Astronet > Zvezdnyi nukleosintez - istochnik proishozhdeniya himicheskih elementov

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Zvezdnyi nukleosintez - istochnik proishozhdeniya himicheskih elementov

V.N.RYZhOV

Saratovskii gosudarstvennyi tehnicheskii universitet

Rassmotreno sovremennoe sostoyanie odnoi iz fundamental'nyh i dostatochno slozhnyh problem nauki - proishozhdenie himicheskih elementov. Obsuzhdeny astrofizicheskie processy sinteza atomnyh yader, obnaruzhivaemyh v prirode, otmecheny nekotorye neopredelennosti i trudnosti v reshenii etoi problemy.

Vvedenie

Problema proishozhdeniya atomov voznikla pri ustanovlenii prirody istochnika energii Solnca i zvezd i pri razrabotke teorii Bol'shogo Vzryva Vselennoi. Problema istochnika energii na Solnce byla reshena v konce 30-h godov XX veka H. Bete i K. Veiczekerom. Na osnove raschetov oni prishli k vyvodu, chto mehanizm generacii energii na Solnce i v drugih zvezdah svyazan s obrazovaniem yader geliya iz chetyreh protonov: r-r-cikl i CNO-cikl (Kocharov G.E. // SOZh. 1996. No 10. S. 99-105). Odnako raschety pokazali, chto v nedrah zvezd za vremya sushestvovaniya Vselennoi mozhet obrazovat'sya otnositel'no malo geliya ( $\sim$ 2%) po sravneniyu s nablyudaemoi ego rasprostranennost'yu ( $\sim$ 25%).

Spustya primerno desyatiletie posle publikacii rabot H. Bete i K. Veiczekera, G.A. Gamovym byla razrabotana teoriya Bol'shogo Vzryva Vselennoi (Vasil'ev A.N. // SOZh. 1996. No 2. S. 82-88). Soglasno etoi teorii, Vselennaya proshla eru nukleosinteza v samyi nachal'nyi moment, kogda obrazovalis' protony i neitrony i vsled za nimi izotopy vodoroda, geliya i litiya. Predprinyataya G. Gamovym popytka razvit' kosmologicheskuyu ideyu obrazovaniya vseh atomov na rannem etape rasshireniya Vselennoi ( $\alpha, \beta, \gamma$ -teoriya) putem posledovatel'nogo prisoedineniya neitronov i posleduyushimi $\beta^{-}$ -raspadami ne uvenchalas' uspehom vsledstvie voznikshei problemy "provala mass" - otsutstviya v prirode yader s massovymi chislami 5 i 8: kak bylo ustanovleno, yadra ⁵₂He, ⁵₃Li i ⁸₄Be ochen' neustoichivye i bystro raspadayutsya.

V tot zhe period E. Salpeter pokazal, chto pri usloviyah, harakternyh dlya nedr zvezd, naryadu s goreniem vodoroda (r-r- i CNO-cikly) vozmozhno gorenie geliya s obrazovaniem ugleroda. Tak voznikli pervye osnovnye predstavleniya yadernogo sinteza, bol'shoi vklad v razvitie kotoryh krome nazvannyh vyshe uchenyh vnesli U. Fauler, F. Hoil, Dzh. i M. Berbidzhi, A. Kameron. Soglasno sovremennym nauchnym predstavleniyam, prakticheski vse himicheskie elementy obrazovalis' i obrazuyutsya v rezul'tate processov, proishodyashih v zvezdah, chto privodit k evolyucionnym izmeneniyam sostoyaniya zvezd. Poetomu problema obrazovaniya nuklidov tesno svyazana takzhe i s voprosami evolyucii zvezd.

