Як утворилися атомні ядра

Навколишній світ складається з різних хімічних елементів. Як в природних умовах утворилося те різноманіття хімічних елементів, яке ми спостерігаємо? На рис. 12 показана відносна поширеність елементів на Землі, в метеоритах, на Сонце, і в зірках.

Мал. 12. Поширеність нуклідів щодо кремнію в залежності від масового числа (вибрані такі одиниці, в яких поширеність кремнію дорівнює 10 6)

Серед найбільш істотних особливостей поширеності елементів можна виділити наступні:

Речовина у Всесвіті в основному складається з водню -

90% всіх атомів.

За поширеністю гелій посідає друге місце, складаючи 10% від числа атомів водню.

Існує глибокий мінімум, відповідний літію, берилію і бору.

Відразу за цим глибоким мінімумом слід максимум, обумовлений підвищеною поширеністю вуглецю і кисню.

Слідом за кисневим максимумом йде стрибкоподібне падіння поширеності елементів аж до скандію (Z = 21, A = 45).

Спостерігається різке підвищення поширеності елементів в районі заліза ( "залізний пік").

Після A »60 зменшення поширеності відбувається більш плавно.

Спостерігається помітне розходження між елементами з парних і непарних Z. Як правило, елементи з парним Z є більш поширеними.

Ряд ядер, так звані обійдені ядра - 74 Se, 78 Kr, 92 Mo, 96 Ru та ін. Мають поширеність на два порядки меншу, ніж сусідні ядра.

Для пояснення утворення хімічних елементів в 1948 році Г. Гамовим була висунута теорія Великого вибуху. Згідно з моделлю Гамова синтез усіх елементів відбувався під час Великого вибуху в результаті неравновесного захоплення атомними ядрами нейтронів з випусканням γ-квантів і подальшим β - розпадів важких ядер. Однак детальні розрахунки показали, що в цій моделі неможливо пояснити освіту елементів важче Li. На початковому етапі еволюції Всесвіту, приблизно через 100 с після Вибуху, при температурі

10 9 K в термоядерних реакціях утворилися лише найлегші атомні ядра - ізотопи водню і гелію.

3 He + n → 4 He + γ.

Відповідно до сучасних уявлень освіту більш важких ядер на цьому етапі виявляється неможливим. Більш важкі ядра утворилися лише через мільярди років після Великого вибуху в процесі зоряної еволюції.
У 1939 році Г. Бете вперше розглянув CNO-цикл як один із шляхів утворення гелію з водню в зірках. Особливість CNO-циклу полягає в тому, що він, починаючись з ядра вуглецю, зводиться до послідовного додаванню 4-х протонів з утворенням в кінці CNO-циклу ядра 4 He. Послідовність реакцій, спочатку запропонована Бете і К.-Ф. Вайцзеккером. має вигляд

12C + p → 13 N + γ
13 N → 13 C + e + + νе
13 C + p → 14 N + γ
14 N + p → 15 O + γ
15 O → 15 N + e + + νе
15 N + p → 12 C + 4 He.

Ядро 12 C в цьому циклі грає роль каталізатора синтезу ядер 4 He.
М. Бeрбідж. Г. Бeрбідж. В. Фаулер. Ф. Хойл в 1957 році дали наступний опис основних процесів зоряної еволюції (рис.13), в яких відбувається утворення атомних ядер.

Горіння водню, в результаті цього процесу утворюються ядра 4 He.
Горіння гелію. В результаті реакції 4 He + 4 He + 4 He → 12 C + γ утворюються ядра 12 C.
α-процес. В результаті послідовного захоплення α-частинок утворюються ядра 16 O, 20 Ne, 24 Mg, 28 Si ...
e-процес. При досягненні температури 5 х 10 9 K в зірках в умовах термодинамічної рівноваги протікає велика кількість різноманітних реакцій, в результаті чого утворюються атомні ядра аж до Fe і Ni. Ядра з A

60 - найбільш сильно пов'язані атомні ядра. Тому на них закінчується ланцюжок ядерних реакцій синтезу, що супроводжуються виділенням енергії.

s-процес. Ядра важче Fe утворюються в реакціях послідовного захоплення нейтронів. Подальший β - розпад підвищує порядковий номер утворюються атомних ядер. Інтервал часу між послідовними захопленнями нейтронів більше періодів β - розпаду.

r-процес. Якщо швидкість послідовного захоплення нейтронів набагато більше швидкості
β - розпаду атомного ядра, то воно встигає захопити велику кількість нейтронів і лише потім, в результаті послідовної ланцюжка β - розпадів, перетворюється в стабільне ядро. Зазвичай вважається, що r-процеси відбуваються в результаті вибухів наднових.

