Первые минуты существования Вселенной. Происхождение химических элементов

Происхождение химических элементов

Задачей теории П.х.э. (нуклеосинтеза) явл. построение эволюционной картины формирвоания всего наблюдаемого в природе многообразия хим. элементов. Ключом к пониманию процесса ядерной эволюции вещества от первоначальной горячей плазмы элементарных частиц до совр. состояния служит относительная и их изотопов в веществе наблюдаемой части Вселенной.

Совр. подход к объяснению осн. наблюдаемых закономерностей хим. и изотопного состава вещества Вселенной состоит в следующем.

Пердставляется наиболее вероятным, что изотопы всех элементов со значением образуются в звездах. Гелий, вероятно, уже содержался в протозвездном веществе, из к-рого формировались первые звезды галактик, и за его образование ответсвенны реакции термоядерного синтеза на ранних стадиях расширения горячей Вселенной (см. ). Вполне удовлетворительное согласие наблюдаемой распространенности гелия со значением, предсказываемым в рамках , явл. веским аргументом в пользу такого предположения. Этот же механизм ответствен, скорее всего, и за образование наблюдаемых количеств изотопов H 2 , He 3 , а также некоторой доли Li 7 .

Скорость образования элементов в Галактике была в прошлом существенно выше, чем на момент формирования Солнечной системы (4,6 млрд. лет назад), и осн. обогащение вещества Галактики элементами A >4 произошло 10-15 млрд. лет назад (см. ). Это заставляет предполагать, что среди первых поколений звезд преобладали массивные звезды, быстро заканчивавшие свою эволюцию выбросом значительной доли (или всего) переработанного в и обогащенного тяжелыми элементами вещества в межзвездное пространство, где оно входило в состав исходного материала для формирвоания следующих поколей звезд.

Проблема образования легких элементов - Li, Be и B - решена пока не полностью. Эти элементы легко разрушаются в термоядерных реакциях, и поэтому их эффективное производство возможно только в неравновесных процессах. Считается, что они образуются гл. обр. при взаимодействии частиц галактических с веществом межзвездного газа в реакциях скалывания (см. ). Однако возникающие трудности в объяснении необычного изотопного состава Li и B (резко выраженное преобладание нечетных изотопов) указывают, скорее всего, на наличие дополнительного эффективного источника их образования. Наиболее вероятным кандидатом на эту роль явл. взрывы , т.к. прохождение через сбрасываемую оболочку мощного потока нейтринного излучения от коллапсирующего ядра звезды, а также сильной ударной волны приводит к образованию заметных количеств именно нечетных изотопов легких элементов в веществе оболочки.

Большинство изотопов хим. элементов, начиная с углерода и вплоть до элементов района "железного пика" (Fe, Ni и др.), образуются в условиях высоких темп-р в реакциях термоядерного синтеза, причем начальным этапом этой последовательности ядерных превращений служат процессы 4 He + 4 He + 4 He 12 C + и 4 He + 12 C 16 O + , приводящие к эффективному увеличению количества 12 C и 16 O на гидростатически равновесных стадиях . Наиболее благоприятные условия для образования Ne и всех более тяжелых элементов этой группы реализуются, по-видимому, при взрывном горении C, O и Si на заключительном, неравновесном этапе эволюции массивных звезд.

Наиболее распространенные изотопы элементов тяжелее железа сформировались, очевидно, в недрах массивных звезд в результате последовательных реакций захвата нейтронов. Ряд характерных особенностей хода кривой распространенности этих тяжелых ядер указывает на то, что процесс их построения должен протекать достаточно эффективно как на сравнительно продолжительной равновесной стадии эволюции звезд в условиях малых интенсивностей потока нейтронов (s -процесс), так и в момент взрыва звезды при высокой интенсивности потока нейтронов (r -процесс).

Образование редких (с относительно низким содержаниемнейтронов) изотопов тяжелых элементов, к-рые не могли сформироваться в процессе последовательного присоединения нейтронов (откуда и термин ), возможно только на последней, катастрофической стадииэволюции массивных звезд либо под действием потока нейтринного излучения от коллапсирующего ядра звезды, либо в к.-л. др. ненеравновесных процессах.

Перечисленные механизмы образования каждой из осн. групп изотопов хим. элементов оказываются достаточно эффективными при физ. условиях, к-рые могут реализовываться в известных типах астрофизич. объектов и позволяют объяснить, по крайней мере в общих чертах, главные закономерности наблюдаемой распространенности хим. элементов. В этом смысле можно говорить о том, что осн. контуры картины П.х.э. уже намечены, в то время как построение последовательной и самосогласованной теории П.х.э. практически только начинается и требует решения еще многих проблем космологии, теории строения и эволюции галактик и звезд, физики атомного ядра и элементарных частиц.

Лит.:
Франк-Каменецкий Д.А., Ядерная астрофизика, М., 1967; Тейлер Р.Дж., Происхождениехимических элементов, пер. с англ., М., 1975; Ядерная астрофизика, пер. с англ., М. (в печати)

(Г.В. Домогацкий )

Происхождение химических элементов во Вселенной

Создание химических элементов на Земле

Все знают периодическую таблицу химических элементов — таблицу Менделеева . Там элементов достаточно много и непрерывно физики трудятся над тем, чтобы создать всё более и более тяжёлые трансурановые элементы . Есть много интересного в ядерной физике, связанного с устойчивостью этих ядер. Есть всякие острова стабильности и люди, работающие на соответствующих ускорителях, пытаются создать химические элементы с очень большими атомными числами. Но все эти элементы живут очень недолго. То есть можно создать несколько ядер этого элемента , успеть что-то исследовать, доказать что вы его вправду синтезировали и открыли этот элемент . Получите право присвоить ему какое-то имя, может быть получите Нобелевскую премию. Но в природе этих химических элементов кажется нет, но на самом деле они могут в каких-то процессах возникать. Но совершенно в ничтожных количествах и за короткое время распадаются. Поэтому во Вселенной , в основном, мы видим элементы начиная с урана и легче.

Эволюция Вселенной

Но Вселенная наша эволюционирует. И вообще, как только вы пришли к идее какого-то глобального изменения, вы неизбежно приходите к мысли о том, что всё что вы видите вокруг, в том или ином смысле, становится бренным. И если, в смысле людей, зверей и вещей мы как-то с этим смирились, то сделать следующий шаг, иногда, кажется странным. Например, вода то она всегда вода или железо оно всегда железо?! Ответ нет, поскольку эволюционирует Вселенная в целом и когда-то, естественно, не было, например, земли и все её составные части были разбросаны по какой-нибудь туманности, из которой складывалась Солнечная система. Нужно идти ещё и ещё дальше назад и окажется, что когда-то не было, не только Менделеева и его периодической таблицы, но не было никаких элементов в неё входящих. Так как наша Вселенная родилась, пройдя через очень горячее, через очень плотное состояние. А когда горячо и плотно, всё сложные структуры разрушаются. И поэтому, в очень ранней истории Вселенной не существовало стабильно никаких, привычных для нас, веществ или даже элементарных частиц.

Происхождение лёгких химических элементов во Вселенной

Образование химического элемента — водорода

По мере того, как Вселенная расширялась , остывала и становилась менее плотной, появлялись какие-то частицы. Грубо говоря, каждой массе частицы, мы можем сопоставить энергию по формуле E=mc 2 . Каждой энергии мы можем сопоставить температуру и когда температура падает ниже этой критичной энергии, частица может становиться стабильной и может существовать.
Соответственно Вселенная расширяется , остывает и из таблицы Менделеева первым естественно появляется водород . Потому что это просто протон. То есть появились протоны, и мы можем сказать, что появился водород . В этом смысле Вселенная на 100% состоит из водорода, плюс тёмное вещество, плюс тёмная энергия, плюс многое излучения. Но из обычного вещества есть только водород . Появляются протоны , начинают появляться нейтроны . Нейтроны немножечко тяжелее протонов и это приводит к тому, что нейтронов появляется немножко меньше. Чтобы какие-то временные факторы в голове были, мы говорим ещё о первых долях секунды жизни Вселенной .

«Первые три минуты»
Появились протоны и нейтроны , вроде бы горячо и плотно. И с протона и нейтрона можно начать термоядерные реакции, как в недрах звёзд. Но на самом деле, ещё слишком горячо и плотно. Поэтому надо чуть-чуть подождать и где-то с первых секунд жизни Вселенной и до первых минут. Есть книжка Вайнберга известная, называется «Первые три минуты» и она посвящена вот этому этапу в жизни Вселенной .

