Вселенная и образование изотопов химических элементов
Скачать 0.95 Mb.
|
Первичный нуклеосинтез. В процессе первичного нуклеосинтеза образуются элементы не тяжелее лития. Стандартная модель Большого Взрыва предсказывает следующее соотношение элементов: H – 75 %, 4He – 25 %, D – 3×10-5, 3He – 2×10-5, 7 Li – 10-9, что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Как уже отмечалось, важную роль в ранней Вселенной играло излучение. Это излучение имеет тепловой спектр, и его интенсивность U можно характеризовать температурой Т согласно соотношению U = aT4, где а – постоянная излучения. По мере продвижения к начальному этапу температура излучения растет по закону Т = Тр(1 + Z ), где Тр – температура излучения сегодня и Z – величина, соответствующая красному смещению. Для раннего периода, когда излучение доминировало, существует простое соотношение между температурой Т и временем t, прошедшим с момента Большого взрыва:  Время t здесь выражено в секундах, а температура Т – в кельвинах. Эта постоянная имеет величину порядка единицы и зависит от состояния вещества и излучения во Вселенной. Если положить α = 1, то, согласно этому соотношению, спустя 1 с после Большого взрыва температура излучения во Вселенной была 1010 К. При такой температуре в ранней Вселенной, состоящей из электронов, позитронов, нейтрино, антинейтрино, нейтронов, протонов и фотонов, могли образоваться различные ядра, начиная с дейтронов и кончая гелием. Более тяжелые ядра, такие, как ядра углерода, кислорода и т.д., могли синтезироваться лишь в ходе термоядерных реакций в звездах. Причина этого заключается в том, что есть некоторый интервал неустойчивости легких ядер, расположенных около ядра лития, и этот интервал не удается преодолеть в ходе первичного нуклеосинтеза. Поэтому синтез в раннюю эпоху останавливается на стадии образования гелия. Полагают, что одной из первых реакций, приводящей к образованию тяжелых ядер, является реакция n + p  Как показали расчеты, эта реакция идет при температуре Т = 9 ∙109 К, что соответствует соотношению нейтронов и протонов во Вселенной Nn / Np = 0,2 и времени ~ 3 с. При этих условиях дейтерий образуется в достаточном количестве для производства ядер с массой 3 в реакциях d + n  3H + γ, d + p 3Hе + γ или d + d 3H + p, d + d 3Hе + n и окончательно 4Не может образоваться в результате реакций 3H + p 4Не + γ, 3Hе + n 4Hе + γ. Так как не существует стабильной массы 5, то 4Не является последним ядром в начальном этапе нуклеосинтеза. В принципе он мог бы образовать более тяжелые ядра (А = 7) в результате реакций: 4Не + 3H 7Li + γ, 4Не + 3He 7Bе + γ, но кулоновский барьер для этих реакций около 1 МэВ, тогда как ядра при температуре Т = 9∙108 К имеют кинетическую энергию только 0,1 МэВ. Звездный нуклеосинтез. В процессе эволюции Вселенная постоянно обогащается все более тяжелыми химическими элементами. На стадии главной последовательности звезда излучает энергию, которая поставляется ядерными реакциями, превращающими водород в гелий, гелий в углерод и так далее. В звездах на этой стадии и происходят все типы ядерных реакций, приводящих к образованию всего спектра химических элементов, причем звезды, проходя по диаграмме путь слева – сверху, вправо – вниз, накапливают все больше тяжелых элементов (рисунок 1.3.5).  Рисунок 1.3.5 Распространенность нуклидов относительно Si в зависимости от массового числа (выбраны такие единицы, в которых распространенность Si равна 106). Нуклеосинтез во Вселенной. Ядерные реакции в звездах. На рисунке показана относительная распространенность элементов на Земле, в метеоритах, на Солнце, и в звездах (Ишханов, Б.С., Кэбин, Э.И., 2000) Распространенность химических элементов во Вселенной определяют разными способами – по спектру излучения звезд, путем химического элементарного анализа земных и космических образцов (метеоритов, лунных образцов). Полученная таким образом кривая распространенности элементов показана на рисунке 1.3.5. Кривая имеет максимумы для группы кремния и группы железа, после чего кривая распространенности распадается на две ветви: одна включает нейтронообогащенные изотопы и характеризуется тремя двойными пиками вблизи магических чисел N = 50, 82 и 126, а вторая включает менее распространенные обогащенные протонами изотопы. Одной из ступеней нуклеосинтеза являлось образование 12С. Как было показано, углерод может быть образован в результате реакции 4Не + 8Be 12C + γ. Однако ядро 8Be является нестабильным по отношению к распаду на две α-частицы и живет 10-16 с. Между тем при температуре, близкой к 108 К, и плотности порядка 105 г/см2 три ядра 4Не могут образовать ядро 12С в результате двухступенчатой реакции 4Не + 4He → 8Be + 4He → 12C + γ, вторая часть которой носит резонансный характер. Эта реакция позволяет объяснить существование углерода, а с ним и других наблюдаемых изотопов. На каждой стадии слияния ядер, инициируемых взрывами внешней оболочки звезд, образуются всё более тяжелые ядра 4Не, 12С, 16О, 28S, 56Fe. При этом процессы образования сопровождаются и процессами распада этих ядер (рисунок 1.3.5). В этом случае в наиболее благоприятных условиях находятся изотопы, имеющие наибольшую стабильность (энергия связи на нуклон максимальна). К таким относятся ядра в области А ≈ 60. Это объясняет повышение содержания ядер группы железа. Несколько иной механизм образования ядер тяжелее железа − это последовательные реакции радиоактивного захвата нейтронов элементами группы железа.  