1.2. Возникновение химических элементов1

1.2.1. Возникновение Вселенной

Большинство космологов полагает, что Вселенная возникла как плотный сгусток вещества и энергии, который начал расширяться примерно 18 млрд. лет тому назад. Образование элементов уходит своими корнями к Большому взрыву. Возникновение элементов в результате Большого взрыва впервые было обосновано Гамовым в 1946 г.

Во время Большого взрыва образовались легкие элементы, которые затем посредством ядерных реакций внутри звезд дали начало элементам с атомным номером 6 и выше (Озима, 1990).

Общая картина возникновения элементов может быть выражена следующей схемой:

1. «Горение» водорода. В процессе ядерного синтеза атомы водорода сливаются вместе, образуя атом гелия и высвобождая энергию:

4₁¹H→₂⁴He + 2β⁺ + 2γ + 2ν (процесс требует температуры 10⁷ – 10⁸ К)

2. «Горение» гелия происходит при температуре > 10⁸ K:

₂³He + ₂⁴He → ₄⁷Be + γ

₄⁷Be + ₁¹H → ₅⁸B + γ

₅⁸B → ₄⁸Be + β⁺ + ν

₄⁸Be + ₂⁴He →₆¹²С

₆¹²С + ₂⁴He →₈¹⁶О

1.2.2. Образование звезд

Водород и другие легкие элементы рассеялись во Вселенной и, сгруппировавшись, образовали звезды. Под действием собственной силы тяжести звезды начали постепенно сжиматься, что приводило к повышению температуры. Когда температура в центре каждой из звезд достигла нескольких миллионов градусов, атомы водорода объединились и образовали

атомы гелия, т.е. произошла реакция «горения» ядер. Затем возникли атомы C и других тяжелых элементов. Таким образом, элементарный состав Вселенной определяется ядерными процессами в звездах. Так, температура 10⁸ K возможна внутри звезды с массой равной массе нашего солнца. Внутри солнца постоянно идет процесс ядерных превращений:

₆¹²С + ₁¹H →₇¹³N + γ

₇¹³N→₆¹³C + β⁺ + ν

₆¹³С + ₁¹H →₇¹⁴N + γ

₇¹⁴N+ ₁¹H →₈¹⁵O+ γ

₈¹⁵O→₇¹⁵N + β⁺ + ν

₇¹⁵N+ ₁¹H →₆¹²C+ ₂⁴He

4₁¹H→₂⁴He + 2β⁺ + 2γ + 2ν

Эти реакции можно представить в виде автокаталитического цикла, известного как углеродный цикл Бете-фон Вайцзекера (рис. 1).

В звездах с большими массами температуры выше и там идут процессы

синтеза более тяжелых элементов. В звездах тяжелее солнца вдвое:

₄⁸Be + ₂⁴He → ₆¹²C

₆¹²C + ₂⁴He → ₈¹⁶O

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₄²⁸Si + ₂⁴He

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₅³¹P +₁¹H

₈¹⁶O + ₈¹⁶O → ₁₆³¹Si + ₀¹n

Звезды с массой 20 солнечных масс способны к синтезу всех элементов, вплоть до железа. Ядра Fe можно считать завершением термоядерных реакций. Железо (№ 26) имеет наиболее стабильное ядро. Каждый шаг ядерного синтеза от гелия до железа освобождает энергию и формирует более устойчивое ядро. С ходом времени количество водорода и гелия во Вселенной уменьшается, тяжелых элементов – возрастает. Ядра всех элементов после железа менее устойчивы, чем исходный материал, и не могут использоваться для образования энергии звезд. Элементы от № 27 (Mg) до № 92 (U) образуются, когда звезда истощает свое ядерное топливо, коллапсирует и взрывается как сверхновая. Ударная волна от взрыва сверхновой производит избыточную энергию, необходимую для синтеза элементов тяжелее железа.

Рис. 1. Углеродный цикл Бете-фон Вайцзекера.