Для объяснения распространенности в природе различных химических элементов и
их изотопов в 1948 году Гамовым была предложена модель Горячей Вселенной. По
этой модели все химические элементы образовывались в момент Большого Взрыва.
Однако это утверждение впоследствии было опровергнуто. Доказано, что только
легкие элементы могли образоваться в момент Большого Взрыва, а более тяжелые
возникли в процессах нуклеосинтеза. Эти положения сформулированы в модели
Большого Взрыва (см. п. 15).
По модели Большого Взрыва формирование химических элементов началось с
первоначального ядерного синтеза легких элементов (Н, D, 3Не, 4Не,
7Li) спустя 100
секунд после Большого Взрыва при температуре Вселенной 109 K.
Экспериментальную основу модели составляют расширение Вселенной, наблюдаемое
на базе красного смещения, первоначальный синтез элементов и космическое фоновое
излучение.
Большим достоинством модели Большого Взрыва является предсказание о
распространенности D, Не и Li, отличающихся друг от друга на много порядков.
Экспериментальные данные о распространенности элементов в нашей Галактике
показали, что атомов водорода 92%, гелия − 8%, и более тяжелых ядер − 1 атом на
1000, что согласуется с предсказаниями модели Большого Взрыва.
14.2 Ядерный синтез − синтез легких элементов (Н, D, 3Не, 4Не, 7Li) в ранней Вселенной.
- Распространенность 4Не или его относительная доля в массе Вселенной Y = 0.23 ±0.02. По крайней мере половина гелия, образованного в результате Большого Взрыва, содержится в межгалактическом пространстве.
- Первоначальный дейтерий существует только внутри Звезд и быстро
превращается в 3Не.
Из данных наблюдений получаются следующие ограничения на распространенность дейтерия и Не относительно водорода:
10-5 ≤ D/H ≤ 2·10-4 и
1.2·10-5 ≤ 3Не/H ≤ 1.5·10-4,
причем наблюдаемое отношение D/H составляет лишь долю ƒ от первоначального значения: D/H = ƒ(D/H)первонач. Поскольку дейтерий быстро превращается в 3Не, получается следующая оценка для распространенности:
[(D + 3Не)/H]первонач ≤ 10-4.
- Распространенность 7Li измерить трудно, однако используются данные по изучению атмосфер звезд и зависимость распространенности 7Li от эффективной температуры. Оказывается, что, начиная с температуры 5.5·103 K, количество 7Li остается постоянным. Наилучшая оценка средней распространенности 7Li имеет вид:
7Li/H = (1.6±0.1)·10-10.
- Распространенность более тяжелых элементов, таких как 9Be, 10В и 11В, меньше на несколько порядков. Так, распространенность 9Ве/Н < 2.5·10-12.
14.3 Синтез ядер в звездах Главной Последовательности при Т < 108 K
Синтез гелия в звездах Главной Последовательности в рр- и CN-циклах происходит при температуре Т ~ 107÷7·107 K. Водород перерабатывается в гелий. Возникают ядра легких элементов: 2Н, 3Не, 7Li, 7Be, 8Ве, но их мало из-за того, что в дальнейшем они вступают в ядерные реакции, а ядро 8Be практически мгновенно распадается из-за малого времени жизни (~ 10-16 с)
8Ве → 4Не + 4Не.
Процесс синтеза, казалось, должен был бы прекратиться, но природа нашла
обходной путь.
Когда Т > 7·107 K, гелий "сгорает", превращаясь в ядра углерода.
Происходит тройная гелиевая реакция − "Гелиевая вспышка" − 3α → 12С, но ее
сечение очень мало и процесс образования 12С идет в два этапа.
Происходит реакция слияния ядер 8Ве и 4Не с образованием ядра углерода
12С* в возбужденном состоянии, которое возможно благодаря наличию у ядра углерода
уровня 7.68 МэВ, т.е. происходит реакция:
8Ве + 4Не → 12С* → 12С + γ.
Существование уровня энергии ядра 12С (7.68 МэВ) помогает обойти малое время
жизни 8Be. Благодаря наличию этого уровня у ядра 12С происходит
Брейт-Вигнеровский
резонанс. Ядро 12С переходит на возбужденный уровень с энергией ΔW =
ΔМ + ε,
где εM = (M8Be − М4Hе)− M12C = 7.4 МэВ, а ε компенсируется за счет кинетической
энергии.
Эта реакция была предсказана астрофизиком Хойлом, а затем воспроизведена в
лабораторных условиях. Затем начинают идти реакции:
12С + 4Не → 160 + γ
160 + 4Не → 20Ne + γ и так до А ~ 20.
Так нужный уровень ядра 12С позволил пройти узкое место в термоядерном синтезе
элементов.
У ядра 16О нет таких уровней энергии и реакция образования
16О идет очень
медленно
12С + 4Не → 160 + γ.
Эти особенности протекания реакций привели к важнейшим следствиям: благодаря
им оказалось одинаковое число ядер 12С и 160, что создало благоприятные условия
для образования органических молекул, т.е. жизни.
