9. Походження та поширеність елементів в Сонячній системі.

Наше розуміння походження елементів базується на 3 наборах спостережень (уявлень): (1) поширеність ізотопів і елементів в космосі, (2) ядерно-фізичні експерименти по встановленню ймовірності реалізації різних типів ядерних реакцій за даних умов, і (3) дані про можливі місця здійснення нуклеосинтезу та у мови які там панують.

Вирішення проблеми походження хімічних елементів належить до числа "вселенських", оскільки воно тісно пов'язано з визначенням моделі походження Всесвіту. Історично всі гіпотези щодо походження елементів грунтувалися на 2 основних концепціях:

1. елементи народжуються в надрах зірок

2. елементи утворюються в дозірковий етап розвитку речовини Всесвіту

Елементи народжуються в надрах зірок.

Зародження зірок відбувається при виникненні гравітаційної нестабільності в міжзірковому газі який заповнює міжзірковий простір. При гравітаційному колапсі виділяється енергія, що обумовлює підвищення температури і густини газу. При цьому зростання тиску у внутрішній частині спричиняє припинення нестабільного стискування. Зростаюча температура досягає критичної величини за якої розпочинаються термоядерні реакції в середині молодої зірки, а виділена енергія частково випромінюється з поверхні.

Таким чином, на першій стадії стискування швидко зростає яскравість зірки, але температура поверхні залишається відносно стабільною. На наступному етапі стискування продовжується (в тому числі за рахунок вигорання водню в середині зірки), але з меншою швидкістю, при цьому зростають і світимість і температура на поверхні. В ході еволюції відмічається багато стадій зростання температури, які супроводжуються стискуванням ядра при збереженні балансу енергії (шляхом зміни загального об’єму та світимості зірки).

“Білі карлики” отримують енергію за рахунок попередніх ядерних реакцій та гравітаційної потенціальної енергії (за рахунок вивільнення енергії при стисканні). На етапі “червоних гігантів” зірки випромінюють від 10^-7 до 10^-4 своєї маси в рік (Сонце випромінює близько 10^-14 своєї маси в рік), тривалість перебування зірок в цій фазі не перевищує 10⁸-10⁶ років (вірогідний час вступу сонця в цю фазу розвитку - через 5 млрд. років, тоді діаметр нашого світила таки що він поглине орбіту Землі).

Гіпотеза утворення елементів в надрах зірок передбачає наявність в їх надрах 8 типів ядерних процесів.

1. "Вигорання" H в результаті:

а) протон-протонної реакції

б) або вуглецево-азотного (CN) циклу (цикл Бете) та подвійного CNO-циклу

В обох процесах відбувається перетворення H в He (при температурі 8*10⁶К - за іншими оцінками - від 5*10⁶К до 5*10⁷К)

2. Вигорання He

Для утворення елементів з більшою масою необхідно щоб відбувалося горіння гелію, яке й відбувається коли вигорає певна кількість водню і ядро знову стискається (густина досягає 10⁸ кг/м³, а температура - 10⁸К). В результаті зіткнення двох a-часток утворюється ⁸Be (період піврозпаду 2,6*10^-16 с) що уможливлює реакцію типу ⁸Be(a,g)¹²С, крім того достатньо вірогідною є реакція 3a -> ¹²C. При цих реакціях неможливе утворення стабільних ядер Li, Be, B як кінцевих продуктів реакції.

З появою у внутрішній частині зірки стабільних ядер ¹²C стають можливими реакції:

¹²C(a,g)¹⁶O, з виділенням енергії 7,2 МеВ;

¹⁶O(a,g)²⁰Ne, з виділенням енергії 4,7 МеВ;

²⁰Ne(a,g)²⁴Mg, з виділенням енергії 7,2 МеВ;

Народження ядер з більшим масовим числом в даному випадку (при температурі 10⁸К) неможливе у зв’язку із швидким зростанням кулонівського бар’єру. Водночас, завдяки існуванню (цикл Бете) певної кількості ядер ¹⁴N, обумовлює можливість утворення (по механізму захоплення альфа-часток) ядер ¹⁸O і ²²Ne.

3. Горіння вуглецю (подальше горіння)

В кінці стадії горіння гелію знову відбувається гравітаційне стискування та зростання температури, за якої починається горіння вуглецю (за різними оцінками температура від 8*10⁸К до 1,6*10⁹К) та кисню (температура понад 1,6-2,0*10⁹К).