Происхождение химического элемента — гелия

В первые минуты начинают идти термоядерные реакции, потому что вся Вселенная похожа на недра звезды и термоядерные реакции могут идти. Начинают образовываться изотопы водорода – дейтерий и соответственно тритий . Начинают образовываться более тяжелые химические элементы – гелий . А вот дальше двигаться трудно, потому что стабильных ядер с числом частиц 5 и 8 нет. И получается такая вот сложная затыка.
Представьте, что у вас комната усыпана детальками от лего и вам нужно бегать и собирать структуры. Но детальки разбегаются или комната расширяется, то есть, как-то всё движется. Вам трудно собирать детальки, да ещё вдобавок, например, вот две вы сложили, потом ещё две сложили. А вот приткнуть пятую не получается. И поэтому за эти первые минуты жизни Вселенной , в основном, успевает сформироваться только гелий , немножко лития , немножко дейтерия остаётся. Он просто сгорает в этих реакциях, превращается в тот же гелий .
Так, что в основном Вселенная оказывается, состоящей из водорода и гелия , спустя первые минуты своей жизни. Плюс совсем небольшое количество элементов немножко более тяжёлых. И как бы всё, на этом первоначальный этап формирования таблицы Менделеева закончился. И наступает пауза, пока не появятся первые звезды. В звёздах опять получается горячо и плотно. Создаются условия для продолжения термоядерного синтеза . И звёзды большую часть своей жизни, занимаются синтезом гелия из водорода . То есть всё равно игра с первыми двумя элементами. Поэтому из-за существования звёзд, водорода становится меньше, гелия становится больше. Но важно понимать, что по большей части, вещество во Вселенной находится не в звёздах. В основном обычное вещество разбросано по всей Вселенной в облаках горячего газа, в скоплениях галактик, в волокнах между скоплений. И этот газ может быть никогда не превратится в звёзды, то есть в этом смысле, Вселенная всё равно останется, в основном, состоящей из водорода и гелия . Если мы говорим об обычном веществе, но на фоне этого, на уровне процентов, количество лёгких химических элементов падает, а количество тяжёлых элементов растет.

Звёздный нуклеосинтез

И так после эпохи первоначального нуклеосинтеза , наступает эпоха звёздного нуклеосинтеза , который идёт и в наши дни. В звезде, в начале водород превращается в гелий . Если условия позволят, а условия это температура и плотность, то пойдут следующие реакции. Чем дальше мы продвигаемся по таблице Менделеева, тем труднее начинать эти реакции, тем более экстремальные условия нужны. Условия создаются в звезде сами по себе. Звезда сама на себя давит, ее гравитационная энергия уравновешивается с её внутренней энергией, связанной с давлением газа и изучением. Соответственно, чем тяжелее звезда, тем сильнее она себя сдавливает и получает более высокую температуру и плотность в центре. И там могут идти следующие атомные реакции .

Химическая эволюция звёзд и галактик

В Солнце после синтеза гелия , запустится следующая реакция, будет образовываться углерод и кислород . Дальше реакции не пойдут и Солнце превратится в кислородно-углеродный белый карлик . Но при этом внешние слои Солнца, уже обогащённые реакция синтеза, будут сброшены. Солнце превратится в планетарную туманность, внешние слои разлетятся. И по большей части, вот так сброшенное вещество, после того, как она перемешается с веществом межзвёздной среды, сможет войти в состав следующего поколения звёзд. Так что у звёзд есть такая вот эволюция. Есть химическая эволюция галактик , каждые следующие образующиеся звёзды, в среднем, содержат всё больше и больше тяжелых элементов. Поэтому самые первые звёзды, которые образовывались из чистого водорода и гелия , они, например, не могли иметь каменных планет. Потому что их не из чего было делать. Нужно было, чтобы прошел цикл эволюции первых звёзд и здесь важно, что быстрее всего эволюционируют массивные звёзды.

Происхождение тяжёлых химических элементов во Вселенной

Происхождение химического элемента — железа

Солнце и его полное время жизни почти 12 млрд лет. А массивные звезды живут несколько миллионов лет. Они доводят реакции до железа , и в конце своей жизни взрываются. При взрыве, кроме самого внутреннего ядра, всё вещество оказывается сброшено и поэтому наружу сбрасывается большое количество, естественно, и водорода , который остался не переработанным во внешних слоях. Но важно, что выбрасывается большое количество кислорода , кремния , магния , то есть уже достаточно тяжелых химических элементов , чуть-чуть не доходящих до железа и, родственных ему, никеля и кобальта . Очень выделенные элементы. Может быть, со школьных времен памятна такая картинка: номер химического элемента и выделение энергии при реакциях синтеза или распада и там получается такой максимум. И железо, никель, кобальт находятся на самой верхушке. Это означает, что распад тяжелых химических элементов выгоден до железа , синтез из лёгких тоже выгоден до железа. Дальше энергию нужно тратить. Соответственно мы двигаемся со стороны водорода, со стороны лёгких элементов и реакция термоядерного синтеза в звездах могут доходить до железа. Они должны идти с выделением энергии.
При взрыве массивной звезды, железо , в основном, не выбрасывается. Оно остается в центральном ядре и превращается в нейтронную звезду или чёрную дыру . Но выбрасываются химические элементы тяжелее железа . Железо выбрасывается при других взрывах. Взрываться могут белые карлики, то что остается, например, от Солнца. Сам по себе белый карлик очень стабильный объект. Но у него есть предельная масса, когда он эту устойчивость теряет. Начинается термоядерная реакция горения углерода .

Взрыв Сверхновой
И если обычная звезда, это очень стабильный объект. Вы её чуть-чуть нагрели в центре, она на это отреагирует, она расширится. Упадет температура в центре, и всё она себя отрегулирует. Как бы в её ни грели или ни охлаждали. А вот белый карлик так не умеет. Вы запустили реакцию, он хочет расшириться, а не может. Поэтому термоядерная реакция быстро охватывает весь белый карлик и он целиком взрывается. Получается взрыв Сверхновой типа 1А и это очень хорошая очень важная Сверхновая. Они позволили открыть . Но самое главное, что при этом взрыве карлик разрушается полностью и там синтезируется много железа . Всё желез о вокруг, все гвозди, гайки, топоры и все железо внутри нас, можно уколоть палец и посмотреть на него или попробовать на вкус. Так вот всё это железо взялось из белых карликов.

Происхождение тяжёлых химических элементов

Но есть ещё более тяжелые элементы. Где же синтезируется они? Долгое время считалось, что основное место синтеза более тяжелых элементов , это взрывы Сверхновых , связанных с массивными звёздами. Во время взрыва, то есть когда есть много лишней энергии, когда летают всякие лишние нейтроны , можно проводить реакции, которые энергетически невыгодны. Просто условия так сложились и в этом, разлетающемся веществе, могут идти реакции, синтезирующие достаточно тяжёлые химические элементы . И они действительно идут. Многие химические элементы , тяжелее железа, образуются именно таким способом.
Кроме того, даже не взрывающиеся звезды, на определенном этапе своей эволюции, когда они превратились в красных гигантов могут синтезировать тяжелые элементы . В них идут термоядерные реакции, в результате которых образуется немножко свободных нейтронов. Нейтрон , в этом смысле, очень хорошая частица, поскольку заряд у неё нет, она может легко проникать в атомное ядро. И проникнув в ядро, потом нейтрон может превратиться в протон . И соответственно элемент перепрыгнет на следующую клеточку в таблице Менделеева . Этот процесс довольно медленный. Он называется s-процесс , от слова slow-медленный. Но он достаточно эффективный и многие химические элементы синтезируются в красных гигантах именно способом. А в Сверхновых идет r- процесс , то есть быстрый. По сколько, действительно всё происходит за очень короткое время.
Недавно оказалось, что есть ещё одно хорошее место для r-процесса, несвязанное со взрывом Сверхновой . Есть ещё одно очень интересное явление — это слияние двух нейтронных звёзд. Звёзды очень любят рождаться парами, а массивные звезды рождаются, по большей части, парами. 80-90% массивных звезд рождаются в двойных системах. В результате эволюции, двойные могут разрушаться, но какие-то доходят до конца. И если у нас в системе было 2 массивных звезды, мы можем получить систему из двух нейтронных звёзд. После этого они будут сближаться за счет излучения гравитационных волн и в конце концов сольются.
Представьте, вы берите объект размером 20 км с массой полторы массы Солнца, и почти со скоростью света , роняете его на другой такой же объект. Даже по простой формуле кинетическая энергия равняется (mv 2)/2 . Если в качестве m вы подставить скажем 2 массы Солнца, в качестве v поставить треть скорости света , вы можете посчитать и получите совершенно фантастическую энергию . Она будет выделяться и в виде гравитационных волн, по всей видимости в установке LIGO уже видят такие события, но мы ещё об этом не знаем. Но при этом, поскольку сталкиваются реальные объекты, происходит действительно взрыв. Выделяется много энергии в гамма-диапазоне , в рентгеновском диапазоне. В общем-то всех диапазонах и часть этой энергии идет на синтез химических элементов .