Рисунок 1.3.6 Кривая распространенности химических элементов. Верхняя кривая с двойными (r- и s-) пиками соответствует нейтроноизбыточным, нижняя (p-) – протоннообогащенными (Пенионжевич, Ю.Э., 1998, http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390) На рисунке 1.3.6 представлена распространенность химических элементов во Вселенной, определенная разными способами: по спектру излучения звезд, путем химического анализа земных и космических образцов (метеоритов, лунных образцов). Наличие двойных пиков в кривой распространенности элементов свидетельствует о двух различных процессах захвата нейтронов − r- и s-процессах. Эти два процесса соответствуют различным нейтронным плотностям. В случае малых плотностей нейтронов (s(slow)-процесс) при радиационном захвате (A, Z) + n (A + 1, Z) + γ образуется изотоп с массой на единицу больше, чем масса ядра мишени. Если конечное ядро (A + 1, Z) стабильно, то на нем также может произойти радиационный захват с образованием нового изотопа (A + 2, Z). При малых потоках ядро (A + x, Z) распадается раньше, чем поглотит нейтрон. Железный пик – локальный максимум на графике распространённости химических элементов в районе железа (от скандия до никеля) (рисунок 1.3.7). Закономерности энергии связи ядер таковы, что до ядер железного пика энергетически выгодны реакции синтеза, а после – деления. В результате в звёздах синтезируются все элементы до железного пика, но не после. Элементы с атомным номером больше 26 синтезируются при взрывах сверхновых звезд. Поэтому в космосе оказывается сравнительно больше этих элементов, чем соседних. В основном оно распадается путем β-рас0пада, в результате которого образуются новое ядро (A + x, Z + 1) или же целая цепочка ядер, заканчивающаяся на ядре, время жизни которого будет достаточно большим для того, чтобы произошел новый радиационный захват. Этот процесс повторяется многократно и приводит к образованию нейтронодефицитных ядер с массой до 200. После этого ядра с большой вероятностью делятся, что прерывает s-процесс. При больших плотностях нейтронов (r(rapid)-процесс) ядро (A + x, Z) поглотит нейтроны раньше, чем распадется, и происходят новые радиационные захваты. Это происходит до тех пор, пока цепочка захватов не дойдет до изотопа с очень малым периодом полураспада.  Рисунок 1.3.7 Железный пик (Fe) на графике распространённости химических элементов. Распространённость показана по сравнению с распространённостью кремния (пунктирная линия). Значения распространённости усреднены по двум соседним точкам для сглаживания. По горизонтальной оси отложен атомный номер (http://ru.wikipedia.org/wiki/Железный_пик) На рисунке 1.3.8 показаны цепочки r- и s-процессов образования изотопов из ядра 56Fe. Подтверждением существования r- и s-процессов является повышенное содержание изотопов при N = 50, 82 и 126. Экспериментально показано, что распространенность элементов обратно пропорциональна полным сечениям захвата нейтронов. Для ядер с магическими числами (50, 82, 126) это сечение на несколько порядков ниже, чем для других соседних ядер. С точки зрения ядерной физики этот результат является проявлением магических чисел. Для астрофизики это доказательство существования s-процесса.  Рисунок 1.3.8 Цепочки быстрого и медленного захвата нейтронов (r- и s-процессы) для ядра 56Fe. Точечные стрелками представлены альтернативные каналы образования 65Сu (Пенионжевич, Ю.Э., 1998, http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390) Существование оболочки с числом протонов Z = 114 и соответственно повышение стабильности сверхтяжелых ядер вблизи дважды магического ядра 298114 (114 протонов и 184 нейтрона) было предсказано. Расчеты, проведенные по оболочечной модели, показали возможность существования такого сверхтяжелого ядра с периодом полураспада до ~108 лет. Хотя точность таких расчетов невелика и они скорее носят качественный характер, последние опыты по синтезу тяжелых изотопов 110-го элемента (272110) показали, что наблюдается повышение стабильности сверхтяжелых ядер по отношению к α-распаду (Пенионжкевич, Ю.Э., 1995), что является дополнительным подтверждением возможного существования сверхтяжелых ядер вблизи Z = 114. Вместе с тем активные поиски в природных объектах (космических лучах, материалах, лунных образцах, концентратах тяжелых химических элементов земных образцов) не дали положительного результата (Флеров, Г.Н., Ильинов, Ф.С., 1977). Сейчас готовится несколько экспериментов на ускорителях в Дубне и Дармштадте (Германия), направленных на искусственный синтез сверхтяжелых элементов в ядерных реакциях с тяжелыми ионами, но естественно с меньшими временами жизни. Возможно в ближайшее время, наверное, будет дан ответ на вопрос существования сверхтяжелых элементов (Пенионжевич, Ю.