Rasprostranennost' atomov i nuklidov

Na osnove dannyh o rasprostranennosti himicheskih elementov v prirode uchenye prishli k vyvodu, chto naibolee veroyatnym istochnikom obrazovaniya bol'shinstva yader yavlyayutsya posledovatel'nosti diskretnyh yadernyh processov, protekayushih v nedrah zvezd, to est' otdel'nyh grupp yadernyh reakcii. Poetomu ves'ma vazhno v pervuyu ochered' rassmotret' nekotorye dannye o soderzhanii izotopov atomov i nuklidov v Solnechnoi sisteme, zvezdah i gazovyh tumannostyah. Dlya Zemli, meteoritov i Luny soderzhanie elementov opredelyaetsya neposredstvenno, hotya i dlya etih ob'ektov imeyutsya opredelennye ogranicheniya i trudnosti. Meteority, letyashie cherez atmosferu Zemli, teryayut chast' svoego veshestva, poetomu elementnyi analiz issleduemyh ob'ektov okazyvaetsya nedostatochno polnym. Himicheskii sostav planet Solnechnoi sistemy menee izvesten. Svedeniya o nem osnovyvayutsya v bol'shinstve sluchaev na velichine srednei plotnosti veshestva planet. Soderzhanie himicheskih elementov na Solnce, v zvezdah i gazovyh mezhzvezdnyh tumannostyah opredelyayut metodami spektral'nogo analiza, pri etom poddaetsya opredeleniyu tol'ko himicheskii sostav atmosfery Solnca i zvezd. V spektre Solnca otozhdestvleny linii bolee 70 himicheskih elementov. Odnako i v atmosferah zvezd i Solnca nekotorye elementy ne udaetsya obnaruzhit' po ob'ektivnym prichinam. Ishodya iz nablyudatel'nyh dannyh o rasprostranennosti elementov v Solnce bylo sdelano zaklyuchenie, chto v horoshem priblizhenii otnositel'noe soderzhanie ih soglasuetsya s soderzhaniem elementov dlya Zemli i meteoritov, hotya est' i razlichiya v detalyah. Imeetsya yavnoe rashozhdenie v kolichestve legkih elementov Li i Be, kotoryh v Zemle i meteoritah gorazdo bol'she, chem v Solnce. Yadra etih atomov legko razrushayutsya v yadernyh reakciyah pri temperature Solnca. Zemlya i meteority, v svoyu ochered', bedny legkimi letuchimi elementami.

Vpervye tablica rasprostranennosti elementov byla sostavlena G. Zyussom i G. Yuri v 1956 godu na osnove himicheskogo sostava zemnoi kory, meteoritov i Solnca. Sovremennye dannye o rasprostranennosti nuklidov predstavleny na ris. 1 graficheskoi zavisimost'yu soderzhaniya nuklidov ot massovogo chisla. Grafik zavershaetsya poslednimi ustoichivymi izotopami Pb i Bi i illyustriruet mnogie osobennosti, otrazhayushie harakternye svoistva razlichnyh processov nukleosinteza. Sredi naibolee zametnyh osobennostei vydelyaetsya pik gruppy zheleza, soderzhanie elementov v kotorom na 2-3 poryadka vyshe, chem na sglazhennoi chasti. Imeyutsya takzhe nebol'shie dvoinye piki vblizi massovyh chisel 90, 135 i 200.

Ris. 1. Rasprostranennost' nuklidov v pervichnoi solnechnoi tumannosti po otnosheniyu k soderzhaniyu kremniya, prinyatogo za 10⁶.

Sintez yader ot ugleroda do gruppy zheleza

Obrazovanie yader himicheskih elementov ot ugleroda do gruppy zheleza, soglasno sovremennym predstavleniyam, proishodit v rezul'tate gelievogo, uglerodnogo, kislorodnogo, neonovogo i kremnievogo goreniya v nedrah zvezd, to est' blagodarya termoyadernym reakciyam, v kotoryh uchastvuyut nazvannye nuklidy. Sleduet otmetit', chto raschety yadernyh reakcii, protekayushih v nedrah zvezd, ne imeyut stol' vysokoi nadezhnosti v otlichie ot laboratornyh yadernyh izmerenii, tak kak v laboratornyh izmereniyah energii stalkivayushihsya chastic namnogo prevyshayut znacheniya energii, obnaruzhivaemoi v nedrah zvezd. Poetomu poluchennye laboratornye effektivnye secheniya $\sigma$ , harakterizuyushie veroyatnost' reakcii, ne mogut byt' prinyaty dlya astrofizicheskih reakcii, tak kak $\sigma$ zavisit ot energii stalkivayushihsya chastic.

Gorenie geliya. Posle istosheniya zapasov vodoroda v yadre zvezdy v rezul'tate r-r- ili CNO-ciklov on prodolzhaet goret' v sloe, kotoryi okruzhaet eto gelievoe zvezdnoe yadro. Massa gelievogo yadra postepenno uvelichivaetsya, gravitacionnye sily v to zhe vremya sdavlivayut yadro zvezdy, povyshaya ego plotnost' i temperaturu. Obolochka zvezdy, naprotiv, sil'no rasshiryaetsya, prisposablivayas' k uvelichivayusheisya svetimosti zvezdy tak, chto temperatura poverhnosti zvezdy dazhe padaet. V rezul'tate izmenivshihsya fizicheskih svoistv zvezda shodit s glavnoi posledovatel'nosti diagrammy "spektr-svetimost'" i prevrashaetsya v krasnyi gigant.

