к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Нуклеосинтез

Нуклеосинтез (от лат. nucleus - ядро и греч. synthesis - соединение, составление) в природе - образование в ядерных реакциях, происходящих на разл. стадиях эволюции вещества Вселенной, наблюдаемой распространённости элементов и их изотопов. Проблема Н. - это проблема происхождения хим. элементов. Н. можно разделить на три гл. стадии: космологич. Н., синтез ядер в звёздах и во взрывах звёзд, Н. под действием космич. лучей.
Космологич. Н. - это синтез ядер на раннем этапе (до образования звёзд) эволюции вещества во Вселенной. Согласно горячей Вселенной теории, атомные ядра, более сложные и тяжёлые, чем протон, стали образовываться через15004-6.jpg 100 с после начала расширения Вселенной, когда в достаточно горячем веществе, содержавшем протоны и нейтроны, при температуре Т ~109 К начали протекать термоядерные реакции синтеза самых лёгких элементов - дейтерия, трития и гелия:
15004-7.jpg

Стандартная горячая модель хорошо объясняет наблюдаемое обилие (относит. содержание) первичного (т. е. возникшего на этом этапе эволюции Вселенной) 4Не в астрофиз. объектах (15004-8.jpg22% по массе). Однако образование более тяжёлых ядер на ранней стадии расширяющейся Вселенной становится невозможным, т. к. уменьшение температуры и плотности вещества ограничивает реакции синтеза и не позволяет преодолеть т. н. щели в спектре масс атомных ядер при массовых числах А = 5 и 8, обусловленные отсутствием в природе стабильных нуклидов 5Не, 5Li, 8Be. Образование следующих за гелием элементов связано с более поздними этапами эволюции Вселенной.
Большинство известных хим. элементов возникло через миллиарды лет после начала расширения Вселенной - в эпоху существования звёзд, галактик и космич. лучей. Происхождение дейтерия, лития, бериллия, бора в общей проблеме Н. представляет самостоят. интерес, т. к. эти элементы легко разрушаются в термоядерных реакциях (их равновесные концентрации малы), и поэтому их эфф. "производство" возможно лишь в неравновесных процессах. Такие неравновесные процессы предполагаются в рамках нек-рых моделей космология. Н., напр. образование дейтерия в реакции 4Не с антипротонами:15004-9.jpg Однако наиб. распространённым является представление о динамичном образовании лёгких элементов с помощью реакций скалывания при взаимодействии галактич. космических лучей с межзвёздной средой: быстрые протоны и альфа-частицы в составе космич. лучей бомбардируют ядра тяжёлых элементов межзвёздной среды и Солнечной системы, вызывая их расщепление на лёгкие ядра; быстрые ядра углерода, азота, кислорода в составе космич. лучей, взаимодействуя с межзвёздными ядрами водорода и гелия, также могут расщепиться на ядра лёгких элементов. Расчёты показывают, что эти ядерные реакции могут производить наблюдаемые обилия 6Li, 9Be, 10В. Трудности возникают лишь при объяснении необычного изотопного состава Li и В (резко выраженное преобладание нечётных изотопов), а также при объяснении "производства" D и 3Не, к-рые в указанных выше механизмах разрушаются явно быстрее, чем создаются. Эффективным дополнит, источником синтеза лёгких элементов, кроме космич. лучей, могут служить взрывы сверхновых звёзд. Распространение ударной волны во внеш. оболочках сверхновой и последующее охлаждение могут привести к реакциям синтеза15004-10.jpg,15004-11.jpg, а реакции скалывания на ядрах углерода, азота и кислорода, инициированные ударной волной, производят ядра Li, Be, В.
Происхождение подавляющего большинства изотопов тяжёлых хим. элементов, начиная с углерода и кончая долгоживущими трансактиниевыми нуклидами (а возможно, и сверхтяжёлыми), обязано синтезу ядер в звёздах и во взрывах звёзд. Ядра элементов от углерода до никеля образуются в недрах звёзд в условиях высокой температуры в реакциях термоядерного синтеза. Ядра более тяжёлых элементов образуются, скорее всего, в массивных звёздах и во взрывах звёзд в результате последоват. реакций захвата нейтронов. Ядерный синтез в звёздах можно разделить на "статический" Н. (синтез ядер на равновесной гидростатич. стадии эволюции звёзд) и взрывной нуклеосинтез (синтез ядер при взрывах звёзд). К механизмам статич. Н. прежде всего следует отнести водородный цикл и углеродно-азотный цикл в звёздах гл. последовательности (см. Герцшпрунга - Ресселла диаграмма ),к-рые обеспечивают превращение водорода в гелий, создавая нек-рый избыток гелия и азота по отношению к их первичному содержанию. Образование углерода и кислорода происходит на той стадии эволюции звёзд-гигантов (см. Эволюция звёзд ),когда в их недрах полностью выгорает водород и начинается горение гелия. При температурах, соответствующих этому процессу (Т ~ 108 К), эффективно протекают ядерные реакции синтеза:
15004-12.jpg