Э., 1998, http://nature.web.ru/db/msg.html?mid=1197390). 07.04.2010 получен 118 химический элемент. Говоря о проблеме звездного нуклеосинтеза, нельзя также не упомянуть о некоторых процессах, происходящих в звездах и в том числе на Солнце, которые существенно меняют начальную распространенность элементов. В первую очередь это относится к так называемому CNO-циклу, в котором углерод, азот и кислород играют роль катализатора в образовании 4p 4Не (рисунок 1.3.9). Легкие нуклиды 6Li, 7Li, 9Be, 10B, 11B характеризуются более низкой распространенность и стабильностью по отношению к He, C, N, O и не могут образовываться в процессе обычного нуклеосинтеза в недрах звезд, так как они легко разрушаются 6Li(p, 3He)4He; 7Li(p, γ)8B → 24He; 9Be(p, 4He)6Li; 10B(p, 4He)7Be; 7Be(e-, ν)7Li; 11B(p, γ)34He. На сегодняшний день общепризнанной гипотезой образования легких ядер являются реакции скалывания – реакции деления ядер C, N, O при столкновении с ядрами H и He либо в космических лучах, либо космических лучей с атомами межзвездных газовых облаков (Рыжов, В.Н., 2000). После истощения запасов водорода в ядре звезды в результате p-p- или CNO-циклов он продолжает гореть в слое, который окружает это гелиевое звездное ядро. Масса гелиевого ядра постепенно увеличивается, гравитационные силы в то же время сдавливают ядро звезды, повышая его плотность и температуру. Оболочка звезды, напротив, сильно расширяется, приспосабливаясь к увеличивающейся поверхности звезды, температура поверхности звезды падает. Звезда сходит с главной последовательности диаграммы «спектр-светимость» и превращается в красный гигант (Рыжов, В.Н., 2000). Согласно современным научным представлениям, практически все химические элементы образовались и образуются в результате процессов, происходящих в звездах, что приводит к эволюционным изменениям состояния звезд. Поэтому проблема образования нуклидов тесно связана и с вопросами эволюции звезд. Таким образом, нуклеосинтез – это совокупность многих сложных процессов может происходить:
Интерес к проблеме нуклеосинтеза не ослабевает. В настоящее время изучаются механизмы формирования изотопной гетерогенности первичного вещества в ударных волнах. Исследование изотопных аномалий и причин изотопной гетерогенности первичного вещества стало актуальнейшей проблемой современной космохимии. Ускорение в ударных волнах приводит к высоким интегральным потокам ядерноактивных частиц, к жесткому энергетическому спектру частиц и к обогащенности спектра тяжелыми ионами. Все это сказывается на скоростях образования и соотношения изотопов (Фаулер, У.А., 1985; Вассербург, Г.Дж., Папанастасиу, Д.А., 1986; Устинова, Г.К., 1997; 1998; 2002). |
Похожие:
 | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Знаки химических элементов | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Инструктаж по технике безопасности при работе в химическом кабинете. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева.... |
 | Реферат Этимология названий химических элементов Периодической системы... Этимология названий химических элементов Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева | | Экзаменационные вопросы «Правила по охране труда при использовании... Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых... |
| Твоя Вселенная, 2 Рабочая программа учебного курса «Твоя Вселенная» составлена на основе авторской программы Левитана Е. П. «Твоя Вселенная, 2» изданной... | | Хорошавин Лев Борисович Докт техн наук реферат Периодической системе элементов, но и дополнительно по кластерам химических элементов, определять прогнозные свойства новых элементов... |
| Предмет: Химия Класс: 8 Тема: Виды химической связи Цель урока: Задачи:... Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Закрепить знания учащихся: по владению символами химических элементов, определению простых и сложных веществ, по составлению химических... |
| Внеклассное мероприятие для учащихся 8 классов «Веселые старты» (Соединения... Цель мероприятия: в игровой форме проверить степень усвоения учащимися основных понятий темы «Соединения химических элементов», сделать... | | Закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева... Разработка плана-конспекта урока «Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева» |
| Литература: Популярная библиотека химических элементов Издательство «Наука» Традиционно (в учебниках) элементы подразделяют на группы по их свойствам, но в некоторых случаях, например, при знакомстве с ними... | | Е. Н. Салыгин (фамилия, инициалы) Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых... |
| Протокол №4 от 28. 04. 09 /Рожков А. А./ руководитель мо /Тюпина Г. А Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Образование системы понятий о веществе при изучении периодического закона и периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева,... |
| Вопросы к экзамену по дисциплине «Химия» Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых... | | Сосуды работающие под давлением Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Закономерности изменения свойств элементов малых... |