Происхождение химического элемента — золота

Происхождение химического элемента золота
И современные расчёты, они наблюдениями окончательно подтверждены, показывают, что, например, золото рождается именно в таких реакциях. Такой экзотический процесс, как слияние двух нейтронных звёзд, действительно экзотический. Даже в такой большой системе, как наша Галактика , происходит где-то раз в 20-30 тысяч лет. Кажется довольно редко, тем не менее, хватает чтобы что-то насинтезировать. Ну или наоборот, можно сказать, что происходит так редко, и поэтому золото такое редкое и дорогое. И вообще видно, что многие химические элементы оказываются достаточно редкими, хотя они для нас часто важнее. Есть всякие редкоземельные металлы, которые используются в ваших смартфонах, а современный человек скорее обойдется без золота, чем без смартфона. Вот всех этих элементов мало, потому что они рождаются в каких-то редких астрофизических процессах. И по большей части все эти процессы, так или иначе, связаны со звездами, с их более или менее спокойной эволюцией, но с поздними стадиями, взрывами массивных звёзд, со взрывами белых карликов или состояниями нейтронных звёзд .

Процесс образования химических элементов во Вселенной неразрывно связан с эволюцией Вселенной. Мы уже познакомились с процессами, происходящими вблизи «Большого взрыва», знаем некоторые детали процессов, происходивших в «первичном бульоне» элементарных частиц. Первые атомы химических элементов, находящиеся в начале таблицы Д. И. Менделеева (водород, дейтерий, гелий), начали образовываться во Вселенной еще до возникновения звезд первого поколения. Именно в звездах, их недрах, разогретых снова (после Big Bang температура Вселенной начала стремительно падать) до миллиардов градусов, и были произведены ядра химических элементов, следующих за гелием. Учитывая значение звезд как источников, генераторов химических элементов, рассмотрим некоторые этапы звездной эволюции. Без понимания механизмов звездообразования и эволюции звезд невозможно представить процесс образования тяжелых элементов, без которых, в конечном счете, не возникла бы жизнь. Без звезд во Вселенной так бы вечно и существовала водородо-гелиевая плазма, в которой организация жизни, очевидно, невозможна (на современном уровне понимания этого явления).

Ранее мы отметили три наблюдательных факта или теста современной космологии, простирающихся на сотни парсек, теперь укажем четвертый - распространенность легких химических элементов в космосе. Необходимо подчеркнуть, что образование легких элементов в первые три минуты и распространенность их в современной Вселенной впервые была рассчитана в 1946 г. международной троицей выдающихся ученых: американцем Альфером, немцем Гансом Бете и русским Георгием Гамовым. С тех пор физики, занимающиеся атомной и ядерной физикой, неоднократно рассчитывали образование легких элементов в ранней Вселенной и распространенность их сегодня. Можно утверждать, что стандартная модель нуклеосинтеза хорошо подтверждается наблюдениями.

Эволюция звезд. Механизм образования и эволюции основных объектов Вселенной - звезд, изучен наиболее xoponio. Здесь ученым помогла возможность наблюдать огромное количество звезд на самых разных стадиях развития - от рождения до смерти, - в том числе множество так называемых «звездных ассоциаций» - групп звезд, родившихся почти одновременно. Помогла и сравнительная «простота» строения звезды, которое довольно успешно поддается теоретическому описанию и компьютерному моделированию.

Звезды образуются из газовых облаков, которые, при определенных обстоятельствах, распадаются на отдельные «сгустки», которые дальше сжимаются под действием собственного тяготения. Сжатию газа под действием собственного тяготения препятствует повышающееся давление. При адиабатическом сжатии должна повышаться и температура - в виде тепла выделяется гравитационная энергия связи. Пока облако разреженное, все тепло легко уходит с излучением, но в плотном ядре сгущения вынос тепла затруднен, и оно быстро разогревается. Соответствующее повышение давления тормозит сжатие ядра, и оно продолжает происходить только за счет продолжающего падать на рождающуюся звезду газа. С ростом массы растет давление и температура в центре, пока наконец последняя не достигает величины 10 миллионов Кельвинов. В этот момент в центре звезды начинаются ядерные реакции, превращающие водород в гелий, которые поддерживают стационарное состояние вновь образовавшейся звезды миллионы, миллиарды или десятки миллиардов лет, в зависимости от массы звезды.

Звезда превращается в огромный термоядерный реактор, в котором устойчиво и стабильно протекает, в общем, та же реакция, которую человек пока научился осуществлять только в неуправляемом варианте - в водородной бомбе. Выделяемое при реакции тепло стабилизирует звезду, поддерживая внутреннее давление и препятствуя ее дальнейшему сжатию. Небольшое случайное усиление реакции слегка «раздувает» звезду, и соответствующее уменьшение плотности приводит снова к ослаблению реакции и стабилизации процесса. Звезда «горит» с почти неизменной яркостью.

Температура и мощность излучения звезды зависит от ее массы, причем зависит нелинейно. Грубо говоря, при увеличении массы звезды в 10 раз мощность ее излучения увеличивается в 100 раз. Поэтому более массивные, более горячие звезды расходуют свои запасы топлива гораздо быстрее, чем менее массивные, и живут относительно недолго. Нижний предел массы звезды, при котором еще возможно достижение в центре температур, достаточных для начала термоядерных реакций, составляет примерно 0,06 солнечной. Верхний предел - около 70 солнечных масс. Соответственно, самые слабые звезды светят в несколько сот раз слабее Солнца и могут так светить сотню миллиардов лет, гораздо больше времени существования нашей Вселенной. Массивные горячие звезды могут светить в миллион раз сильнее Солнца и живут лишь несколько миллионов лет. Время стабильного существования Солнца примерно 10 миллиардов лет, и из этого срока оно прожило пока половину.

Стабильность звезды нарушается, когда выгорает значительная часть водорода в ее недрах. Образуется лишенное водорода гелиевое ядро, а горение водорода продолжается в тонком слое на его поверхности. При этом ядро сжимается, в центре его давление и температура повышается, в то же время верхние слои звезды, расположенные выше слоя горения водорода, наоборот, расширяются. Диаметр звезды растет, а средняя плотность падает. Благодаря росту площади излучающей поверхности, медленно растет также ее полная светимость, хотя температура поверхности звезды падает. Звезда превращается в красного гиганта. В какой-то момент времени температура и давление внутри гелиевого ядра оказываются достаточными для начала следующих реакций синтеза более тяжелых элементов - углерода и кислорода из гелия, а на следующем этапе и еще более тяжелых. В недрах звезды могут образоваться из водорода и гелия многие элементы Периодической системы, но только вплоть до элементов группы железа, обладающего наибольшей энергией связи, приходящейся на одну частицу. Более тяжелые элементы образуются в других более редких процессах, а именно при взрывах сверхновых звезд и частично новых, и поэтому в природе их мало.

Отметим интересное, парадоксальное, на первый взгляд, обстоятельство. Пока вблизи центра звезды идет горение водорода, температура там не может подняться до порога гелиевой реакции. Для этого необходимо, чтобы горение прекратилось, и ядро звезды начало остывать! Остывающее ядро звезды сжимается, при этом повышается напряженность поля тяготения и выделяется гравитационная энергия, которая нагревает вещество. При повышенной напряженности поля необходима более высокая температура, чтобы давление могло противостоять сжатию, и гравитационной энергии оказывается достаточно, чтобы обеспечить эту температуру. Аналогичный парадокс мы имеем при снижении космического аппарата: чтобы перевести его на более низкую орбиту, его надо притормозить, но при этом он оказывается ближе к Земле, где сила тяжести больше, и скорость его возрастет. Остывание увеличивает температуру, а торможение увеличивает скорость! Такими кажущимися парадоксами полна природа, и далеко не всегда можно доверяться «здравому смыслу».