K momentu, kogda v yadre zvezdy temperatura dostigaet 1,5 x 10⁸ K, a plotnost' 5 x 10⁴ g/sm³, nachinaetsya tak nazyvaemaya troinaya reakciya s uchastiem yader geliya 3⁴He $\rightarrow$ ¹²C. Eshe do eksperimental'nogo obnaruzheniya vozbuzhdennogo sostoyaniya yadra ¹²C F. Hoil iz chisto astrofizicheskih soobrazhenii pokazal, chto dlya obrazovaniya ugleroda v processe goreniya geliya dolzhno sushestvovat' ego vozbuzhdennoe sostoyanie vblizi poroga raspada na ⁸Be i ⁴He. Nesmotrya na to chto yadro ⁸Be, obrazuyusheesya iz dvuh yader geliya, nestabil'no ( $\tau\sim10^{-16}~\textrm{s}$ ), ono uspevaet provzaimodeistvovat' s yadrom ⁴He. Eto vzaimodeistvie yavlyaetsya rezonansnym i sechenie $\sigma$ dostatochno veliko blagodarya tomu, chto energiya vtorogo vozbuzhdennogo sostoyaniya ¹²S^** sootvetstvuet 7,65 MeV i blizka k energii poroga raspada na nuklidy ⁸Be + ⁴He, ravnoi 7,37 MeV.

Naryadu s rassmotrennoi reakciei vozmozhna reakciya s obrazovaniem kisloroda ¹²C + ⁴He $\rightarrow$ ¹⁶O + $\gamma$ . Otnositel'nye kolichestva ¹²C i ¹⁶O v znachitel'noi stepeni opredelyayutsya skorostyami reakcii 3⁴He i ¹²C( $\alpha,\gamma$ )¹⁶O. K sozhaleniyu, imeyutsya znachitel'nye neopredelennosti v ustanovlenii skorosti poslednei reakcii. Obrazuyushiesya yadra ¹⁶O vstupayut v reakciyu s yadrami ⁴He i obrazuyut yadra neona ¹⁶O + ⁴He $\rightarrow$ ²⁰Ne + $\gamma$ . Yadro ²⁰Ne ne obladaet energeticheskim urovnem, blizkim k porogu raspada na ¹⁶O + ⁴He, i poetomu skorost' etoi reakcii nebol'shaya. Naprotiv, reakciya ²⁰Ne(⁴He, $\gamma$ )²⁴Mg harakterizuetsya mnogimi veroyatnymi rezonansami v oblasti temperatur, sootvetstvuyushih goreniyu geliya. Process goreniya geliya soprovozhdaetsya drugimi reakciyami s obrazovaniem razlichnyh nuklidov. Naprimer, radioaktivnyi izotop ftora ¹⁸F, obrazuyushiisya v reakcii ¹⁴N + ⁴He $\rightarrow$ ¹⁸F + $\gamma$ , v rezul'tate pozitronnogo raspada prevrashaetsya v izotop kisloroda ¹⁸F $\rightarrow$ ¹⁸O + e⁺ + $\nu$ . Vsled za obrazovaniem ¹⁸O posleduyut reakcii ¹⁸O + ⁴He $\rightarrow$ ²²Ne + $\gamma$ , ¹⁸O +⁴He $\rightarrow$ ²¹Ne + n i drugie s uchastiem geliya.

Gorenie ugleroda, kisloroda, neona i kremniya. Gorenie geliya privodit k rostu zvezdnogo yadra, sostoyashego glavnym obrazom iz ugleroda i kisloroda. Zvezdnoe yadro okruzheno sloem, v kotorom prodolzhaetsya gorenie He. Kogda temperatura i plotnost' zvezdnogo yadra stanovyatsya dostatochno bol'shimi ( $T\approx 5 \cdot 10^8$ K) v rezul'tate gravitacionnogo szhatiya yadra zvezdy, nachinaetsya sliyanie yader ugleroda s obrazovaniem yader neona, natriya i magniya:

$^{12}\mbox{C} + ^{12}\mbox{C} \rightarrow \left\{\begin{array}{l} ^{20}\mbox{Ne}+^{4}\mbox{He}+4,62 \mbox{~MeV,}\\ ^{23}\mbox{Na}+p+2,24 \mbox{~MeV,}\\ ^{24}\mbox{Mg}+\gamma-2,60 \mbox{~MeV.} \\ \end{array}\right.$

Odnovremenno s etimi reakciyami obrazuyutsya alyuminii, kremnii i nekotorye drugie sosednie nuklidy v rezul'tate zahvata obrazuyushimisya nuklidami vysvobodivshihsya p, n, $\alpha$ . Naprimer, ²⁵Al obrazuetsya v rezul'tate ²⁴Mg + r $\rightarrow$ ²⁵Al + $\gamma$ .

Harakter goreniya ugleroda sil'no zavisit ot massy zvezdy. V massivnyh zvezdah uglerod mozhet zagorat'sya i prodolzhat' gorenie v usloviyah staticheskogo ravnovesiya zvezdy. V zvezdah massoi vsego lish' neskol'ko solnechnyh mass uglerod zagoraetsya v usloviyah vyrozhdennogo sostoyaniya elektronov, esli voobshe smozhet obrazovat'sya uglerodnoe yadro.