При более высоких темп-pax (Т ~ 109 К) становятся возможными реакции горения углерода и кислорода с образованием изотопов элементов от неона до кремния. Во взрывном Н. сеть ядерных реакций (рис. 1), протекающих при Т ~ 3 х 109 - 1010 К в условиях термодинамич. равновесия (т. н. е-процесс), приводит к образованию железа и соседних с ним элементов в области "железного пика" (максимума на кривой распространённости нуклидов вблизи А = 56). В верх. половине рис. (слева) стрелками показаны ядерные превращения, происходящие в результате взаимодействия ядер с гамма-квантами, нейтронами, протонами и альфа-частицами (направления стрелок соответствуют перемещениям ядер по диаграмме в результате указанных реакций). Стрелки с символами15004-14.jpg,15004-15.jpg, е соответствуют перемещениям по диаграмме в результате15004-16.jpg,15004-17.jpg-распадов и электронного захвата е. Кривыми показаны пути ("каналы") реакций "горения" гелия ( * ), углерода и кислорода (12С+12С, 12С + 16О, 16О + 10О) с испусканием протонов (р), нейтронов (п), дейтронов (d) и альфа-частиц (15004-18.jpg).

15004-13.jpg

Ядра железа характеризуются макс энергией связи на нуклон, поэтому образование элементов тяжелее железа объясняют процессами, существенно отличными от реакций термоядерного синтеза, - процессами захвата нейтронов. Различают два вида реакций захвата ядрами нейтронов, к-рые протекают в астрофиз. объектах: s-процесс - медленный захват нейтронов, при к-ром образовавшиеся неустойчивые ядра распадаются раньше, чем успеет присоединиться следующий нейтрон; г-процесс - быстрый последоват. захват большого кол-ва нейтронов, опережающий бета-распад .Пути нейтронного захвата в этих процессах показаны на рис. 2. Медленный нейтронный захват развивается вдоль линии стабильности ядер (область на диаграмме Z - N, занятая стабильными ядрами) при умеренных концентрациях свободных нейтронов (~107 - 108 см-3). Положение дорожки (трека) s-процесса зависит от сечений нейтронного захвата при энергиях нейтронов15004-20.jpg 30 кэВ и от свойств ядер в полосе стабильности. Этот процесс приводит к синтезу изотопов мн. тяжёлых элементов вплоть до 209Bi. Осн. звено в цепи s-процесса - нейтронный захват с последующим15004-21.jpg-распадом - хорошо моделируется в эксперименте, и большинство ядерных параметров, необходимых для расчёта s-процесса, можно изучать в лаб. условиях. Особенно важны в этом отношении измерения сечений нейтронного захвата15004-22.jpg при энергиях нейтронов, соответствующих звёздным температурам (15004-23.jpg ~ 30 кэВ). Имеющиеся эксперим. данные по сечениям15004-24.jpgв этой области энергий подтверждают осн. вывод теории s-процесса: выходы ядер в установившейся цепи s-процесса для малых областей изменения массового числа обратно пропорциональны ср. сечениям нейтронного захвата. Астрофиз. место (т. е. астрофиз. объекты или области внутри них, где возможен процесс) s-процесса должно обладать температурой Т > 108 К, достаточной для осуществления ядерных реакций, освобождающих нейтроны с плотностью потока ~1015 - 1016 см-2 с-1 и длительностью облучения ~103 лет. В качестве источников таких нейтронов были предложены реакции15004-25.jpg15004-26.jpg протекающие в недрах красных гигантов при горении гелия и при попадании водорода в области, содержащие гелий и углерод:15004-27.jpg15004-28.jpgтакже15004-29.jpg15004-30.jpg Возможен импульсный нейтронный захват, приводящий к образованию тяжёлых ядер в недрах звезды за счёт периодически повторяющихся вспышек её гелиевой оболочки, перемешивающих водород и углерод и обеспечивающих необходимую высокую температуру. Этот импульсный механизм создаёт условия протекания s-процесса для широкого класса звёзд средних и больших масс - от 315004-31.jpg до 1015004-32.jpg