После начала горения гелия расходование энергии идет очень быстрыми темпами, так как энергетический выход всех реакций с тяжелыми элементами намного ниже, чем при реакции горения водорода и, кроме того, общая светимость звезды на этих этапах значительно возрастает. Если водород горит миллиарды лет, то гелий миллионы, а все остальные элементы - не более тысяч лет. Когда в недрах звезды все ядерные реакции затухают, ничто уже не может препятствовать ее гравитационному сжатию, и оно происходит катастрофически быстро (как говорят, коллапсирует). Верхние слои падают к центру с ускорением свободного падения (величина его на многие порядки превосходит земное ускорение падения из-за несопоставимой разности масс), выделяя огромную гравитационную энергию. Вещество сжимается. Часть его, переходя в новое состояние высокой плотности, образует звезду-остаток, а часть (обычно большая) выбрасывается в пространство в виде отраженной ударной волны с огромной скоростью. Происходит взрыв сверхновой звезды. (Помимо гравитационной энергии в кинетическую энергию ударной волны вносит свой вклад и термоядерное догорание части оставшегося во внешних слоях звезды водорода, когда падающий газ сжимается вблизи звездного ядра -происходит взрыв грандиозной «водородной бомбы»).

На какой стадии эволюции звезды остановится сжатие и что будет представлять собой остаток сверхновой, все эти варианты зависят от ее массы. Если эта масса менее 1,4 солнечной, это будет белый карлик, звезда с плотностью 10 9 кг/м 3 , медленно остывающая без внутренних источников энергии. От дальнейшего сжатия ее удерживает давление вырожденного электронного газа. При большей массе (примерно до 2,5 солнечной) образуется нейтронная звезда (их существование предсказано великим советским физиком, нобелевским лауреатом Львом Ландау) с плотностью примерно равной плотности атомного ядра. Нейтронные звезды были открыты как так называемые пульсары. При еще большей исходной массе звезды образуется черная дыра - безудержно сжимающийся объект, который не может покинуть ни один объект, даже свет. Именно при взрывах сверхновых происходит образование элементов тяжелее железа, для которых нужны чрезвычайно плотные потоки частиц высокой энергии, чтобы были достаточно вероятны многочастичные столкновения. Все материальное в этом мире является потомками сверхновых, в том числе и люди, поскольку атомы, из которых мы состоим, возникли когда-то при взрывах сверхновых.

Таким образом, звезды являются не только мощным источником энергии высокого качества, рассеяние которой способствует возникновению сложнейших структур, включающих и жизнь, но и реакторами, в которых производится вся таблица Менделеева - необходимый материал для этих структур. Взрыв заканчивающей свою жизнь звезды выбрасывает в пространство огромное количество разнообразных элементов тяжелее водорода и гелия, которые смешиваются с галактическим газом. За время жизни Вселенной закончили свою жизнь очень многие звезды. Все звезды типа Солнца и более массивные, возникшие из первичного газа, уже прошли свой жизненный путь. Так что сейчас Солнце и ему подобные звезды - это звезды второго поколения (а может быть, и третьего), существенно обогащенные тяжелыми элементами. Без такого обогащения вряд ли около них могли бы возникнуть планеты земного типа и жизнь.

Приведем информацию о распространенности некоторых химических элементов во Вселенной:

Как видим из этой таблицы, преимущественными химическими элементами и в настоящее время являются водород и гелий (почти 75% и 25% каждый). Относительно малого содержания тяжелых элементов, впрочем, оказалось достаточным для образования жизни (по крайней мере, на одном из островков Вселенной вблизи «рядовой» звезды, Солнца - желтого карлика). Помимо уже указанного нами ранее, надо помнить, что в открытом космическом пространстве присутствуют космические лучи, по сути являющиеся потоками элементарных частиц, в первую очередь, электронов и протонов разных энергий. В некоторых областях межзвездного пространства имеются локальные области повышенной концентрации межзвездного вещества, получившие название межзвездных облаков. В отличие от плазменного состава звезды, вещество межзвездных облаков уже содержит (об этом свидетельствуют многочисленные астрономические наблюдения) молекулы и молекулярные ионы. Например, обнаружены межзвездные облака из молекулярного водорода Н 2 , очень часто присутствуют в спектрах поглощения такие соединения, как ион гидроксила ОН, молекулы СО, молекулы воды и др. Сейчас число обнаруженных в межзвездных облаках химических соединений составляет свыше ста. Под действием внешнего облучения и без него в облаках происходят разнообразные химические реакции, зачастую такие, которые невозможно осуществить на Земле по причине особых условий в межзвездной среде. Вероятно, примерно 5 миллиардов лет назад, когда образовалась наша солнечная система, первичным материалом при образовании планет были такие же простейшие молекулы, которые сейчас мы наблюдаем в других межзвездных облаках. Другими словами, процесс химической эволюции, начавшийся в межзвездном облаке, затем продолжился уже на планетах. Хотя сейчас в некоторых межзвездных облаках обнаружены достаточно сложные органические молекулы, вероятно, химическая эволюция привела к появлению «живого» вещества (т. е. клеток с механизмами самоорганизации и наследственности) уже только на планетах. Очень трудно представить организацию жизни в объеме межзвездных облаков.

Планетная химическая эволюция

Рассмотрим процесс химической эволюции на Земле. Первичная атмосфеpa Земли содержала в основном простейшие соединения водорода Н 2 , H 2 О, NH 3 ,CH 4 . Кроме этого, атмосфера была богата инертными газами, прежде всего гелием и неоном. В настоящее время обилие благородных газов на Земле ничтожно мало, что означает, что они в свое время диссонировали в межпланетное пространство. Наша современная атмосфера имеет вторичное происхождение. Первое время химический состав атмосферы мало отличался от первичной. После образования гидросферы из атмосферы практически исчез аммиак NH 3 , растворившийся в воде, атомарный и молекулярный водород улетучился в межпланетное пространство, атмосфера была насыщена преимущественно азотом N. Насыщение атмосферы кислородом происходило постепенно, сначала благодаря диссоциации молекул воды ультрафиолетовым излучением Солнца, затем, и главным образом, благодаря фотосинтезу растений.

Не исключено, что некоторое количество органических веществ было принесено на Землю при падении метеоритов и, возможно, даже комет. Например, в кометах присутствуют такие соединения, как N, NH 3 , CH 4 и др. Известно, что возраст земной коры примерно равен 4,5 млрд. лет. Имеются также геологические и геохимические данные, указывающие на то, что уже 3,5 млрд. лет назад земная атмосфера была богата кислородом. Таким образом, первичная атмосфера Земли существовала не более 1 млрд. лет, а жизнь возникла, вероятно, даже раньше.

В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, иллюстрирующий, каким образом такие простые вещества, как вода, метан, аммиак, окись углерода, аммонийные и фосфатные соединения превращаются в высокоорганизованные структуры, являющиеся строительными кирпичиками клетки. Американские ученые Кельвин, Миллер и Юри провели ряд опытов, в результате которых было показало, как в первичной атмосфере могли возникнуть аминокислоты. Ученые создали смесь газов - метана СН 4 , молекулярного водорода Н 2 , аммиака NH 3 и паров воды Н 2 O, моделирующую состав первичной атмосферы Земли. Через ату смесь пропускали электрические разряды, в результате в исходной смеси газов были обнаружены глицин, аланин и другие аминокислоты. Вероятно, существенное влияние на химические реакции в первичной атмосфере Земли оказывало Солнце своим ультрафиолетовым излучением, которое не задерживалось в атмосфере в связи с отсутствием озона.

Немаловажное значение на химическую эволюцию оказали не только электрические разряды и ультрафиолетовое излучение Солнца, но и вулканическое тепло, ударные волны, радиоактивный распад калия К (доля энергии распада калия примерно 3 млрд. лет назад на Земле была второй, после энергии ультрафиолетового излучения Солнца). Например, газы, выделяющиеся из первичных вулканов (O 2 , СО, N 2 , Н 2 O, Н 2 , S, H 2 S, СН 4 , SО 2), при воздействии различных видов энергии реагируют с образованием разнообразных малых органических соединений, типа: цианистый водород HCN, муравьиная кислота HCO 2 H, уксусная кислота H 3 CO 2 H, глицин H 2 NCH 2 CO 2 H и т. д. В дальнейшем, опять же при воздействии различных видов энергии, малые органические соединения реагируют с образованием более сложных органических соединений: аминокислоты.

Таким образом, на Земле были условия для образования сложных органических соединений, необходимых для создания клетки.

В настоящее время еще нет единой логически последовательной картины, как из первичной «суперкапли материи» под названием Вселенная после Большого Взрыва возникла жизнь. Но уже многие элементы этой картины ученые представляют и считают, что так все и происходило на самом деле. Одним из элементов этой единой картины эволюции является химическая эволюция. Пожалуй, химическая эволюция - это один из аргументированных элементов единой картины эволюции хотя бы потому, что допускает экспериментальное моделирование химических процессов (чего, например, нельзя сделать в отношении условий, аналогичных тем, что были вблизи «большого взрыва»). Химическая эволюция прослеживается вплоть до элементарных кирпичиков живой материи: аминокислот, нуклеиновых кислот.