Gorenie neona harakterizuetsya korotkoi stadiei i zaklyuchaetsya v fotodissociacii ²⁰Ne pod deistviem vysokoenergeticheskih $\gamma$ -kvantov s otryvom $\alpha$ -chasticy. Osvobodivshiesya $\alpha$ -chasticy vzaimodeistvuyut s neonom i drugimi yadrami do teh por, poka ne ischerpaetsya zapas neona.

Gorenie kisloroda podrazumevaet sliyanie dvuh yader ¹⁶O pri energiyah neskol'ko megaelektronvol't ( $T\approx$ 10⁹K). Eta reakciya imeet takzhe neskol'ko kanalov:

$\begin{array}{l} ^{16}\mbox{O} + ^{16}\mbox{O} \rightarrow \left\{\begin{array}{l} ^{28}\mbox{Si} + ^{4}\mbox{He} + 9,59 \mbox{~MeV,}\\ ^{31}\mbox{P} +^{1}\mbox{H}+7,68 \mbox{~MeV,}\\ ^{31}\mbox{S}+n+1,45 \mbox{~MeV,}\\ \end{array}\right. \\ {} \\ ^{16}\mbox{O} + ^{16}\mbox{O} \rightarrow \left\{\begin{array}{l} ^{30}\mbox{Si}+^{1}\mbox{H}+^{1}\mbox{H}+0,39 \mbox{MeV},\\^{24}\mbox{Mg} + ^{4}\mbox{He} + ^{4}\mbox{He} - 0,39 \mbox{MeV},\\ ^{27}\mbox{Al}+ ^{4}\mbox{He}+ ^{1}\mbox{H}-1,99 \mbox{MeV}.\\ \end{array}\right. \\ \end{array}$

Vsled za stadiei goreniya ¹⁶O po mere rosta temperatury i plotnosti sleduet gorenie kremniya. Odnako fotodissociacii stanovyatsya podverzheny slozhnye atomnye yadra, a osvobozhdayushiesya $\alpha$ -, p-, n-chasticy vzaimodeistvuyut s ne uspevshimi dissociirovat' yadrami i obrazuyut bolee tyazhelye yadra, vklyuchaya yadra zheleznogo pika na krivoi rasprostranennosti elementov. Etot process opisyvaetsya sotnei yadernyh reakcii. V kachestve primera privedem dve iz nih:

$^{28}\textrm{Si} + {}^4\textrm{He} \leftrightarrow {}^{32}\textrm{S} + \gamma\,, \qquad {}^{32}\textrm{S} + {}^4\textrm{He} \leftrightarrow {}^{36}\textrm{Ar} + gamma\,.$

Reakciya tipa ²⁸Si + ²⁸Si $\rightarrow$ ⁵⁶Ni + $\gamma$ maloveroyatna iz-za bol'shogo kulonovskogo bar'era. Etu reakciyu simvolicheski mozhno zamenit' na sleduyushie:

${}^{28}\textrm{Si} + \gamma \rightarrow 7\cdot{}^4\textrm{He}\,, \qquad {}^{28}\textrm{Si} + 7\cdot{}^4\textrm{He} \rightarrow {}^{56}\textrm{Ni}\,.$

Yadra ⁵⁶Ni v rezul'tate dvuh $\beta^-$ -raspadov prevrashayutsya v ⁵⁶Fe.

Gorenie kremniya yavlyaetsya konechnoi stadiei termoyadernogo sinteza nuklidov v massivnyh zvezdah, na kotoroi obrazuyutsya yadra gruppy zheleza, obladayushie maksimal'noi udel'noi energiei svyazi. Posleduyushii termoyadernyi sintez v rezul'tate prisoedineniya legkih yader yadrami gruppy zheleza ne imeet mesta, tak kak etot process dolzhen protekat' tol'ko s poglosheniem energii. Sovremennye metody teoreticheskoi astrofiziki pozvolyayut rasschityvat' modeli zvezd na soderzhanie produktov reakcii yadernogo sinteza na razlichnyh stadiyah ih evolyucii. V kachestve primera privedem rasschitannoe soderzhanie (iz raboty S. Uosli i T. Uivera) osnovnyh elementov massivnoi zvezdy naseleniya tipa I na stadii predsverhnovoi (ris. 2).

Ris. 2. Nuklidnyi sostav osnovnyh elementov v zvezde naseleniya tipa I massoi, ravnoi 25 massam Solnca, na stadii predsverhnovoi v zavisimosti ot vnutrennego raspredeleniya massy (v dolyah solnechnoi massy).