Процесс быстрого нейтронного захвата, в отличие от s-процесса, развивается в области ядер, сильно обогащённых нейтронами (рис. 2). Положение трека r-процесса зависит от скорости15004-33.jpg-распада этих ядер, энергий нейтронов и от нач. условий процесса (температуры и концентрации нейтронов). Для протекания r-процесса необходимы высокие концентрации нейтронов (больше 1018 см-3) и достаточно большое обилие "зародышевых" (стартовых) ядер. Астрофиз. место r-процссса остаётся до конца не выясненным, хотя существует неск. моделей развития r-процесса в разл. взрывных звёздных явлениях. В классич. типе г-процесса добавление нейтронов идёт до тех пор, пока не установится равновесие прямой и обратной реакций15004-34.jpg В этот момент происходит15004-35.jpg-распад, увеличивающий заряд ядра на единицу и настолько же уменьшающий число нейтронов. Новое ядро (Z + 1, N - 1; Z - число протонов, N - число нейтронов в ядре) может опять захватывать нейтроны, пока не достигнет др. критич. точки - т. н. точки ожидания15004-36.jpg-распада. Образовавшиеся ядра, обогащённые нейтронами, по мере истощения нейтронного потока постепенно возвращаются к линии ядерной стабильности путём последоват.15004-37.jpg-распадов. Считается, что равновесный r-процесс может протекать вблизи сильнонейтронизованного ядра сверхновой звезды (см. Нейтронизация вещества ).Однако обсуждается и др. тип г-процесса, развивающийся во внеш. оболочках сверхновой при прохождении через них сильной ударной волны.
В этой модели дискуссионными являются вопросы происхождения достаточно больших потоков нейтронов и необходимого для осуществления г-процесса обилия зародышевых ядер. Протекание г-процесса приводит к образованию трансактиниевых нуклидов (232Th, 238U и др.). Поэтому временная шкала г-процесса должна быть достаточно длинной, для того чтобы успели синтезироваться эти нуклиды, и в то же время она должна соответствовать скорости взрывных процессов, развивающихся в течение неск. секунд. Результаты расчёта скоростей образования ядер r-процесса могут дать непосредств. ответ на принципиально важный вопрос, обсуждающийся более 25 лет, - возможен ли в природе синтез сверхтяжёлых элементов. Этот ответ во многом зависит от результатов исследования вклада процессов испускания нейтронов при бета-распадах (запаздывающие нейтроны) и деления, происходящего сразу вслед за15004-38.jpg-распадом. Для нейтронообо-гащённых ядер, находящихся на треке r-процесса, такие процессы особенно существенны.
Разделение Н. в реакциях захвата ядрами нейтронов на s- и r-процессы не является обязательным: не исключено, что нейтронный захват в астрофиз. объектах представляет собой сложную комбинацию этих процессов. Тем не менее такой подход позволяет объяснить осн. черты наблюдаемой распространённости нуклидов за "железным пиком". Пики распространённоти при А = 90, 138, 208 соответствуют резкому повышению выходов в цепи s-процесса стабильных ядер с магич. числами нейтронов соответственно N - 50, 82, 120. Точно так же пики распространённости нуклпдов при А = 80, 130, 195 соответствуют большим выходам на дорожке г-процесса нейтроноизбыточных нуклндов с теми же числами нейтронов N = 50, 82, 126 (рис. 2).

