в лабораторных условиях энергии сталкивающихся частиц намного превышают аналогичные в недрах звезд, поэтому полученные эффективные сигма-сечения не могут быть приняты для астрофизических реакций.

В результате горения гелиевого ядра звезды температура ее поверхности может даже снизиться, и после изменения физических свойств звезда превращается в красный гигант. В момент, когда температура в ядре звезды достигает 1.5 х 10⁸ К, а плотность – 5 х 10⁴ г/см³ , начинается так. наз. тройная реакция: из трех атомов гелия образуется атом углерода. Наряду с рассмотренной возможна реакция с образованием кислорода из углерода и гелия с выделением гамма-частиц. Образующиеся ядра кислорода реагируют с гелием, и в результате формируется

неон. Из неона – марганец. Процесс горения гелия сопровождается другими реакциями с образованием различных нуклидов.

В результате гравитационного сжатия ядра звезды начинается слияние ядер углерода с образованием ядер неона, натрия и магния. Одновременно образуются аллюминий, кремний и некоторые соседние нуклиды.

Углерод может загораться и поддерживать горение лишь в массивных звездах. В звездах всего лишь в несколько раз превышающих по массе Солнце углеродное ядро может и не образовываться.

Горение неона характеризуется короткой стадией и заключается в фотодиссоциации. Следом за неоном происходит многоканальное горение кислорода, затем по мере роста температуры и плотности следует горение кремния – конечная стадия термоядерного синтеза нуклидов в массивных звездах, на которой образуются ядра группы железа, обладающие максимальной удельной энергией связи. Звезда с железным ядром находится в стадии предсверхновой, которая предшествует взрыву вследствие нарушения равновесия.

3

Образование атомных ядер, расположенных в таблице за группой железа, обеспечивается другими механизмами. Такие нуклиды образовываются в результате s-, r- и p-процессов. s-процесс представляет собой медленный захват нейтронов, при котором образующиеся неустойчивые ядра распадаются прежде, чем успеют присоединить следующий нейтрон. s-процесс идет в недрах звезд при их нормальной стадии эволюции.

Тяжелые и сверхтяжелые элементы таблицы Менделеева, стоящие за Bi, образуются вследствие r-процесса. В этом процессе ядро должно захватить много нейтронов, прежде чем произойдет его отрицательный бэта-распад. Возможными астрофизическими условиями протекания r-процесса считаются механизмы, являющиеся следствием взрывов сверхновых, так как реакции быстрого захвата нейтронов в стационарных звездах невозможны. Окончание r-процесса прерывается спонтанным делением сверхтяжелых ядер. Быстрый захват нейтронов был частично реализован в искусственных условиях при взрывах ядерных бомб, начиненных ураном-238.

p-процесс представляет собой образование редких, богатых протонами ядер путем захвата протонов или позитронов, так как ни одним процессом нейтронного захвата эти ядра не могут быть созданы. Однако физические модели условий протекания p-процесса в звездах остаются пока в большей степени неоднозначными по сравнению с процессами захвата электронов.

4

Легкие нуклиды лития, берилла и бора характеризуются более низкой распространенностью и стабильностью по отношению к гелию, углероду, азоту и кислороду и не могут образовываться в процессе обычного нуклеосинтеза в недрах звезд, т.к. они легко разрушаются.

На сегодняшний день ученые придерживаются гипотезы скалывания – образования ядер легких элементов путем реакции деления ядер углерода, азота и кислорода при столкновении с ядрами водорода и гелия либо в космических лучах, либо космических лучей с атомами межзвездных газовых облаков. Космические лучи – это поток заряженных частиц, включая ядра атомов, которые заполняют пространство Галактики. Их источником считаются взрывы сверхновых звезд. Содержание лития, берилла и бора в космических лучах на пять порядков больше, чем в звездах. Это указывает на то, что реакции скалывания имеют место в космических лучах.

В космических лучах бора больше, чем лития и берилла, а в Галактике – лития больше чем берилла и бора.

Образование химических элементов, за исключением водорода и гелия, из которых сформировалась Солнечная система, произошло в звездах предшествующего Солнцу поколения. Есть основания полагать, что Солнечная система образовалась из газопылевого облака – остатка сверхновых, которые прошли все этапы звездного нуклеосинтеза и взорвались.