Vnutrennie izmeneniya nuklidnogo sostava massivnyh zvezd, a sledovatel'no, i otdel'nye etapy ih evolyucii mozhno otobrazit' shemoi, privedennoi na ris. 3. Poslednyaya stadiya zvezdy ne mozhet sushestvovat' dolgo, tak kak v centre ee termoyadernye reakcii ugasayut. Eto sostoyanie zvezdy nazyvaetsya predsverhnovoi, predshestvuyushee vzryvu zvezdy vsledstvie narusheniya v nei ravnovesiya.

Ris. 3. Shema evolyucii osnovnogo nuklidnogo sostava massivnoi zvezdy.

Obrazovanie tyazhelyh i sverhtyazhelyh elementov

Sintez atomnyh yader, raspolozhennyh v tablice D. Mendeleeva za gruppoi zheleza, soglasno otmechennym vyshe prichinam, dolzhen obespechivat'sya drugimi mehanizmami i, kak pokazali M. i Dzh. Berbidzhi, U. Fauler i F. Hoil eshe v 1957 godu, takie nuklidy obrazuyutsya v rezul'tate treh principial'no raznyh processov: $s$ -, $r$ - i $p$ -processov.

$s$ -Process. Etot process predstavlyaet soboi medlennyi zahvat neitronov, pri kotorom obrazuyushiesya neustoichivye yadra raspadayutsya prezhde, chem uspeyut prisoedinit' sleduyushii neitron. Poetomu mozhno zaklyuchit', chto $s$ -process idet v nedrah zvezd pri ih normal'noi stadii evolyucii. Rassmotrim fizicheskuyu storonu medlennogo zahvata neitronov. Chislo zahvatov neitronov yadrami misheni v edinicu vremeni i v edinice ob'ema mozhno opredelit' sleduyushim obrazom: $N = n_{1}n_{2}\langle\sigma\nu\rangle$ , gde $n_{1}$ i $n_{2}$ - koncentracii yader misheni i neitronov, $\sigma$ - effektivnoe sechenie zahvata neitrona yadrom, $\nu$ - otnositel'naya skorost' uchastvuyushih v stolknovenii chastic. Effektivnoe sechenie zahvata neitronov, kak pokazyvayut eksperimenty, podchinyaetsya sootnosheniyu $\sigma \sim 1/\nu$ . Sledovatel'no, mozhno schitat' $\langle\sigma\nu\rangle$ = const. Togda vremya zahvata neitrona odnim yadrom opredelyaetsya kak $\tau_{n}=[n_{n}\langle\sigma\nu\rangle]^{-1}$ . Znaya proizvedenie $\langle\sigma\nu\rangle$ , a takzhe vremya zahvata neitronov $\tau_n$ , mozhno naiti koncentraciyu neitronov $n_n$ .

Vremya zahvata neitronov v $s$ -processe ocenivayut na osnove tak nazyvaemogo teplovogo harakternogo vremeni, kotoroe opredelyaetsya priblizitel'no otnosheniem gravitacionnoi energii zvezdy k ee svetimosti. Velichina $\tau_n$ dlya vseh normal'nyh zvezd bol'she 10⁴ let, i, esli prinyat' harakternoe znachenie $\langle\sigma\nu\rangle$ = 3 x 10^{- 23}m³/s, mozhno ocenit' neobhodimuyu koncentraciyu neitronov v $s$ -processe. Raschety dayut znachenie $\sim$ 10¹¹ m^{- 3}, kotoroe sushestvenno malo po sravneniyu s obshei koncentraciei nuklonov v nedrah normal'nyh zvezd ( $\rho$ > 10³ kg/m³, $n$ > 6 x 10²⁹m^{- 3}).

Vazhnym usloviem protekaniya $s$ -processa v zvezdah yavlyaetsya istochnik neitronov. Imeyutsya dve predpochtitel'nye reakcii ¹³C( $\alpha$ , n) ¹⁶O i ²²Ne( $\alpha$ , n) ²⁵Mg, v rezul'tate kotoryh osvobozhdaetsya neitron. Kazhdaya iz nih imeet svoi nedostatki i preimushestva. Dokazatel'stvom uchastiya $s$ -processa v obrazovanii tyazhelyh elementov sluzhit fakt primerno postoyannoi velichiny proizvedeniya secheniya neitronnogo zahvata $\sigma$ na soderzhanie elementa $n_A$ , obrazovannogo v $s$ -processe v intervale mezhdu yadrami s zapolnennymi neitronnymi obolochkami. Na ris. 4 privedena zavisimost' $\sigma n_A$ ot massovogo chisla $A$ . Kak vidno iz ris. 4, velichina $\sigma n_A$ umen'shaetsya dlya kazhdogo yadra s zapolnennoi obolochkoi, a mezhdu nimi proyavlyayutsya dva plato s $A$ ot 90 do 140 i ot 140 do 206.