15004-39.jpg

Рис. 2. Пути нейтронного захвата в s- и r -процессах. r-Процесс рассчитан для начальных температур 1,8 х 109К и концентрации нейтронов 1028 см-3. "Задержка" присоединения нейтронов в sr-процессах происходит, когда и ядрах числа нейтронов N становятся магическими (N = 50, 82, 126). Этому соответствуют пики выходов нуклидов при массовых числах А, указанных на диаграмме наклонными линиями. Горизонтальными линиями показаны магические числа протонов, вертикальными - магические числа нейтронов. Направление15004-40.jpg-распада показано стрелками. Линия (n, f) соответствует ядрам, которые испытывают деление при присоединении нейтрона. Разрыв в полосе стабильности связан со спонтанным делением ядер. Деление обрывает г-процесс в области ядер с Z15004-41.jpg100, однако точная граница r-процесса неизвестна.

Многие стабильные изотопы тяжёлых элементов, начиная с селена (74Se, 78Kr, S4Sr и т. д.), оказываются в стороне от путей нейтронного захвата и не могут быть образованы в s- и r-процессах. Такие обеднённые нейтронами ядра с малой распространённостью получили назв. "обойдённые". Предполагается, что в их образовании существ. роль играют ядерные реакции захвата протонов (р,15004-42.jpg), (р, n) в звёздах, а также реакции фотоотщепления нейтрона (15004-43.jpg, n), реакции слабого взаимодействия
15004-44.jpg

и упоминавшиеся выше реакции скалывания. Проблема происхождения обойдённых ядер пока окончательно не решена. Не исключено, что гл. механизм их образования связан со взрывами сверхновых, в к-рых генерируются большие потоки нейтрино, вызывающие ядерные превращения типа v + (А, Z - 1)15004-45.jpg(A,Z) + е-.
Изложенные выше контуры теории Н. можно считать построенными. Теория успешно описывает гл. особенности кривой распространённости нуклидов в Солпечной системе. Однако остаются нерешёнными многочисл. проблемы, связанные с соотношением пиков наблюдаемых выходов, аномалиями в содержаниях нуклидов и элементов в разл. астрофиз. объектах, неоднозначностями в выборе астрофизического места процессов ядерного синтеза.

Литература по нуклеосинтезу

  1. Фаулер У. А., Экспериментальная и теоретическая ядерная астрофизика, поиски происхождения элементов, пер. с англ., "УФН", 1985, т. 145, с. 441;
  2. Ядерная астрофизика, пер. с англ., М., 1986;
  3. Крамаровский Я. М., Чечев В. П., Синтез элементов во Вселенной, М., 1987.

В. П. Чечев, Я. М. Крамаровский

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)


Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч километров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

НОВОСТИ ФОРУМА

Форум Рыцари теории эфира


Рыцари теории эфира
 25.09.2020 - 13:42: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
25.09.2020 - 13:41: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от О.Н. Четвериковой - Карим_Хайдаров.
25.09.2020 - 10:56: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ПРАВОСУДИЯ.НЕТ - Карим_Хайдаров.
25.09.2020 - 10:53: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
25.09.2020 - 10:53: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 20:03: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 20:00: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 19:57: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 06:24: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Пламена Паскова - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 04:57: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 04:52: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Александра Флоридского - Карим_Хайдаров.
24.09.2020 - 04:45: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution