Походження елементів у Всесвіті

За розповсюдженістю елементів у Всесвіті перше місце займає водень ( від усіх атомів), друге – гелій ( ), всі інші елементи становлять близько 0,1%. Серед них найрозповсюджені: вуглець, кисень, кремній, залізо.

В таблиці показано історію Всесвіту:

Час	Епоха	Характерна подія
0	Сингулярність	Великий Вибух
10-43 с	Планківський момент	Народження частинок
10-6 с	Адронна ера	Аннігіляція протон-антипротонних пар
1 с	Лептонна ера	Аннігіляція електрон-позитронних пар
1 хв	Радіаційна ера	Ядерний синтез гелія та дейтерія
104	Ера речовини	Утворення елементів
…	…	Подальша еволюція

В перші 100 с Всесвіту відбувається синтез дейтерію та гелію за таким сценарієм:

1. - синтез дейтерію обов´язковий для подальшого синтезу гелію

2. - проміжні стідії

3. - утворення гелію (α-частинок)

Наступні процеси можуть відбуватися лише в зірках.

1. p-p-процес. Згорання водню.

- узагальнена реакція

- 99,6 % реакцій

- 0,4 % реакцій

…

2. Згорання гелію

- утворення вуглецю

3. CNO-цикл.

C NO-цикл можна зобразити наступним чином:

Наступні етапи: згорання кремнію, утворення заліза.

В зірках ядра Li, Be, B повинні під дією протонів інтенсивно руйнуватися, тому вважається, що ці ядра утворилися в результаті взаємодії космічних променів з космічним пилом.

Походження хімічних елементів у Всесвіті

Можна виділити 2 складові, що пояснюють утворення:

1. утворення легких елементів під час утворення Всесвіту(Великого вибуху)

2. утворення середніх і важких елементів в зірках(синтез)

92%- протони, 8%-гелій, 01%-інше.

При утвор. адрони (нейьрони і протони) з кварків при чрму матерія знаходиться у стані рівноваги. , -енергія зв’язку нуклонів в ядрі А.

. Для того, щоб утворився дейтерій треба .

Ці реакції відбуваються при високих температурах. При - слабка взаємодія вимирзає. При електрони і позитрони анігілюють.

- в зірках не напрацьовуються, тобто їх походження можна пояснити виключно подіями, що відбуваються під час утворення Всесвіту.

Далі , - процеси синтезу елементів зупинився.

При стисканні зірки відбувається її нагрівання , , .

. Фаза горіння гелію, триває міліони років. Весь вуглець вигорає і настає наступна фаза, залишається кисень.

Горіння кисню . 5 етап горіння кремнію .

Кількість нуклонів 56 – мах величина, яка може бути досягнена для ядер цих елементів.і

С интез елементів у Всесвіті проходить 3 різними щляхами. 1) Першопочатковий синтез ядер, що відповідає за утворення найлегших елементів. 2) злиття ядер в зірках, в результаті чого формуються елементи аж до заліза. Далі не можливий процес через велике кулонівське відштовхування за участю заряджених частинок. 3) -теорія реакції захоплення нейтрона і бета-розпад.В експерименті визначено поширення елем. в Сонячній системі спостерігається кілька подвійних максимумів:одна компонента яких лежить в області магічних чисел 50,82,126, а інша приблизно на 10-15 масових чисел нижче. Ця особливість відображає два різних механізми утворення важких елементів і саме вони мають знайти своє пояснення в теорії. Розуміння генезису важких елементів дає ключ у визначенні віку Всесвіту. Схаматичне зображення спостережуваного поширення елементів.Основні реакції в ланцюгу синтеза легких елементів1) 2) 3) 4) 5) 6)

Процес ядерного синтезу –синтез легких елементів мав місце в перші 3 хвилини після вибуху при . Всі і разом з легкими ядрами знаходились в стані теплової і хімічної рівноваги. Це означає, що поширеність ядра задається розподілом Больцмана.Друга область починається при , чи після 0,02с. В цей час відщеплюється від речовини і при 0,5МеВ проходить анігіляція електрона з позитроном. В цій же області швидкості слабких процесів менше шв. Розширення Всесвіту. Третій єтап починається при . На цій стадії практично всі нейтрони перетворюються в .Фази спокфійного гідростатичного горіння масивних зірок звичайний сценарій подальшого вибуху.

Якщо виходити із моделі гарячого Всесвіту(Гамов), Всесвіт був досить однорідним і мав колосальну густину і дуже високу температуру .Спочатку народжувалися кварки, глюони, лептони, а вже потім нуклони та іншу частинки.

В зірках згорає водень, перетворюючись в гелій.(водневий або протон-протонний цикл) . При цьому виділяється термоядерна енергія 26,7МеВ.

У більш яскравих зірок, має місце вуглицево-азотний цикл. .

19-20

Елементарні частинки, - це первинні частинки, тобто ті які вже не діляться, з яких, за припущенням, складається вся матерія.

Елементарні частинки сучасної фізики не задовольняють строгому визначенню елементарності, оскільки більшість з них за сучасними уявленнями є складними системами. Загальна властивість цих систем полягає в тому, що вони не є атомами або ядрами (виняток становить протон). Тому іноді їх називають суб'ядерними частинками.

Першою відкритою елементарною частинкою був електрон. Його відкрив англійський фізик Томсон у 1897 році.

Першою відкритою античастинкою був позитрон - частинка з масою електрона, але позитивним електричним зарядом. Це античастинка була виявлена у складі космічних променів американським фізиком Андерсоном у 1932 році.