Ris. 4.Krivaya $s$ -processa: 1, 2, 3 - izotopy s horosho izvestnymi effektivnymi secheniyami, nadezhno opredelennymi secheniyami i grubo ocenennymi secheniyami zahvata neitronov sootvetstvenno; 4 - rasschitannyi rezul'tat polozheniya neskol'kih $s$ -processov s razlichnymi vremenami zahvata neitronov.

Primerom fragmenta cepochki posledovatel'nyh yadernyh $s$ -zahvatov neitronov mozhet sluzhit' shema

$^{56}\textrm{Fe} + n \longrightarrow {}^{57}\textrm{Fe} + n \longrightarrow {}^{58}\textrm{Fe} + n \longrightarrow {}^{59}\textrm{Fe} \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow}$

$\longrightarrow {}^{59}\textrm{Co} + n \longrightarrow {}^{60}\textrm{Co} \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow} {}^{60}\textrm{Ni} + n \longrightarrow$

$\longrightarrow {}^{61}\textrm{Ni} + n \longrightarrow {}^{62}\textrm{Ni} + n \longrightarrow {}^{63}\textrm{Ni} \stackrel{\beta^-}{\longrightarrow}~~\textrm{i t.d.}$

Zavershayutsya cepochki prevrashenii $s$ -processa na izotopah svinca i vismuta ²⁰⁹Bi, tak kak posleduyushie nuklidy ²¹⁰Ro i ²¹¹Ro preterpevayut $\alpha$ -raspad s periodom poluraspada 138 sutok i 0,5 s sootvetstvenno, prevrashayas' v svinec.

$r$ -Process. Tyazhelye i sverhtyazhelye elementy, nahodyashiesya v tablice Mendeleeva za Bi, obrazuyutsya v rezul'tate $r$ -processa. V etom processe yadro dolzhno bystro posledovatel'no zahvatit' mnogo neitronov, prezhde chem proizoidet ego $\beta^{-}$ -raspad. Yadra zahvatyvayut neitrony v reakciyah (n, $\gamma$ ), i zahvaty prodolzhayutsya do teh por, poka skorost' reakcii (n, $\gamma$ ) ne uravnovesitsya so skorost'yu reakcii vybivaniya neitrona pod deistviem $\gamma$ -fotona (libo skorost'yu $\beta^{-}$ -raspada). Posle etogo yadro "zhdet", poka proizoidet $\beta^{-}$ -raspad, chto pozvolit emu snova zahvatit' neitrony. Takoi process mozhet osushestvlyat'sya pri sootvetstvuyushei koncentracii neitronov i pri trebuemyh parametrah sechenii reakcii (n, $\gamma$ ) i skorostei $\beta^{-}$ -raspadov. Dlya ocenki skorostei $\beta^{-}$ -raspada ochen' neustoichivyh yader predlagayutsya raznoobraznye shemy i metody, poskol'ku skorosti $\beta^{-}$ -raspada zavisyat ne tol'ko ot energii svyazi yadra, no i drugih faktorov zvezdnoi sredy. Raznye metodiki ocenivayut vremya zaderzhki yadra do $\beta^{-}$ -raspada v predelah 0,1 < $\tau_{\beta^{-}}$ < 30 s.

Vtoroe harakternoe vremya $r$ -processa - eto vremya, kotoroe trebuetsya dlya zahvata neitronov. Ono mozhet byt' sravnimo so vremenem vzryva zvezdy, kotoroe po poryadku velichiny ravno vremeni svobodnogo padeniya $\tau_g$ v pole tyazhesti zvezdy. Predpolagaya, chto polnaya prodolzhitel'nost' rasshireniya ne bol'she 10 $\tau_g$ i 10 $\tau_g \leq \tau_{\beta} \leq$ 30 s, mozhno poluchit' verhnii predel nachal'noi koncentracii neitronov dlya osushestvleniya $r$ -processa, ravnyi 10³³ sm^{- 3}. Kak vidno, nachal'naya koncentraciya neitronov v zvezdah dolzhna byt' dostatochno bol'shoi. V poslednie gody predprinimayutsya popytki raschetov setki reakcii s uchetom neravnovesnyh effektov. Eti raschety pokazyvayut, chto $r$ -process mozhet nastupat' i pri znachitel'no men'shih koncentraciyah neitronov.