Окружающий нас мир состоит из ~ 100 различных химических элементов. Как они образовались в естественных условиях? Подсказку для ответа на этот вопрос даёт относительная распространенность химических элементов. Среди наиболее существенных особенностей распространенности химических элементов Солнечной системы можно выделить следующие.

1. Вещество во Вселенной в основном состоит из водорода H – ~ 90% всех атомов.
2. По распространенности гелий He занимает второе место, составляя ~ 10% от числа атомов водорода.
3. Существует глубокий минимум, соответствующий химическим элементам литий Li, бериллий Be и бор B.
4. Сразу за глубоким минимумом Li, Be, В следует максимум, обусловленный повышенной распространенностью углерода C и кислорода O.
5. Вслед за кислородным максимумом идет скачкообразное падение распространенности элементов вплоть до скандия (А = 45).
6. Наблюдается резкое повышение распространенности элементов в районе железа A = 56 (группа железа).
7. После A = 60 уменьшение распространенности элементов происходит более плавно.
8. Наблюдается заметное различие между химическими элементами с четным и нечетным числом протонов Z . Как правило, химические элементы с четными Z являются более распространенными.

Ядерные реакции во Вселенной

t = 0		Большой взрыв. Рождение Вселенной
t = 10 -43 с		Эра квантовой гравитации. Струны ρ = 10 90 г/см 3 , T = 10 32 K
t = 10 - 35 с		Кварк-глюонная среда ρ = 10 75 г/см 3 , T = 10 28 K
t = 1 мкс		Кварки объединяются в нейтроны и протоны ρ = 10 17 г/см 3 , T = 6·10 12 K
t = 100 с		Образование дозвездного 4 He ρ = 50 г/см 3 , T = 10 9 K
t = 380 тыс. лет		Образование нейтральных атомов ρ = 0.5·10 -20 г/см 3 , T = 3·10 3 K
t = 10 8 лет	Первые звезды	Горение водорода в звездах ρ = 10 2 г/см 3 , T = 2·10 6 K Горение гелия в звездах ρ = 10 3 г/см 3 , T = 2·10 8 K Горение углерода в звездах ρ = 10 5 г/см 3 , T = 8·10 8 K Горение кислорода в звездах ρ = 10 5 ÷10 6 г/см 3 , T = 2·10 9 K Горение кремния в звездах ρ = 10 6 г/см 3 , T = (3÷5)·10 9 K
t = 13.7 млрд. лет		Современная Вселенная ρ = 10 -30 г/см 3 , T = 2.73 K

Дозвездный нуклеосинтез. Образование 4 He

Космологический синтез гелия – основной механизм его образования во Вселенной. Синтез гелия из водорода в звёздах увеличивает долю 4 He по массе в барионной материи примерно на 10%. Механизм дозвёздного образования гелия количественно объясняет распространённость гелия во Вселенной и является сильным аргументом в пользу догалактической фазы его образования и всей концепции Большого Взрыва.
Космологический нуклеосинтез позволяет объяснить распространённость во Вселенной таких легчайших ядер как дейтерий (2 H), изотопы 3 He и 7 Li. Однако их количества ничтожны по сравнению с ядрами водорода и 4 He. По отношению к водороду дейтерий образуется в количестве 10 -4 -10 -5 , 3 He – в количестве ≈ 10 -5 , а 7 Li – в количестве ≈ 10 -10 .
Для объяснения образования химических элементов в 1948 году Г. Гамовым была выдвинута теория Большого взрыва. Согласно модели Гамова, синтез всех химических элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием γ-квантов и последующим β - -распадом образовавшихся ядер. Однако расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование химических элементов тяжелее Li. Оказалось, что механизм образования лёгких ядер (A < 7) связан с условиями, существовавшими во Вселенной в течение первых трех минут. Более тяжелые ядра образовались в результате ядерных реакций, происходящих при горении звезд.

Дозвездная стадия образования легчайших ядер. На этапе эволюции Вселенной через 100 с после Большого взрыва при температуре ~ 10 9 К вещество во Вселенной состояло из протонов p, нейтронов n, электронов e - , позитронов e + , нейтрино ν, антинейтрино и фотонов γ. Излучение, находилось в тепловом равновесии с электронами e - , позитронами e + и нуклонами.

В условиях термодинамического равновесия вероятность образования системы с энергией E N , равной энергии покоя нуклона, описывается распределением Гиббса . Поэтому в условиях термодинамического равновесия соотношение между числом нейтронов и протонов будет определяться разностью масс нейтрона и протона

Образование электрон-позитронных пар прекращается при Т < 10 10 К, так как энергии фотонов становятся ниже порога образования e - e + -пар (~ 1 МэВ). К концу равновесной стадии на каждый нейтрон приходилось 5 протонов. Так как на этом этапе эволюции Вселенной плотность протонов и нейтронов была велика, сильное ядерное взаимодействие между ними привело к образованию 4 He и небольшого количества изотопов Li и Be.

Основные реакции дозвездного нуклеосинтеза:

p + n → d + γ, d + p → 3 He + γ,		3 He + n → 3 He + p
d + d →	3 He + n,	3 He + n 3 H + p, 3 H + p 4 He + , 3 H + d 4 He + n.
	3 H + p,

Так как стабильных ядер с А = 5 не существует, ядерные реакции завершаются в основном образованием 4 Не. 7 Ве, 6 Li и 7 Li составляют лишь ~ 10 –9 – 10 –12 от образования изотопа 4 Не. Практически все нейтроны исчезают, образуя ядра 4 Не. При плотности вещества ρ ~ 10 –3 – 10 –4 г/см 3 вероятность того, что нейтрон и протон не провзаимодействуют за время первичного нуклеосинтеза составляет менее 10 –4 . Так как в начале на один нейтрон приходилось 5 протонов, соотношение между числом ядер 4 Не и р должно быть ~ 1/10. Таким образом, соотношение распространенностей водорода и гелия, наблюдаемое в настоящее время, сформировалось в течение первых минут существования Вселенной. Расширение Вселенной привело к понижению её температуры и прекращению первичного дозвездного нуклеосинтеза.

Образование химических элементов в звездах. Так как процесс нуклеосинтеза на ранней стадии эволюции Вселенной закончился образованием водорода, гелия и небольшого количества Li, Be, В, необходимо было найти механизмы и условия, при которых могли образоваться более тяжелые элементы.
Г.Бете и К.Вайцзеккер показали, что соответствующие условия существуют внутри звезд. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции. Образование химических элементов в звездах начинается с реакции горения водорода с образованием 4 Не.

Г. Бете, 1968 г.: «С незапамятных времен люди хотели знать, за счёт чего поддерживается свечение Солнца. Первая попытка научного объяснения была предпринята Гельмгольцем около ста лет назад. Она была основана на использовании самых известных в то время сил – сил всемирного тяготения. Если один грамм вещества падает на поверхность Солнца, он приобретает потенциальную энергию

E п = -GM/R = -1.91·10 15 эрг/г.

Известно, что в настоящее время мощность излучения Солнца определяется величиной

ε = 1.96 эрг/г×с.

Следовательно, если источником энергии является тяготение, запас гравитационной энергии может обеспечить излучение в течение 10 15 с, т.е. в период около тридцати миллионов лет…
В конце XIX века Беккерель, Пьер и Мария Кюри открыли радиоактивность. Открытие радиоактивности позволило определить возраст Земли. Несколько позже удалось определить возраст метеоритов, по которому можно было судить, когда в Солнечной системе появилось вещество в твердой фазе. Из этих измерений можно было установить, что возраст Солнца с точностью до 10% составляет 5 млрд. лет. Таким образом, тяготение не может обеспечить нужный запас энергии на всё это время…
С начала 30-х годов стали склоняться к тому, что звездная энергия возникла за счет ядерных реакций… Простейшей из всех возможных реакций будет реакция

H + H → D + e + + ν.

Так как процесс первичного нуклеосинтеза завершился в основном образованием ядер 4 He в результате реакций взаимодействия p + n, d + d, d + 3 He, d + 3 H и были израсходованы все нейтроны, необходимо было найти условия, при которых образовались более тяжелые элементы. В 1937 г. Г. Бете создал теорию, объясняющую происхождение энергии Солнца и звезд в результате реакций слияния ядер водорода и гелия, идущими в центре звезд. Так как в центре звезд не было достаточного количества нейтронов для реакций типа p + n, то в них могли продолжаться только реакции
p + p → d + e + + ν. Эти реакции протекали в звездах, когда температура в центре звезды достигала 10 7 К, а плотность − 10 5 кг/м 3 . То обстоятельство, что реакция p + p → d + e + + ν происходила в результате слабого взаимодействия, объясняло особенности диаграммы Герцшпрунга–Рассела.