Изменение уровня 12С на 5% привело бы к катастрофе
− дальнейший синтез
элементов прекратился бы. Но так как этого не произошло, то образуются ядра с A
в диапазоне
| А = 12÷20 |
14.4 Синтез ядер при Т > 2·108 K
Горение углерода начинается, когда температура Т достигает > 2·108 K (такая температура у Красных Гигантов):
12С+ 12С → 24Mg + γ или
23Na + p → 23Mg + n
и образуются ядра в диапазоне А
Затем при еще более высокой температуре Т ~ 2·108÷109 K загорается кислород:
| 160+ 160 | → 32S + γ; |
| → 31P + p | |
| → 32S+ 4He и т.д. |
| А = 25÷32 |
Это приводит к значениям А
| А = 36÷46 |
Затем начинается синтез более тяжелых ядер.
Реакция фоторасщепления − 20Ne(γ,α)16O
− идет очень быстро (~ 106 лет) и
наступает равновесие между синтезом и расщеплением.
Равновесные процессы происходят при температуре Т ~ 4·109
K, для которой не
существенен кулоновский потенциальный барьер. При такой температуре возможны все
экзоэнергетические реакции за счет термоядерного синтеза вплоть до ядер Fe −
предельного элемента синтеза.
| А = 50÷60 |
Все ядра Fe, Co, Сr образуются за счет термоядерного синтеза.
Можно вычислить распространенность ядер во Вселенной, исходя из существования
этих процессов.
Сведения о распространенности элементов в природе получаются из спектрального
анализа Солнца и Звезд, а также космических лучей. На рис. 99 представлена
интенсивность ядер при разных значениях А.
Рис. 99: Распространенность элементов во Вселенной.
Водород Н − самый распространенный элемент во Вселенной. Лития Li, бериллия
Be и бора В на 4 порядка меньше соседних ядер и на 8 порядков меньше, чем Н и
Не.
Li, Be, В − хорошее горючее, они быстро сгорают уже при Т ~ 107
K.
Труднее объяснить, почему они все же существуют − скорее всего, благодаря
процессу фрагментации более тяжелых ядер на стадии протозвезды.
В космических лучах ядер Li, Be, В много больше, что также является
следствием процессов фрагментации более тяжелых ядер при взаимодействии их с
межзвездной средой.
12С÷16О − результат Гелиевой вспышки и существования резонансного уровня
у 12С и отсутствия такового у 16О, ядро которого является также дважды магическим.
12С − полумагическое ядро.
Таким образом, максимум распространенности у ядер железа 56Fe, a затем
−
резкий спад.
Для А > 60 синтез энергетически невыгоден.
14.5 Образование ядер тяжелее железа
Доля ядер с А > 90 невелика − 10-10 от ядер водорода. Процессы образования
ядер связаны с побочными реакциями, происходящими в звездах. Таких процессов
известно два:
s (slow) − медленный процесс,
г (rapid) − быстрый процесс.
Оба эти процесса связаны с захватом нейтронов
т.е. надо, чтобы возникли такие условия, при которых образуется много нейтронов.
Нейтроны образуются во всех реакциях горения.
13С + 4Не → 160 + n − горение гелия,
12С + 12С → 23Mg + n − углеродная вспышка,
16O + 16O → 31S + n − кислородная вспышка,
21Ne + 4Не → 24Mg + n − реакция с α-частицами.
В результате накапливается нейтронный фон и могут протекать s-и r-процессы − захват нейтронов. При захвате нейтронов образуются нейтроно-избыточные ядра, а затем происходит β-распад. Он превращает их в более тяжелые ядра.
56Fe + n → 57Fe + γ
57Fe + n → 58Fe + γ
β-распады − 58Fe → 58Co → 58Ni и т.д.
s-процесс происходит в звездах Главной последовательности и в Красных
Гигантах, где плотность нейтронов ρn ~ 1010 cм. Процесс идет в течение t ~ 105 лет (медленно). Невысокие максимумы на кривой
распространенности объясняются s-процессом.
Ядра со временем жизни τβ > 105 лет не образуются в s-процессе. Это
− Обойденные s-процессом ядра:
116Cd (у него τ2β = 3.1·1019 лет
>> 105 лет);
122Sn, 124Sn.
Число обойденных ядер растет с увеличением ядерного заряда. После Z = 83
s-процесс не работает.
А = 210 − (α-активное ядро).
Происхождение этих ядер объясняется r-процессом.
Быстрый захват (tзахв << ταβ) приводит к образованию более тяжелых
ядер. Плотность нейтронов на короткое время в сверхновых звездах составляет 1020 см-3, и ядра перегружаются нейтронами и при последующем
β-распаде приходят в
область тяжелых ядер. Так образуются обойденные ядра: 116Cd, 120Sn,
124Sn.
Заряд ядра возрастает пропорционально числу β-распадов. Быстрый r-процесс был воспроизведен при взрыве водородной бомбы. При этом были обнаружены элементы: эйнштейний 253Es, фермий 255Fm.
U + 15n → Es; U + 17n → Fm и β-распад.
В настоящее время в лабораторных условиях синтезированы ядра с Z = 116 и А = 289.
Литература
- Клапдор-Клайнгротхаус Г.В., Цюбер К. Астрофизика элементарных частиц. -М.: Изд-во УФН, 2000.
- Бедняков В.А. О происхождении химических элементов. -М.: Изд-во УФН, 2002.
- PHYSICS LETTERS В. Review of Particle Physics, v. 592, iss. 1-4, 15 July 2004.