Vozmozhnymi astrofizicheskimi usloviyami protekaniya $r$ -processa schitayutsya mehanizmy, yavlyayushiesya sledstviem vzryvov sverhnovyh, tak kak reakcii bystrogo zahvata neitronov v stacionarnyh zvezdah nevozmozhny. Rasprostranyayushayasya udarnaya volna v sverhnovoi iniciiruet intensivnoe protekanie yadernyh reakcii s vydeleniem neitronov na ²²Ne i ¹⁸O libo v gelievom sloe, libo v uglerod-neonovom sloe. Odnako nedostatok etih mehanizmov sostoit v tom, chto real'nye modeli sverhnovyh, po-vidimomu, ne mogut sozdat' dostatochnogo kolichestva neitronov, chtoby poluchit' polnuyu kartinu rasprostranennosti $r$ -yader. Okonchanie $r$ -processa preryvaetsya spontannym deleniem sverhtyazhelyh yader, poskol'ku dlya yader s bol'shim massovym chislom spontannoe delenie budet proishodit' bystree, chem $\beta^{-}$ -raspad. Pri etom produkty deleniya sverhtyazhelyh yader vnov' stanovyatsya zarodyshevymi yadrami dlya dal'neishego protekaniya $r$ -processa. Soglasno raschetam, trek $r$ -processa mozhet dohodit' do yader, soderzhashih 184 neitrona.

Nachal'nymi zarodyshevymi yadrami v $r$ -processe yavlyayutsya, tak zhe kak i dlya $s$ -processa, yadra gruppy zheleza. Poetomu na krivoi rasprostranennosti yader (ris. 1) imeyutsya dvoinye piki vblizi atomnyh mass 90, 135 i 200, kotorye korreliruyut s magicheskimi chislami neitronov sootvetstvenno 50, 82 i 126. Eto yavlyaetsya otrazheniem togo fakta, chto trek $r$ -processa prohodit v neitronoizbytochnoi oblasti daleko ot polosy stabil'nosti (primerno na 10 neitronov), v to vremya kak trek s-processa idet po polose stabil'nosti (ris. 5).

Ris. 5. Rasschitannye treki $s$ - i $r$ -processov.

Zakanchivaya razdel, sleduet otmetit', chto bystryi zahvat neitronov byl chastichno realizovan v iskusstvennyh usloviyah pri vzryvah yadernyh bomb, nachinennyh uranom ²³⁸U. Pri vzryve ne vse yadra uspevali delit'sya s vydeleniem energii, chast' ih zahvatyvala do 17 neitronov ²³⁸U + 17n $\rightarrow$ ²⁵⁵U i zatem sledovala cepochka $\beta^{-}$ -raspadov s obrazovaniem transuranovyh elementov vplot' do fermiya $^{255}_{92}\textrm{U} \stackrel{\beta^{-}}{\longrightarrow} {}^{255}_{93}\textrm{Np} \stackrel{\beta^{-}}{\longrightarrow}~\ldots~\stackrel{\beta^{-}}{\longrightarrow} {}^{255}_{100}\textrm{NFm}\,.$

$p$ -Process predstavlyaet soboi obrazovanie redkih, bogatyh protonami yader putem zahvata protonov ili pozitronov, tak kak ni odnim processom neitronnogo zahvata eti yadra ne mogut byt' sozdany. K takim yadram sleduet v pervuyu ochered' otnesti izotopy olova ¹¹¹Sn, ¹¹²Sn i ¹¹⁵Sn. Odnako fizicheskie modeli uslovii protekaniya $p$ -processa v zvezdah ostayutsya poka v bol'shei stepeni neodnoznachnymi po sravneniyu s processami zahvata neitronov.

Proishozhdenie legkih elementov

Legkie nuklidy ⁶Li, ⁷Li, ⁹Be, ¹⁰B i ¹¹B harakterizuyutsya bolee nizkoi rasprostranennost'yu i stabil'nost'yu po otnosheniyu k He, C, N, O i ne mogut obrazovat'sya v processe obychnogo nukleosinteza v nedrah zvezd, tak kak oni legko razrushayutsya ⁶Li(r, ³He) ⁴He; ⁷Li(p, $\gamma$ ) ⁸B $\rightarrow$ 2⁴He; ⁹Be(r, ⁴He) ⁶Li; ¹⁰B(r, ⁴He) ⁷Be; ⁷Be(e^-, $\nu$ ) ⁷Li; ¹¹B(p, $\gamma$ )3⁴He.

