Нуклеосинтез

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Вуглецево-азотний цикл — перетворення чотирьох протонів на α-частинку за участю ядер вуглецю, азоту та кисню, що відбувається в зорях

Нуклеосинтез — процес утворення ядер атомів хімічних елементів під час еволюції Всесвіту.

Світ, який нас оточує, складається з атомів. Атоми, в свою чергу складаються з ядер та електронів, а ядра атомів із нуклонів — протонів та нейтронів. Залежно від числа протонів у ядрі атоми поділяються на різні хімічні елементи. Хімічні властивості атомів визначаються його електронами, але кількість електронів у атомах відповідає кількості протонів, тому саме кількість протонів визначає номер хімічного елемента. Поширеність різних хімічних елементів у природі неоднакова. На Землі найпоширенішим елементом є кисень. У Всесвіті загалом найпоширенішим елементом є водень, другим за поширеністю — гелій.

Водень — найпростіший з хімічних елементів. Основний ізотоп водню має ядро, яке складається з одного протона. Сучасні уявлення про походження та розвиток Всесвіту стверджують, що приблизно 13 млрд років тому у Всесвіті не було інших хімічних елементів крім водню. Точніше, не було навіть водню, бо тоді протони та електрони ще не об'єдналися в атоми. Всесвіт на той час був гарячою плазмою — складався з протонів, електронів та електромагнітного випромінювання. Решта хімічних елементів утворилася у процесі охолодження цієї плазми, під час якого протони об'єднувалися й утворювали більші, складніші ядра. Цей процес називається нуклеосинтезом.

Утворення ядер складніших атомів відбувалося не одразу. Його можна поділити на чотири стадії:

  • Перша стадія, впродовж якої утворилися легкі ядра, сталася одразу після Великого вибуху.
  • Друга стадія — утворення ядер важчих елементів аж до заліза — відбувається в надрах зір.
  • Третя стадія — утворення хімічних елементів, важчих заліза — відбувається під час спалахів наднових.
  • Процес четвертого типу — ядерний синтез легких ядер, зокрема 3He, під впливом космічного проміння — триває з невеликою швидкістю весь час.

Первинний нуклеосинтез[ред.ред. код]

Primordial nucleosynthesis.svg

Первинний нуклеосинтез відбувся впродовж перших трьох хвилин після Великого вибуху. Ядерні реакції, які відбувалися при цьому, показано на рисунку праворуч. В результаті утворилося те співвідношення ізотопів хімічних елемнтів: протію ≈77%, гелію-4 (≈23 %), гелію-3 (3×10-4 %), дейтерію (5×10-5 %) та літію-7 (5×10-10 %)[1], яке (з невеликими змінами) спостерігається у Всесвіті сьогодні. Хоча 4He утворюється також внаслідок інших механізмів, наприклад під час альфа-розпаду та реакціях синтезу всередині зір, а 1H може виникнути в результаті радіоактивного розпаду чи у реакціях речовини з космічними променями, більшість цих атомів утворилося саме в результаті первинного нуклеосинтезу, між сотою і трьохсотою секундами після Великого вибуху, коли початкова кварк-глюонна плазма охолодилася, і з неї сформувалися протони та нейтрони. Елементи, важчі від літію, у цей період не утворилися за браком часу. Впродовж цього періоду Всесвіт швидко розширювався, внаслідок чого густина речовини й температура знизилися до рівня, коли швидкість реакцій різко знизилася.

Нуклеосинтез у зорях[ред.ред. код]

Через багато років після Великого вибуху з хмар космічного газу почали утворюватися зорі. В надрах зірок завдяки силам гравітації речовина має настільки високу густину та температуру, що реакції синтезу знову стають можливими[2]. Енергія, що виділяється у цих реакціях, випромінюється в навколишній простір у вигляді електромагнітних хвиль, завдяки чому зорі світяться. Зорі живуть багато мільйонів років. У зорях головної послідовності процес синтезу відбувається шляхом спалювання водню та утворення гелію. У зорях, подібних до Сонця — через протон-протонний ланцюжок, а в гарячіших — через вуглецево-азотний цикл[1].

Але реакції синтезу в зорях утворюють і хімічні елементі, важчі за літій. Ключовим моментом є утворення ядер вуглецю. Вони можуть утворюватися з трьох альфа-частинок внаслідок потрійного альфа-процесу лише у досить масивних зорях. У подальших реакціях синтезу відбувається захоплення важкими ядрами альфа-частинок (α-процес) і утворюються ядра кисню, неону та магнію. У ще масивніших зорях можливі подальші реакції між ядрами новоутворених елементів, у результаті яких утворюються елементи аж до залізного піку (від кремнію до нікелю). Оскільки в результаті таких реакцій виникають вільні енергійні нейтрони, може відбуватися поступове захоплення їх важкими ядрами (S-процес) із подальшим утворенням незначної кількості елементів, дещо важчих від заліза.

Продукти нуклеосинтезу в надрах зірок розповсюджуються у Всесвіті у вигляді планетарних туманностей та зоряним вітром.

Вибуховий нуклеосинтез[ред.ред. код]

Деякі зорі у своєму розвитку спалахують як наднові. Під час вибуху утворюються елементи, важчі від заліза. Внаслідок утворення потужних потоків високоенергійних нейтронів відбувається захоплення їх атомними ядрами: як повільне (S-процес), так і швидке (R-процес). Деякою мірою цьому сприяє також захоплення важкими ядрами протонів: повільне (P-процес) та швидке (Rp-процес)[1]. Внаслідок довгих ланцюжків таких реакцій у деяких кількостях утворюються важкі, здебільшого, радіоактивні елементи аж до урану та торію.

Синтез завдяки космічним променям[ред.ред. код]

Бомбардування зоряної речовини космічними променями є причиною утворення легких елементів, зокрема радіоактивного 3H, а також літію, берилію та бору. При бомбардуванні космічні промені, основну частину яких складають швидкі протони, розбивають ядра вуглецю, азоту та кисню, утворюючи, як наслідок, легші елементи[Джерело?].

Джерела[ред.ред. код]

  1. а б в Нуклеосинтез // Астрономічний енциклопедичний словник / За загальною редакцією І. А. Климишина та А. О. Корсунь. — Львів: ЛНУ—ГАО НАНУ, 2003. — С. 324-325. — ISBN 966-613-263-X, УДК 52(031).
  2. E. M. Burbidge, G. R. Burbidge, W. A. Fowler, and F. Hoyle. (1957). «Synthesis of the Elements in Stars». Rev Mod Phy 29 (4). с. 547. doi:10.1103/RevModPhys.29.547.  (англ.)


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.