19. Синтез химических элементов.

Итак, основными более-менее стабильными частицами являются: протон, электрон, нейтрон и фотон. Первое, что произойдёт с ними, это образование атомов водорода - протия, поскольку радиус действия электромагнитного взаимодействия бесконечен. Далее образуется дейтерий (водород в ядре которого протон и нейтрон). Так как нейтрон не обладает электромагнитным взаимодействием, то он может легко подойти к протону на расстояние действия ядерных сил (сильное взаимодействие). Дальше процесс синтеза заканчивается, так как положительный протон не может подойти к положительному ядру водорода на расстояние действия ядерных сил – мешает электромагнитное взаимодействие. Вот почему больше всего во Вселенной именно водорода. Однако, если протон имеет кинетическую энергию большую, чем энергия электромагнитного взаимодействия W_п = , то он способен приблизиться на расстояние действия ядерных сил и образовать ядро гелия (два протона и два нейтрона). Как показывают расчёты, первоначальный состав Вселенной был следующим: 30% - гелий и 70% - водород.

Ядро атома принято обозначать символами из латинских букв с обозначением общего числа нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре и числа протонов, так как именно число протонов влияет на химическую активность атомов.

- водород (протий), число протонов-1 число нуклонов –1;

или - водород (дейтерий), 1 – протон и 2 – нуклона (протон и нейтрон); химические элементы с разными атомными массами называются изотопами (протий , дейтерий , тритий ) - гелий, 2 – протона, 4 – нуклона (два протона и два нейтрона). Верхний индекс показывает также массу ядра (атома) в атомных единицах массы а.е.м. Нижний индекс показывает порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Дальнейший синтез ядер возможен только при высокой температуре гелиево-водородного газа. Такая температура достигается при гравитационном сжатии гелиево-водородного облака и образования протозвезды (дозвезды). Происходят реакции:

р + р → D + e⁺ + ν. e⁺ - позитрон. ν – нейтрино.

D + р → +γ, γ – фотон (гамма-квант).

+ → + 2р,

Звезда вспыхивает, т.к. данные ядерные реакции протекают с выделением огромного количества тепла (поэтому называются термоядерными). По мере увеличения концентрации гелия и температуры становятся возможны реакции:

+ → + γ

Неустойчивый изотоп бериллия может либо захватить электрон, образуя изотоп лития;

+ е⁺ → + ν,

либо, при более высокой температуре, присоединить протон, образуя радиоактивный бор;

+ р → + γ.

Далее становятся возможны реакции:

+ → + γ,

+ → + γ,

+ → + γ.

При дальнейшем сжатии звезды и повышении температуры происходят реакции горения кислорода и углерода:

+ γ + γ

+  + р +  + р

+ + n

+

Указанные реакции приводят к образованию железа и близких ему элементов. Эти элементы характеризуются максимальной энергией связи на нуклон. Энергия связи – энергия, необходимая для расщепления ядра на составляющие его отдельные протоны и нейтроны. Разность между суммой масс покоя свободных протонов и нейтронов, из которых образовано ядро, и массой ядра, называется дефектом массы ядра Δm.Поэтому энергия связи определяется соотношением Е_св=Δmc². Поэтому термоядерные реакции с выделением энергии заканчиваются на железе.

Синтез более тяжёлых ядер основан на медленном захвате нейтронов с последующим β^--распадом:

+ n + γ

+ n + γ

+ n + γ

 + e^- +

Такие реакции заканчиваются на свинце. Дальше вместо β^- -распада происходит α-распад, т.е., из образовавшегося ядра начинают вылетать ядра гелия (α-частицы).

Ядра с большей массой образуются при взрыве звёзд. При этом возникает плотный поток нейтронов, захватываются сразу несколько нейтронов. Такие реакции были осуществлены в земных условиях:

перегруженное ядро испытывает каскад из восьми бетта-распадов и образуется .

Вопросы:

1. Какое взаимодействие препятствует слиянию ядер?

2. При каком условии возможен синтез?

3. Как обозначаются ядра химических элементов?

4. Что такое изотопы?