У сучасному світі фізики в групу елементарних частинок складають більше 350 частинок, в основному нестабільних, і їх число продовжує зростати.

Якщо раніше елементарні частинки звичайно виявляли в космічних променях, то з початку 50-х років прискорювачі перетворилися на основний інструмент для дослідження елементарних частинок.

Найбільш важлива квантова властивість всіх елементарних частинок - це здатність народжуватися і знищуватися (випромінюється і поглинається) при взаємодії з іншими частинками. Усі процеси з елементарними частинками протікають через послідовність актів їх поглинання і випромінювання.

Всі елементарні частинки володіють гравітаційною взаємодією.

Сильна взаємодія елементарних частинок викликає процеси, що протікають з найбільшою в порівнянні з іншими процесами інтенсивністю і призводить до найсильнішого зв'язку елементарних частинок. Саме воно обумовлює зв'язок протонів і нейтронів у ядрах атомів.

Електромагнітна взаємодія відрізняється від інших участю електромагнітного поля. Електромагнітне поле (у квантовій фізиці - фотон) або випромінюється, або поглинається при взаємодії, або переносить взаємодію між тілами.

Електромагнітна взаємодія забезпечує зв'язок ядер і електронів в атомах і молекулах речовини, і тим самим визначає (на основі законів квантової механіки) можливість стійкого стану таких мікросистем.

Слабка взаємодія елементарних частинок викликає дуже повільно протікаючі процеси з елементарними частинками, у тому числі розпади квазістабільних частинок.

Слабка взаємодія набагато слабкіше не тільки сильної, а й електромагнітної взаємодії, але набагато сильніше гравітаційної.

Гравітаційна взаємодія елементарних частинок є найбільш слабким із всіх відомих.

Слабка взаємодія набагато сильніше гравітаційної, роль гравітаційної взаємодії набагато помітніше ролі слабкої взаємодії. Це відбувається тому, що гравітаційна взаємодія (як, втім, і електромагнітна) має нескінченно великий радіус дії. Тому, наприклад, на тіла, що знаходяться на поверхні Землі, діє гравітаційне притягання з боку всіх атомів, з яких складається Земля. Слабка ж взаємодія має настільки малим радіусом дії, що він до цих пір не заміряний.

У сучасній фізиці фундаментальну роль відіграє релятивістська квантова теорія фізичних систем з нескінченним числом ступенів свободи - квантова теорія поля. Ця теорія побудована для опису одного з найбільш загальних властивостей мікросвіту - універсальної взаємної перетворюваності елементарних частинок. Квантова теорія поля з необхідністю є релятивістською, оскільки якщо система складається з повільно рухомих частинок, то їх енергія може виявитися недостатньою для утворення нових частинок з ненульовий масою спокою. Частинки ж з нульовою масою спокою (фотон, можливо нейтрино) завжди релятивістські, тобто завжди рухаються зі швидкістю світла.

Квантова теорія поля виявилася найбільш адекватним апаратом для розуміння природи взаємодії елементарних частинок та об'єднання всіх видів взаємодій.

В даний час квантова електродинаміка розглядається як складова частина єдиної теорії слабкої та електромагнітної взаємодії.

Залежно від участі в тих чи інших видах взаємодії всі вивчені елементарні частинки, за винятком фотона, розбиваються на дві основні групи - адрони і лептони.

Адрони (від грец. - Великий, сильний) - клас елементарних частинок, що беруть участь у сильній взаємодії (поряд з електромагнітним і слабким).

Лептони (від грец. - Тонкий, легкий) - клас елементарних часток, що не володіють сильною взаємодією, що беруть участь тільки в електромагнітному і слабкій взаємодії. (Наявність гравітаційної взаємодії у всіх елементарних частинок, включаючи фотон).

Закінчена теорія адронів, сильної взаємодії між ними поки відсутня, однак є теорія, яка, не будучи ні закінченою, ні загальновизнаною, дозволяє пояснити їх основні властивості. Ця теорія - квантова хромодинаміка, згідно з якою адрони складаються з кварків, а сили між кварками зумовлені обміном глюонів. Всі виявлені адрони складаються з кварків п'яти різних типів ( "ароматів").u- Верхній (up), d- нижній (down), s- дивний (strange), c- чарівний (charm), b- чарівний або знову нижній (beauty або bottom) і t-знову верхній - (top) Кварк кожного "аромату" може знаходитися в трьох "колірних" станах, або володіти трьома різними "колірними зарядами".

У 60-х роках американськими фізиками С. Вайнбергом, Ш. Глешоу, пакистанським фізиком А. Саламом та ін була створена єдина теорія слабкої та електромагнітної взаємодії, пізніше отримала назву стандартної теорії електрослабкої взаємодії. У цій теорії поряд з фотоном, що здійснюють електромагнітне взаємодія, з'являються проміжні векторні бозони - частинки, що переносять слабку взаємодію. Ці частинки були експериментально виявлені в 1983 році в ЦЕРНі.

Однак для перевірки теорії в повному обсязі необхідно також експериментально досліджувати механізм спонтанного порушення симетрії. Якщо цей механізм дійсно здійснюється в природі, то повинні існувати елементарні скалярні бозони - так звані хіггсови бозони. Стандартна теорія електрослабкої взаємодії передбачає існування, як мінімум, одного скалярного бозона.

Механізм спонтанного порушення симетрії, який зустрічається в різноманітних фізичних ситуаціях, набув широкого поширення в квантової теорії поля. Було показано, що у калібрувальних теоріях цей механізм може призводити до появи кінцевої маси у безмассових калібрувальних частинок (так званий ефект Хіггса).