P-процес. Деякі стабільні нейтронодефіцитних ядра (так звані обійдені ядра) утворюються в реакціях захоплення протона, в реакціях (β -, n) або в реакціях під дією нейтрино.

X-процес. Механізм утворення легких ядер Li, Be, B в той час не був відомий. Утворившись в зірках, ці ядра повинні були інтенсивно руйнуватися в реакціях під впливом протонів. Сьогодні вважається, що ці ядра утворюються в результаті взаємодії космічних променів з космічним пилом. (Легкі ядра утворюються також на дозвездной стадії еволюції Всесвіту.)

Мал. 13. Основні етапи еволюції масивної зірки

Сол кінцевого нейтрино

Грунтуючись на сучасних уявленнях про еволюцію Сонця і складі сонячної речовини, можна стверджувати, що

98% сонячної енергії утворюється в результаті ланцюжків реакцій горіння водню. Виходячи з енергії, що виділяється в цих ядерних реакціях, можна розрахувати енергетичний спектр нейтрино, що утворюються на Сонце. Основний вихід нейтрино обумовлений реакцією p + p → d + e + + νе. Більшість нейтрино має енергію нижче 1 МеВ (див. Рис. 14). Ця обставина істотно з точки зору реєстрації нейтрино.

Мал. 14. Розрахований спектр сонячних нейтрино. Показані пороги реєстрації нейтрино різними методами.

У 1946 р Б. Понтекорво запропонував використовувати для детектування нейтрино реакцію (так званий "хлорний метод"):

νе + 37 Cl → e - + 37 Ar.

Ізотоп 37 Ar, що утворюється в результаті захоплення нейтрино, є радіоактивним і переходить в 37 Cl шляхом e - -захватил. Період напіврозпаду 37 Ar становить 35 днів. Поріг реєстрації нейтрино хлорним методом становить 0.814 МеВ, тобто хлорний метод не реєструє "протонні" нейтрино, що утворюються в реакції p + p → d + e + + νе. дає основний вихід сонячних нейтрино. Хлор-аргоновий детектор реєструє, головним чином, самі енергійні "борні" нейтрино, що утворюються на Сонці в реакції

Нейтрино, що утворюються в цій реакції складають лише 10 -4 всіх сонячних нейтрино, але вони самі енергійні і можуть реєструватися хлорним детектором.
Для реєстрації сонячних нейтрино в 1967 р Р. Девісом був сконструйований детектор, основу якого складає бак, заповнений 380 тис. Літрів чотирихлористого вуглецю (рис. 15). Для того, щоб зменшити фон космічного випромінювання, установка розміщувалася в спеціально створеній підземної лабораторії на глибині 1 490 м.

Мал. 15. Нейтринний детектор Девіса

В результаті експериментів Девіса було показано, що Сонце дійсно є джерелом нейтрино, тобто на Сонце протікають ядерні реакції синтезу гелію з водню. Однак спостережуваний потік сонячних нейтрино виявився приблизно в 3 рази менше, ніж передбачали стандартні моделі Сонця. Вимірювання, проведені на інших детекторах, побудованих пізніше, підтвердили цей результат. Зокрема галієвий детектор, який має більш низький поріг і здатний реєструвати "протонні" нейтрино, що утворюються в реакції

також показав дефіцит сонячних нейтрино. Результати Девіса викликали цілий потік різних пояснень. наприклад:

Недостатня точність стандартної моделі Сонця, зокрема, недостатнє знання змісту елементів і ізотопів, що входять до складу Сонця, а також температури всередині Сонця. Різні моделі стану речовини Сонця призводять до значної невизначеності в обчисленнях виходу нейтрино (потоки сонячних нейтрино в різних моделях Сонця узгоджуються в межах фактора два).
Перетину ядерних реакцій, що використовуються в розрахунках, відомі недостатньо добре.
Осциляції нейтрино. Електронні нейтрино, що випускаються Сонцем на шляху до Землі, перетворюються в мюонні і тау-нейтрино, що не реєструються хлорним і галієві детекторами. (Експеримент в Садбері)
Можливе наявність у нейтрино магнітного моменту

10 -11 μB (μB - магнетон Бора). Взаємодія левополярізованних нейтрино, що виходять з ядра Сонця, з магнітним полем її зовнішніх шарів може привести до перетворення частини цих нейтрино в правополярізованние, що не реєструються хлорним і галієві детекторами.

Протягом 30 років проблема сонячних нейтрино була однією з найбільш інтрігуюшіх загадок. На початку XXI стало ясно, що нейтрино осцилюють.

Схожі статті

Попередня ◈ Наступна