Тут відбуваються реакції:

• ¹²C(¹²C,p)²³Na та ¹²C(¹²C,a)²⁰Ne;

• вивільнені протони поглинаються любим вільним ¹²C: ¹²C(p,g)¹³N -> ¹³C + e⁺ + n_e;

• утворення; послідовного ряду елементів з раніше утворених ядер ¹²C, ¹⁶O, ²⁰Ne та новоутворених альфа-часток (необхідна температура близько 16*10⁸К):

¹⁶O-> ²⁰Ne-> ²⁴Mg-> ²⁸Si-> ³²S-> ³⁶Cl-> ⁴⁰Ca-> ⁴⁴Sc-> ⁴⁸Ti

4. Рівноважний процес (температура близько 4*10⁹К) за якого утворюються елементи в області "залізного піку", тобто V⁵⁰, Cr⁵², Mn⁵⁴, Fe⁵⁶, Co⁵⁶, Ni⁵⁸

5. s-процес (slow - повільний) - ланцюгова реакція з захопленням нейтронів, достатньо повільна для розпаду певної кількості бета-активних ядер перед черговим захопленням нейтрону, в результаті якого утворюються ядра до Bi²⁰⁰.

p -> n + e⁺; n -> p + e^-; або n <-> p + e^- + n_e + E;

Цей процес відігравав важливу роль в синтезі елементів речовини Сонячної системи.

6. r - процес (rapid - швидкий) - швидка (<100с) ланцюгова реакція з захопленням нейтронів, в результаті якої утворюються ядра U, Th, Np, Pu - аж до Lr.

7. p - процес. Реакції типу (p, g) і (g, n) при температурах близько 10⁹K з вже існуючими важкими ізотопами, в результаті яких утворюються деякі рідкісні багаті протонами важкі ізотопи.

8. x - процес. Він необхідний для утворення ядер дейтерію, Li, Be і B, які дуже нестійкі в умовах зоряних надр.

Які існують докази реальності перелічених вище процесів:

• для багатьох зірок характерні перетворення H -> He;

• в зірках невеликих розмірів синтезуються легкі елементи початку періодичної системи;

• важкі атомні ядра утворюються на певних (катастрофічних) етапах життя гігантських наднових зірок;

скоріш за все в моменти вибуху гігантських наднових синтезуються ядра надважких елементів типу ₉₈Cf²⁵⁴

В зірках. маса яких в 10-50 раз більша за Сонячну (наприклад червоних гігантах) H "вигорає" швидше і зірка, вичерпавши ядерну енергію, починає стискатися, при цьому густина зіркової речовини і її температура починають рости. В цих умовах 3 ядра He можуть об'єднатися в ядро ₆⁶C¹². В надрах цих же зірок утворюються більш важкі елементи - O, Ca, Mg, ... аж до Fe.

Утворення елементів, важчих за Fe, відбувається в багатому нейтронами зірковому середовищі. Джерелами нейтронів є вибухи зірок. Поглинання ядрами Fe нейтронів з наступним бета-розпадом призводить до формування Co, Ni і більш важких елементів (аж до U). Різноманітність елементів визначається не тільки кількістю нейтронів, але й швидкостями їх приєднання до ядер атомів.

Елементи утворюються в дозірковий період.

Полігеннетична теорія «гарячого» Всесвіту об’єднала досягнення шкіл, які сперечалися.

Полігенетична гіпотеза передбачає існування чотирьох фаз нуклеосинтезу:

• космогенічний (космологічний) нуклеосинтез, який відбувся "на початку Всесвіту", під час якого сформувалися H, He, і певна кількість Li (те що гелій є головним продуктом нуклеосинтезу у внутрішніх частинах зірок головної послідовності не надто сильно змінило його кількість у Всесвіті);

• зоряний нуклеосинтез, під час якого формуються легкі елементи (до Si) і, частково (у внутрішніх частинах великих зірок на завершальних етапах їх еволюції), важкі елементи (за виключенням Li і Be);

• "вибуховий" нуклеосинтез, який забезпечує синтез решти елементів, відбувається тоді коли як великі зірки вичерпують ядерне паливо у своїх внутрішніх частинах і вибухають створюючи грандіозні природні видовища - наднові зірки (supernova);

• галактичний нуклеосинтез, який відбувається безперервно в міжзоряному просторі при взаємодії матерії і космічних променів (саме таким чином виробляються Li і Be).

Цілком вірогідно також, що більша частина газу розширюючогося Всесвіту заповнює простір між галактиками і лише незначна його частка перетворилась в галактики і зірки. Якщо густина космічного міжгалактичного газу досягне >10 протонів на м³, то сили тяжіння зупинять розширення Всесвіту і через 10-20 млрд.років може розпочатись процес стискання Всесвіту.