Нобелевская премия по физике
1967 г. − Г. Бете
За вклад в теорию ядерных реакций, и особенно за открытие источника энергии звезд.

Сделав разумные предположения о силе реакций на основе общих принципов ядерной физики, я обнаружил в 1938 г., что углеродно-азотный цикл может обеспечить необходимое выделение энергии на Солнце… Углерод служит только катализатором; результатом реакции является комбинация четырех протонов и двух электронов, образующих ядро 4 He. В этом процессе испускаются два нейтрино, уносящих с собой энергию примерно 2 МэВ. Остающаяся энергия около 25 МэВ на цикл освобождается и поддерживает температуру Солнца неизменной… Это была та основа, на которой Фаулер и другие рассчитали скорости реакции в (С,N)-цикле» .

Горение водорода. Возможны две различные последовательности реакций горения водорода - преобразование четырех ядер водорода в ядро 4 He, которое может обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды:

• протон-протонная цепочка (рр-цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий;
• углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл), в котором в качестве катализаторов участвуют ядра С, N и О.

Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды. В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон-протонная цепочка. В более массивных звездах, имеющих более высокую температуру, основным источником энергии является CNO-цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра С, N и О. Температура внутренних слоев Солнца составляет 1.5∙10 7 К и доминирующую роль в выделении энергии играет протон-протонная цепочка.

Зависимость от температуры логарифма скорости V выделения энергии в водородном (pp) и углеродном (CNO) циклах

Горение водорода. Протон-протонная цепочка. Ядерная реакция

p + p → 2 H + e + + ν e + Q,

начинается в центральной части звезды при плотностях ≈100 г/см 3 . Эта реакция останавливает дальнейшее сжатие звезды. Тепло, выделяющееся в процессе термоядерной реакции горения водорода, создаёт давление, которое противодействует гравитационному сжатию и не позволяет звезде коллапсировать. Происходит качественное изменение механизма выделения энергии в звезде. Если до начала ядерной реакции горения водорода нагревание звезды происходило, главным образом, за счёт гравитационного сжатия, то теперь появляется другой доминирующий механизм – энергия выделяется за счёт ядерных реакций синтеза.

Звезда приобретает стабильные размеры и светимость, которые для звезды с массой, близкой к солнечной, не меняется в течение миллиардов лет, пока происходит «сгорание» водорода. Это самая длительная стадия звёздной эволюции. В результате сгорания водорода из каждых четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия. Наиболее вероятная цепочка ядерных реакций на Солнце, приводящих к этому, носит название протон-протонного цикла и выглядит следующим образом:

p + p → 2 H + e + + ν e + 0.42 МэВ,
p + 2 H → 3 He + 5.49 МэВ,
3 He + 3 He → 4 He + p + p + 12.86 МэВ

или в более компактном виде

4p → 4 He + 2e + + 2ν e + 24.68 МэВ.

Единственным источником, дающим информацию о событиях, происходящих в недрах Солнца, являются нейтрино. Спектр нейтрино, образующихся на Солнце в результате горения водорода в реакции 4p → 4 He и в CNO-цикле, простирается от энергии 0.1 МэВ до энергии ~12 МэВ. Наблюдение солнечных нейтрино позволяет осуществить непосредственную проверку модели термоядерных реакций на Солнце.
Выделяемая энергия в результате рр-цепочки составляет 26.7 МэВ. Испускаемые Солнцем нейтрино зарегистрированы наземными детекторами, что подтверждает протекание на Солнце реакции синтеза.
Горение водорода. CNO-цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному связыванию 4-х протонов с образованием в конце CNO-цикла ядра 4 Не

l2 C + p → 13 N + γ
13 N → 13 C + e + + ν
13 C + p → 1 4 N + γ
14 N + p → 15 O + γ
15 O → 15 N + e + + ν
15 N + p → 12 C + 4 He

CNO-цикл

Цепочка реакций I

12 C + p → 13 N + γ (Q = 1.94 МэВ),
13 N → 13 C + e + + ν e (Q = 1.20 МэВ, T 1/2 = 10 мин),
13 C + p → 1 4 N + γ (Q = 7.55 МэВ),
14 N + p → 15 O + γ (Q = 7.30 МэВ),
15 O → 15 N + e + + ν e (Q = 1.73 МэВ, T 1/2 = 124 с),
15 N + p → 12 C + 4 He (Q = 4.97 МэВ).

Цепочка реакций II

15 N + p → 16 O + γ (Q = 12.13 МэВ),
16 O + p → 17 F + γ (Q = 0.60 МэВ),
17 F → 17 O + e + + ν e (Q = 1.74 МэВ, T 1/2 =66 c),
17 O + p → 14 N + ν (Q = 1.19 МэВ).

Цепочка реакций III

17 O + p → 18 F + γ (Q = 6.38 МэВ),
18 F → 18 O + e + + ν e (Q = 0.64 МэВ, T 1/2 =110 мин),
18 O + p → 15 N + α (Q = 3.97 МэВ).

Основное время эволюции звезды связано с горением водорода. При плотностях, характерных для центральной части звезды, горение водорода происходит при температуре (1–3)∙10 7 К. При этих температурах требуется 10 6 – 10 10 лет для того, чтобы значительная часть водорода в центре звезды переработалась в гелий. При дальнейшем повышении температуры в центре звезды могут образовываться более тяжелые химические элементы Z > 2. Звезды главной последовательности сжигают водород в центральной части, где из-за более высокой температуры ядерные реакции происходят наиболее интенсивно. По мере выгорания водорода в центре звезды реакция горения водорода начинает перемещаться к периферии звезды. Температура в центре звезды непрерывно возрастает и когда она достигнет 10 6 К начинаются реакции горения 4 Не. Реакция 3α → 12 C + γ наиболее важна для образования химических элементов. Она требует одновременного соударения трех α-частиц и возможна благодаря тому, что энергия реакции 8 Be + 4 He совпадает с резонансом возбужденного состояния 12 C. Наличие резонанса резко увеличивает вероятность слияния трех α-частиц.

Образование средних ядер A < 60. Какие ядерные реакции будут происходить в центре звезды, зависит от массы звезды, которая должна обеспечить высокую температуру за счет гравитационного сжатия в центре звезды. Так как теперь в реакциях синтеза участвуют ядра с большим Z, центральная часть звезды сжимается всё больше, температура в центре звезды повышается. При температурах несколько миллиардов градусов происходит разрушение ранее образовавшихся стабильных ядер, образуются протоны, нейтроны, α-частицы, высокоэнергичные фотоны, что приводит к образованию химических элементов всей Периодической таблицы Менделеева вплоть до железа. Образование химических элементов тяжелее железа происходит в результате последовательного захвата нейтронов и последующего β - -распада.
Образование средних и тяжелых ядер A > 60. В процессе термоядерного синтеза в звёздах образуются атомные ядра вплоть до железа. Дальнейший синтез невозможен, так как ядра группы железа обладают максимальной удельной энергией связи. Образованию более тяжёлых ядер в реакциях с заряженными частицами - протонами и другими лёгкими ядрами − препятствует увеличивающийся кулоновский барьер тяжелых ядер.

Образование элементов 4 He → 32 Ge.

Эволюция массивной звезды M > M

По мере вовлечения в процесс горения элементов с всё большими значениями Z температура и давление в центре звезды увеличиваются со всё возрастающей скоростью, что в свою очередь увеличивает скорость ядерных реакций. Если для массивной звезды реакция горения водорода продолжается несколько миллионов лет, то горение гелия происходит в 10 раз быстрее. Процесс горения кислорода длится около 6 месяцев, а горение кремния происходит за сутки.
Распространённость элементов, расположенных в области за железом, относительно слабо зависит от массового числа А. Это свидетельствует об изменении механизма образования этих элементов. Необходимо принять во внимание то, что большинство тяжёлых ядер являются β- радиоактивными. В образовании тяжёлых элементов решающую роль играют реакции захвата ядрами нейтронов (n, γ):

(A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

В результате цепочки чередующихся процессов захвата ядрами одного или нескольких нейтронов с последующим β - -распадом увеличиваются массовые числа А и заряд Z ядер и из исходных элементов группы железа образуются все более тяжёлые элементы вплоть до конца Периодической таблицы.

