КОСМИЧЕСКАЯ РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ Элементов. Происхождение химических элементов, ядерные реакции синтеза

Понятие “космической” распространенности

Расчетная относительная распространенность элементов во Вселенной названа “космической” распространенностью (КР). Распространенность элементов в космосе может рассматриваться как эталонный состав, при сравнении с которым можно оценить интенсивность процессов фракционирования элементов. К сожалению его нельзя точно определить, так как космос претерпел разделение на различные компоненты, такие как звезды, межзвездное пространство, планетарные тела. Состав звезд также изменяется в процессе эволюции звезд; изменение состава происходит и в процессе радиоактивного распада. Поэтому пользуются теми значениями распространенности, которые только приближаются к общему составу космоса.

Имеется пять возможных источников сведений:

Земля и Луна,

метеориты

Солнце и звезды

газовые туманности и межзвездная среда

космические лучи.

Химический состав Солнца, звезд и туманностей определяют путем спектрального анализа; эти данные относятся преимущественно к летучим элементам. В спектре солнечной атмосферы обнаружено 70 элементов. И эти данные отражают только поверхностные зоны звезд и зависят от их температуры. Сведения о нелетучих элементах базируются главным образом на исследованиях по метеоритам - углистым хондритам, поскольку Холвегер (1977) показал, что имеет место сходство между концентрациями тугоплавких элементов в углистых хондритах типа С1 и в солнечной атмосфере. За исключением Li, Be и B распространенность нелетучих компонентов Солнечной атмосферы соответствует таковой углистых хондритов. Предполагается, что хондриты представляют собой первичный материал, из которого сформировались планеты Солнечной системы (СС). Кроме того, для тяжелых элементов используются расчетные данные, основанные на гипотезах об образовании элементов.

Оценки КР постоянно меняются, но в целом они довольно близки и вероятно верны. Последние сводки КР сделаны Камеруном (1982) и Андерсом и Эбихарой (1982). Содержания приводятся в нормированном виде на 106 атомов Si.

Основные закономерности распространенности элементов в зависимости от атомного номера.

Из подобных таблиц и построенного на их основании графика распространенности элементов в зависимости от атомного номера (Z) следует:

1. чрезвычайно высокая распространенность H и He, они составляют 98%, а остальные в том числе планетообразующие элементы - только 2%.

2. общее снижение распространенности до Z=40-45 (приблизительно по экспоненциальному закону), затем кривая выполаживается,

3. очень низкая распространенность Li, Be и B и наоборот высокая Fe, Ni, Pb,

4. более высокая распространенность элементов с четными Z (правило Оддо-Гаркинса), а для отдельных изотопов с массовыми числами кратными 4.

Вышерассмотренные закономерности должны быть объяснены в любой теории происхождения элементов или нуклеосинтеза.

Происхождение химических элементов, ядерные реакции синтеза.

Согласно современным данным ядерной физики зарождение Вселенной было связано с Большим взрывом (БВ), который произошел 12.5-14 млрд.лет назад, в результате концентрации всей материи в небольшом объеме и ее переуплотнения. Современная теория предлагает модель происходящих процессов уже после 10^-43 сек после БВ. Момент синтеза протонов, нейтронов и мезонов наступил спустя 10^-6 сек после начала. Считается, что неравномерное очаговое охлаждение расширяющейся области БВ, заполненной плазмой водорода и гелия приводило к образованию огромных сгустков, давших начало ранним протозвездно-планетным системам и ранним звездам.

Локальные концентрации H и в меньшей степени He дали начало образованию звезд. Зарождение звезды происходит в результате возникновения гравитационной нестабильности в газе, заполняющем межзвездное пространство. При гравитационном коллапсе выделяется энергия, с ростом температуры и плотности растет давление во внутренней области. Растущая Т достигает точки, при которой начинаются термоядерные реакции. Это происходит в центральных областях молодой звезды.

Синтез ядер химических элементов происходит в звездах в результате реакций “горения”. Дейтерий является исходным веществом для образования последующих элементов. Реакция синтеза изотопа водорода:

n+p → ² ₁D (дейтерий) + υ (энергия)

1) Центр звезды нагрелся настолько, что началось горение H с образованием He. Стадия водородного горения в эволюции звезды называется стадией основной серии. Завершается она при полном расходовании H внутреннего ядра, что приводит к расширению внешней части и сжатию ее внутренней части. Продуктом этого процесса является красный гигант.

Основной продукт горения водорода - He, что объясняет его высокую распространенность:

² ₁D +p → ³₂He + υ, ³₂He +³₂He→⁴ ₂He + 2p+ υ

2) Сжатие обуславливает разогрев ядра до Т, достаточных для горения He с возникновением C и O, чем обусловлена их высокая распространенность:

⁴₂He + ⁴₂He + ⁴₂He -> ¹²₆C,

⁴ ₂He +⁴ ₂He +⁴ ₂He + ⁴ ₂He -> ¹⁶₈O.

Горение He не приводит к образованию Li, Be, B, так как синтез этих элементов не происходит в значительных количествах при Т, наблюдаемых внутри звезд. С этим связана их низкая распространенность.

3) При выгорании Не в ядре, оно сжимается, что высвобождает гравитационную энергию, которая приводит к дальнейшему нагреванию ядра звезды. Это в свою очередь приводит к возрастанию активности гамма-лучей, они приводят к удалению а-частиц из некоторых ядер, таких как Ne. Этот процесс назван а-процессом, результатом его является образование более тяжелых ядер вплоть до ⁴⁰Са. Это взаимодействие а-частиц (ядер Не) с ядрами Э приводит к образованию ²⁴Mg, ²⁸Si, ³²S и т.д.

¹⁶₈O +⁴₂He ->²⁰₁₀Ne, ⁰₁₀Ne +⁴₂He -> ²⁴₁₂Mg.

4) При дальнейшем сжатии после а-процесса и увеличения Т возникают термоядерные реакции в обстановке статистического равновесия. В этой обстановке интенсивнее образуются ядра с наиболее прочной связью. К ним относятся ядра элементов, группирующихся около 56Fe, чем и объясняется Fe-максимум. Данный процесс протекает в конце активной жизни звезды.

Горение Si – образование переходных элементов IV периода с доминирующим Fe.

5) Построение атомных ядер с масс. числом более 60 требует исключительно высоких температур, не реализуемых в недрах звезд, и происходит путем реакций нейтронного захвата при взрыве звезды (вспышки сверхновых). Синтез нуклидов тяжелее Fe происходит при реакциях нейтронного захвата либо медленных (S- процесс), либо быстрых (r- процесс) нейтронов. Эти процессы дают в результате наиболее радиоактивные изотопы. Реакции протонного захвата (p- процесс) приводят к образованию изотопов, обогащенных протонами, например 113 In.

Предсказываемые теорией нуклеосинтеза пути ядерных реакций в звездах в общем объясняют существование пиков и провалов, а также общей конфигурации спектра космической распространенности элементов.

Таким образом, распространенность элементов в космосе связана не с их химическими особенностями, а с их ядерными свойствами и определяется нуклеосинтезом, происходящим во внутренних частях звезд, поэтому она тесно связана с эволюцией звезд и галактик.

Распределение элементов в космосе изменяется со временем, так как эволюционирующие звезды излучают вещество в окружающее пространство. Хотя природа некоторых процессов нуклеосинтеза остается в значительной степени неопределенной, для теоретического объяснения распространенности большинства элементов наших знаний вполне достаточно [Хендерсон, 1985].