Na segodnyashnii den' obshepriznannoi gipotezoi obrazovaniya legkih yader yavlyayutsya reakcii skalyvaniya - reakcii deleniya yader C, N, O pri stolknovenii s yadrami H i He libo v kosmicheskih luchah, libo kosmicheskih luchei s atomami mezhzvezdnyh gazovyh oblakov. Kosmicheskie luchi - eto potok zaryazhennyh chastic, vklyuchaya yadra ryada atomov dostatochno bol'shoi energii, kotorye zapolnyayut prostranstvo Galaktiki. Schitaetsya, chto osnovnym istochnikom kosmicheskih luchei yavlyayutsya vzryvy sverhnovyh zvezd. V kosmicheskih luchah soderzhanie Li, Be, B priblizitel'no na pyat' poryadkov bol'she, chem v zvezdah. Eto ukazyvaet na to, chto reakcii skalyvaniya imeyut mesto v kosmicheskih luchah. V kachestve primera privedem reakcii skalyvaniya ¹²S pod deistviem protonov

$^{12}_{6}\textrm{C} + \textrm{p} \rightarrow \left\{ \begin{array}{l} ^{11}_{5}\mbox{B}+2p,\\ ^{10}_{5}\mbox{B}+^{3}_{2}\mbox{He},\\ ^{7}_{3}\mbox{Li}+^{4}_{2}\mbox{He}+2\mbox{p},\\ ^{6}_{3}\mbox{Li}+^{4}_{2}\mbox{He}+^{3}_{2}\mbox{He},\\ ^{9}_{4}\mbox{Be}+^{3}_{2}\mbox{He}+\mbox{p}.\\ \end{array} \right.$

Sechenie reakcii pervogo kanala naibol'shee, a poslednego naimen'shee, to est' secheniya nahodyatsya v toi zhe posledovatel'nosti, chto i rasprostranennosti etih yader v kosmicheskih luchah (B > Li > Be). V to zhe vremya v Galaktike soderzhanie elementov nahoditsya v neskol'ko inoi posledovatel'nosti: Li > B > Be. Eto rashozhdenie ob'yasnyaetsya osobym proishozhdeniem ⁷Li. Poetomu sleduet ukazat' i drugie vozmozhnye processy nukleosinteza ⁷Li: 1) reakcii skalyvaniya, proishodyashie v poverhnostnyh sloyah sverhnovyh libo krasnyh gigantov; 2) termoyadernye reakcii, protekayushie v zvezdah na stadii krasnogo giganta libo vo vzryvayushihsya ob'ektah, - novyh i sverhnovyh; 3) kosmologicheskii termoyadernyi sintez na rannei stadii Bol'shogo Vzryva Vselennoi. Kazhdyi iz etih processov imeet svoi problemy, a ogranichennost' ob'ema stat'i ne pozvolyaet ih rassmotret'.

Zaklyuchenie

Obrazovanie himicheskih elementov, za isklyucheniem vodoroda i bol'shei chasti geliya, iz kotoryh sformirovalas' Solnechnaya sistema, proizoshlo v zvezdah predshestvuyushego Solncu pokoleniya. Est' osnovaniya polagat' na osnove nablyudeniya produktov raspada ischeznuvshih korotkozhivushih izotopov v meteoritah, chto Solnechnaya sistema obrazovalas' iz gazopylevogo oblaka - ostatka sverhnovyh OV - associacii - gruppirovki goryachih massivnyh zvezd spektral'nyh klassov O i V i imeyushih sravnitel'no korotkoe vremya zhizni. Eti zvezdy proshli vse etapy zvezdnogo nukleosinteza i vzorvalis'.

Itak, za poslednie desyatiletiya polucheno dostatochno mnogo rezul'tatov v vyyasnenii udivitel'noi kartiny astrofizicheskogo nukleosinteza. Hotya mnogie fragmenty etoi kartiny eshe ne zakoncheny, nekotorye, mozhet, dazhe okazhutsya nevernymi, no v osnovnyh chertah ona stol' ubeditel'na, chto, nesomnenno, i vposledstvii budet ostavat'sya bogateishim zapasom znanii o Vselennoi.

Literatura


[1].	Yadernaya astrofizika / Pod red. Ch. Barnsa i dr. M.: Mir, 1986. 519 s.
[2].	Teiler R.Dzh. Proishozhdenie himicheskih elementov. M.: Mir, 1975. 232 s.
[3].	Ryzhov V.N. Evolyuciya Vselennoi i proishozhdenie atomov. Saratov: MVUIP "Sigma-plyus", 1998. 64 s.

Mnenie chitatelya [1]

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce

Publikacii s klyuchevymi slovami: zvezdy - nukleosintez - proishozhdenie elementov - termoyadernye reakcii - rasprostranennost' elementov - himicheskaya evolyuciya Publikacii so slovami: zvezdy - nukleosintez - proishozhdenie elementov - termoyadernye reakcii - rasprostranennost' elementov - himicheskaya evolyuciya
Sm. takzhe: Chernaya dyra razrushaet zvezdu: animaciya Zvezdy, pyl' i tumannost' v NGC 6559 25 samyh yarkih zvezd na nochnom nebe Animaciya: chernaya dyra razrushaet zvezdu Himicheskie elementy v ostatkah zvezdy Sravnenie razmerov zvezd Samaya dalekaya iz vseh izvestnyh zvezd? Vse publikacii na tu zhe temu >>