В стадии сверхновой центральная часть звезды состоит из железа и незначительной доли нейтронов и α-частиц – продуктов диссоциации железа под действием γ- квантов. В районе
M/M = 1.5 преобладает 28 Si. 20 Ne и 16 О составляют основную долю вещества в области от 1.6 до 6 M/M. Внешняя оболочка звезды (M/M > 8) состоит из водорода и гелия.
На этой стадии в ядерных процессах происходит не только выделение энергии, но и её поглощение. Массивная звезда теряет устойчивость. Происходит взрыв Сверхновой, при котором значительная часть химических элементов, образовавшихся в звезде, выбрасывается в межзвездное пространство. Если звезды первого поколения состояли из водорода и гелия, то в звездах последующих поколений уже в начальной стадии нуклеосинтеза присутствуют более тяжелые химические элементы.

Ядерные реакции нуклеосинтеза. Е. Бербидж, Г. Бербидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 году дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер.

1. Горение водорода, в результате этого процесса образуются ядра 4 Не.

Горение гелия. В результате реакции 4 Не + 4 Не + 4 Не → 12 С + γ образуются ядра 12 С.

2. α-процесс. В результате последовательного захвата α-частиц образуются α-частичные ядра 16 O, 20 Ne, 24 Mg, 28 Si, ...
3. е-процесс. При достижении температуры 5∙10 9 К в звездах в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до Fe и Ni. Ядра с А ~ 60 – наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них заканчивается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровождающихся выделением энергии.
4. s-процесс. Ядра тяжелее Fe образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов. Очень часто ядро, захватившее нейтрон, оказывается β - -радиоактивным. Прежде чем ядро захватит следующий нейтрон, оно может распасться в результате β - -распада. Каждый β - -распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер на единицу. Если интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов β - -распада, процесс захвата нейтронов называется s-процессом (slow). Таким образом, ядро в результате захвата нейтронов и последующих β - -распадов становится все тяжелее, но при этом оно не отходит слишком далеко от долины стабильности на N-Z-диаграмме.
5. r-процесс. Если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше скорости β - -распада атомного ядра, то оно успевает захватить сразу большое число нейтронов. В результате r-процесса образуется нейтроноизбыточное ядро, сильно удаленное от долины стабильности. Лишь затем оно, в результате последовательной цепочки β - -распадов, превращается в стабильное ядро. Обычно считается, что г-процессы происходят в результате взрывов Сверхновых.
6. Р-процесс. Некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (γ ,n ) или в реакциях под действием нейтрино.

Синтез трансурановых элементов. В Солнечной системе сохранились лишь те химические элементы, время жизни которых больше возраста Солнечной системы. Это 85 химических элементов. Остальные химические элементы были получены в результате различных ядерных реакций на ускорителях или в результате облучения в ядерных реакторах. Синтез первых трансурановых элементов в лабораторных условиях был осуществлен с помощью ядерных реакций под действием нейтронов и ускоренных α-частиц. Однако дальнейшее продвижение к более тяжелым элементам оказалось таким способом практически невозможным. Для синтеза элементов тяжелее менделевия Md (Z = 101) используют ядерные реакции с более тяжелыми многозарядными ионами – углеродом, азотом, кислородом, неоном, кальцием. Для ускорения тяжелых ионов начали строиться ускорители многозарядных ионов.

Нобелевская премия по физике
1983 г. − В. Фаулер
За теоретические и экспериментальные исследования ядерных процессов важных при образовании химических элементов во Вселенной.

Год открытия	Химический элемент	Z	Реакция
1936	Np, Pu	93, 94
1945	Am	95
1961	Cm	96
1956	Bk	97
1950	Cf	98
1952	Es	99
1952	Fm	100
1955	Md	101
1957	No	102
1961	Lr	103
1964	Rf	104
1967-1970	Db	105
1974	Sg	106
1976	Bh	107
1984-1987	Hs	108
1982	Mt	109
1994	Ds	110
1994	Rg	111
1996	Cn	112
2004		113, 115
1998		114
2000		116
2009		117
2006		118

Э.Резерфорд: «Если существуют элементы более тяжелые чем уран, то вполне вероятно, что они окажутся радиоактивными. Исключительная чувствительность методов химического анализа, основанная на радиоактивности, позволит опознать эти элементы, даже если они будут присутствовать в ничтожно малых количествах. Поэтому можно ожидать, что число радиоактивных элементов в незначительных количествах гораздо больше, чем три известных в настоящее время радиоактивных элемента. Чисто химические методы исследования окажутся малопригодными на первом этапе изучения таких элементов. Основными факторами здесь являются постоянство излучения, их характеристики и существование или отсутствие эманаций или других продуктов распада».

Химический элемент с максимальным порядковым номером Z = 118 был синтезирован в Дубне в сотрудничестве с Ливерморской лабораторией США. Верхняя граница существования химических элементов связана с их нестабильностью относительно радиоактивного распада. Дополнительная устойчивость атомных ядер наблюдается вблизи магических чисел. Согласно теоретическим оценкам должны существовать дважды магические числа Z = 108, N = 162 и Z = 114, N = 184. Период полураспада ядер, имеющих такие числа протонов и нейтронов, может составить сотни тысяч лет. Это так называемые «острова стабильности». Проблема образования ядер «острова стабильности» состоит в сложности подбора мишеней и ускоряемых ионов. Синтезированные в настоящее время изотопы 108 – 112 элементов имеют слишком малое число нейтронов. Как следует из измеренных периодов полураспада изотопов 108 – 112 элементов увеличение числа нейтронов на 6 – 10 единиц (т.е. приближение к острову стабильности) приводит к увеличению периода α-распада в 10 4 – 10 5 раз.
Так как число сверхтяжелых ядер Z > 110 исчисляется единицами, необходимо было разработать метод их идентификации. Идентификация вновь образованных химических элементов проводится по цепочкам их последовательных α-распадов, что увеличивает надежность результатов. Такой метод идентификации трансурановых элементов имеет преимущество перед всеми другими методами, т.к. основан на измерении коротких периодов α-распада. В то же время химические элементы острова стабильности по теоретическим оценкам могут иметь периоды полураспада, превышающие месяцы и годы. Для их идентификации необходима разработка принципиально новых методов регистрации, основанных на идентификации единичного числа ядер в течение нескольких месяцев.

Г. Флеров, К, Петржак: «Предсказание возможного существования новой области в периодической системе элементов Д.И. Менделеева - области сверхтяжелых элементов (СТЭ) - является для науки об атомном ядре одним из самых существенных следствий эксперимен­тального и теоретического исследований процесса спонтанного деления. Сумма наших знаний об атомном ядре, полученная на протяжении по­следних четырех десятилетий, делает это предсказание достаточно надеж­ным и. что важно, не зависящим от выбора того или иного конкретного варианта оболочечной модели. Ответ на вопрос о существовании СТЭ означал бы, пожалуй, наиболее критическую проверку самой концепции об оболочечной структуре ядра - основной ядерной модели, успешно выдерживавшей до сих пор многие испытания при объяснении свойств известных атомных ядер.
Более конкретно устойчивость самых тяжелых ядер определяется главным образом их спонтанным делением, и потому необходимым условием существования таких ядер является наличие у них барьеров относительно деления. Для ядер от урана до фермия оболочечная составляющая в барье­ре деления, хотя и приводят к некоторым интереснейшим физическим явлениям, все же не оказывает критического влияния на их стабильность и проявляется в суперпозиции с жидкокапелъной составляющей барьера. В области СТЭ капельная составляющая барьера полностью исчезает, и ста­бильность сверхтяжелых ядер определяется проницаемостью чисто оболочечного барьера.
Вместе с тем, если для принципиального существования ядер СТЭ достаточно наличия барьера, то для экспериментальной проверки такого предсказания требуется знание времени жизни ядер СТЭ относительно спонтанного деления, так как при любой конкретной постановке эксперимента по их поиску невозможно охватить весь диапазон времен жизни - от 10 10 лет до 10 -10 с. Выбор методики эксперимента существенно зависит от того, в каком интервале времен жизни проводится исследование.
Как уже говорилось, неопределенность теоретического расчета периода спонтанного деления T SF слишком велика – не менее 8–10 порядков. Эта неопределенность априори не исключает ни одной из возможностей получения или обнаружения СТЭ, и в качестве направлений экспериментального решения проб­лемы можно выбрать как поиск СТЭ в природе (на Земле, в объектах космического происхождения, в составе космического излучения и т.д.), так и искусственное получение элементов на ускорителях (в ядерных реакциях между сложными ядрами).
Очевидно, что поиск СТЭ в земных объектах может привести к успеху только при счаст­ливом стечении двух обстоятельств. С одной стороны, должен существовать эффективный механизм нуклеосинтеза, с достаточной вероятностью приводящий к образованию атомных ядер СТЭ. С другой стороны, нужно, чтобы существовал хотя бы один нуклид, принадлежащий к новой области стабильности, который имел бы время жизни, сравнимое со временем жизни Земли, – 4.5 ·10 9 лет.
Если речь идет о присутствии СТЭ в объектах внеземного происхож­дении – в метеоритах, космическом излучении и т.п., то такие поиски могут привести к успеху даже в том случае, если время жизни ядер СТЭ существенно меньше 10 10 лет: такие объекты могут оказаться значительно моложе земных образцов (10 7 –10 8 лет)».

14.1 Этапы синтеза элементов

Для объяснения распространенности в природе различных химических элементов и их изотопов в 1948 году Гамовым была предложена модель Горячей Вселенной. По этой модели все химические элементы образовывались в момент Большого Взрыва. Однако это утверждение впоследствии было опровергнуто. Доказано, что только легкие элементы могли образоваться в момент Большого Взрыва, а более тяжелые возникли в процессах нуклеосинтеза. Эти положения сформулированы в модели Большого Взрыва (см. п. 15).
По модели Большого Взрыва формирование химических элементов началось с первоначального ядерного синтеза легких элементов (Н, D, 3 Не, 4 Не, 7 Li) спустя 100 секунд после Большого Взрыва при температуре Вселенной 10 9 K.
Экспериментальную основу модели составляют расширение Вселенной, наблюдаемое на базе красного смещения, первоначальный синтез элементов и космическое фоновое излучение.
Большим достоинством модели Большого Взрыва является предсказание о распространенности D, Не и Li, отличающихся друг от друга на много порядков.
Экспериментальные данные о распространенности элементов в нашей Галактике показали, что атомов водорода 92%, гелия − 8%, и более тяжелых ядер − 1 атом на 1000, что согласуется с предсказаниями модели Большого Взрыва.

14.2 Ядерный синтез − синтез легких элементов (Н, D, 3 Не, 4 Не, 7 Li) в ранней Вселенной.

• Распространенность 4 Не или его относительная доля в массе Вселенной Y = 0.23 ±0.02. По крайней мере половина гелия, образованного в результате Большого Взрыва, содержится в межгалактическом пространстве.
• Первоначальный дейтерий существует только внутри Звезд и быстро превращается в 3 Не.
  Из данных наблюдений получаются следующие ограничения на распространенность дейтерия и Не относительно водорода:

10 -5 ≤ D/H ≤ 2·10 -4 и
1.2·10 -5 ≤ 3 Не/H ≤ 1.5·10 -4 ,

причем наблюдаемое отношение D/H составляет лишь долю ƒ от первоначального значения: D/H = ƒ(D/H) первонач. Поскольку дейтерий быстро превращается в 3 Не, получается следующая оценка для распространенности:

[(D + 3 Не)/H] первонач ≤ 10 -4 .

• Распространенность 7 Li измерить трудно, однако используются данные по изучению атмосфер звезд и зависимость распространенности 7 Li от эффективной температуры. Оказывается, что, начиная с температуры 5.5·10 3 K, количество 7 Li остается постоянным. Наилучшая оценка средней распространенности 7 Li имеет вид:

7 Li/H = (1.6±0.1)·10 -10 .

• Распространенность более тяжелых элементов, таких как 9 Be, 10 В и 11 В, меньше на несколько порядков. Так, распространенность 9 Ве/Н < 2.5·10 -12 .

14.3 Синтез ядер в звездах Главной Последовательности при Т < 108 K

Синтез гелия в звездах Главной Последовательности в рр- и CN-циклах происходит при температуре Т ~ 10 7 ÷7·10 7 K. Водород перерабатывается в гелий. Возникают ядра легких элементов: 2 Н, 3 Не, 7 Li, 7 Be, 8 Ве, но их мало из-за того, что в дальнейшем они вступают в ядерные реакции, а ядро 8 Be практически мгновенно распадается из-за малого времени жизни (~ 10 -16 с)

8 Ве → 4 Не + 4 Не.

Процесс синтеза, казалось, должен был бы прекратиться, но природа нашла обходной путь.
Когда Т > 7·10 7 K, гелий "сгорает" , превращаясь в ядра углерода. Происходит тройная гелиевая реакция − "Гелиевая вспышка" − 3α → 12 С, но ее сечение очень мало и процесс образования 12 С идет в два этапа.
Происходит реакция слияния ядер 8 Ве и 4 Не с образованием ядра углерода 12 С* в возбужденном состоянии, которое возможно благодаря наличию у ядра углерода уровня 7.68 МэВ, т.е. происходит реакция:

8 Ве + 4 Не → 12 С* → 12 С + γ.

Существование уровня энергии ядра 12 С (7.68 МэВ) помогает обойти малое время жизни 8 Be. Благодаря наличию этого уровня у ядра 12 С происходит Брейт-Вигнеровский резонанс . Ядро 12 С переходит на возбужденный уровень с энергией ΔW = ΔМ + ε,
где εM = (M 8Be − М 4Hе)− M 12C = 7.4 МэВ, а ε компенсируется за счет кинетической энергии.
Эта реакция была предсказана астрофизиком Хойлом, а затем воспроизведена в лабораторных условиях. Затем начинают идти реакции:

12 С + 4 Не → 16 0 + γ
16 0 + 4 Не → 20 Ne + γ и так до А ~ 20.

Так нужный уровень ядра 12 С позволил пройти узкое место в термоядерном синтезе элементов.
У ядра 16 О нет таких уровней энергии и реакция образования 16 О идет очень медленно

12 С + 4 Не → 16 0 + γ.

Эти особенности протекания реакций привели к важнейшим следствиям: благодаря им оказалось одинаковое число ядер 12 С и 16 0, что создало благоприятные условия для образования органических молекул, т.е. жизни.
Изменение уровня 12 С на 5% привело бы к катастрофе − дальнейший синтез элементов прекратился бы. Но так как этого не произошло, то образуются ядра с A в диапазоне

А = 25÷32

Это приводит к значениям А

Все ядра Fe, Co, Сr образуются за счет термоядерного синтеза.

Можно вычислить распространенность ядер во Вселенной, исходя из существования этих процессов.
Сведения о распространенности элементов в природе получаются из спектрального анализа Солнца и Звезд, а также космических лучей. На рис. 99 представлена интенсивность ядер при разных значениях А.

Рис. 99: Распространенность элементов во Вселенной.

Водород Н − самый распространенный элемент во Вселенной. Лития Li, бериллия Be и бора В на 4 порядка меньше соседних ядер и на 8 порядков меньше, чем Н и Не.
Li, Be, В − хорошее горючее, они быстро сгорают уже при Т ~ 10 7 K.
Труднее объяснить, почему они все же существуют − скорее всего, благодаря процессу фрагментации более тяжелых ядер на стадии протозвезды.
В космических лучах ядер Li, Be, В много больше, что также является следствием процессов фрагментации более тяжелых ядер при взаимодействии их с межзвездной средой.
12 С÷ 16 О − результат Гелиевой вспышки и существования резонансного уровня у 12 С и отсутствия такового у 16 О, ядро которого является также дважды магическим. 12 С − полумагическое ядро.
Таким образом, максимум распространенности у ядер железа 56 Fe, a затем − резкий спад.
Для А > 60 синтез энергетически невыгоден.

14.5 Образование ядер тяжелее железа

Доля ядер с А > 90 невелика − 10 -10 от ядер водорода. Процессы образования ядер связаны с побочными реакциями, происходящими в звездах. Таких процессов известно два:
s (slow) − медленный процесс,
г (rapid) − быстрый процесс.
Оба эти процесса связаны с захватом нейтронов т.е. надо, чтобы возникли такие условия, при которых образуется много нейтронов. Нейтроны образуются во всех реакциях горения.

13 С + 4 Не → 16 0 + n − горение гелия,
12 С + 12 С → 23 Mg + n − углеродная вспышка,
16 O + 16 O → 31 S + n − кислородная вспышка,
21 Ne + 4 Не → 24 Mg + n − реакция с α-частицами.

В результате накапливается нейтронный фон и могут протекать s-и r-процессы − захват нейтронов. При захвате нейтронов образуются нейтроно-избыточные ядра, а затем происходит β-распад. Он превращает их в более тяжелые ядра.