Происхождение химических элементов

Проблема относительной распространенности химических элементов на Земле и во Вселенной волновала ученых еще до рождения ядерной физики. Вселенная состоит из единого материала, разложенного по ячейкам Периодической системы Д. И. Менделеева: 76 (70) % Н, 23 (28) Не и 1 (2) % приходится на долю более тяжелых элементов. Относительная распространенность тяжелых элементов качественно совпадает для всех космических объектов, звезд, метеоритов, межзвездного пространства.

Во Вселенной преобладают легкие элементы. Из средних по массе элементов выделяется железо. Чаще других встречаются O, K, Pb. Содержание элементов в природе и их происхождение связано с законами, управляющими ядерным веществом.

Физики связывают эволюцию элементов с определенными реакциями, в которых из более простых ядер рождаются сложные. Эволюция элементов – результат определенной последовательности ядерных реакций, протекающих во Вселенной, где есть подходящие условия. Предложенные гипотезы образования химических элементов можно разделить на две группы.

Согласно первой группе гипотез все химические элементы образовались в течение нескольких минут из сверхплотной материи при расширении Вселенной путем ядерных реакций между элементарными частицами: протонами, нейтронами, электронами, позитронами, мезонами.

По другой группе гипотез образование химических элементов происходило в массивных звездах, в которых высокие температура и давление создали условия для ядерных реакций и превращения одних элементов в другие. Эта группа гипотез в настоящее время общепризнанна. Исходным материалом для построения всех элементов считается водород – господствующий элемент Вселенной.

Для рождения атомных ядер необходим исходный материал и достаточное количество энергии. Гравитационные силы, сжимая вещество, могли разогреть водородный газ до температуры в несколько миллионов градусов. В ходе ядерных реакций он превращался в гелий. В дальнейшем природе предстояло создать из них элементы Периодической системы Д. И. Менделеева.

После начала синтеза элементов его продолжили гравитационные и ядерные силы. В сердцевине звезды выгорает водород (N-Процесс), падает давление, новое гравитационное сжатие поднимает температуру еще выше – до 100 млн °С (Н-Процесс). При такой температуре роль топлива продолжил вновь образованный из водорода гелий. Ядра гелия приобретали энергию, достаточную для преодоления более высокого, чем у протона водорода, электростатического барьера – α-частицы (Не-Процесс):

3 ⁴Не → ¹²С + γ.

Ядра элементов, захватывая α-частицы, создавали новые химические элементы (С-, О-Процессы) до железа включительно:

¹²С + ⁴Не → ¹⁶О,

¹⁶О + ⁴Не → ²Ne,

²⁰Ne + ⁴Нe → ²⁴Mg.

Процесс с участием α-частиц завершается, видимо, к концу активной жизни звезды. Дальше начинали действовать накопившиеся в продуктах горения кремния нейтроны (n-Процесс). Сложные ядра оказались, как бы погружены в «ванну» из этих частиц.

Если звезда остается реакционно устойчивой, после завершения α-Процесса она испытывает дальнейшее сжатие, при котором возникают термоядерные реакции в обстановке статического равновесия. В этих условиях образуются ядра с наиболее устойчивой связью около железа-56. Процесс образования ядер этой группы химических элементов назван е-процессом.

Захватывая нейтроны, атомные ядра начали расти по массе, образуя новые средние и тяжелые элементы. Их синтез связан с реакциями нейтронного захвата при еще более высоких температурах (n-, s-, r-Процессы). Процесс нейтронного захвата (n) может происходить у ядер с массовыми числами от А = 20 до А = 56. При достаточном количестве в звездах элементов группы железа цепь нейтронного захвата с последующим β-распадом может продлиться до тех пор, пока не возникнут α-активные изотопы с массовым числом А > 209.

В условиях звездных недр может протекать медленный s-Процесс и быстрый r-Процесс захвата нейтронов. Последний протекает за короткое время (секунды, минуты, часы) в период вспышки сверхновой звезды, аналогично взрыву водородной бомбы, с образованием элементов до ²⁵⁴Cf. Допускается мощная концентрация нейтронов, возникающих в ходе термоядерной реакции.

Самые тяжелые ядра, как предполагают ученые, возникают при вспышке Сверхновой звезды, в которую превращается старая звезда, когда после выгорания топлива внутри ее падает давление.Резкое гравитационное сжатие приводит к взрыву оболочки с захватом глубоких областей звезды. Копившиеся там долгие миллиарды лет слож­ные ядра – драгоценный продукт эволюции звезды, – проносясь сквозь нейтроны, попадают в межзвездное пространство.

Считается, что нейтроны во время вспышки Сверхновой, подобно песку, заполняющему любую трещину во время самума, быстро в большом количестве забивают сложные ядра, переводя их в разряд самых тяжелых и неустойчивых. Может быть, они как кристаллы в перенасыщенном растворе «растут» постепенно. По первому варианту предпочтение отдается образованию ядер платины, по второму – ядер свинца. Так действовали две модели нуклеосинтеза элементов. Некоторые теоретики допускают, что нейтронная звезда представляет собой остаток Сверхновой и является космической фабрикой, специализирующейся на производстве тяжелых элементов.

Среди тяжелых химических элементов имеются изотопы, относительно обогащенные протонами, которые не могли образоваться под влиянием рассмотренных выше процессов. Для объяснения их образования был предложен процесс протонного захвата (р-Процесс). Он может происходить при взрыве Сверхновой, которая содержат много водорода. Есть предположения, что синтез химических элементов непрерывно идет во Вселенной. На Земле новые элементы, возможно, образуются в ее ядре.

В итоге можно заключить, что в синтезе химических элементов участвуют следующие космические процессы, которые обозначаются буквами латинского алфавита.

1. N – горение водорода при высоких температурах.

2. Н – сгорание водорода с образованием Не.

3. Не – горение Не с образованием ¹²С, ¹⁶О, ²⁰Nе. Процессы с α-частицами, при которых образуются ²⁴Mg, ²⁸Si, ³²S, ³⁶Ar, ⁴⁰Ca, в результате последовательного захвата α-частиц ядрами ¹⁶O и ²⁰Ne.

4. С – взрывное горение углерода.

5. О– взрывное горение кислорода.

6. Si– взрывное горение кремния.

7. n– обогащение нейтронами продуктов горения кремния.

8. е-Процесс равновесный – статическое равновесие между ядрами, протонами и нейтронами при высокой температуре, объясняющее пик распространенности для Fe.

9. s-Процесс медленного захвата нейтронов с образованием элементов до ²⁰⁹Вi включительно.

10. r-Процесс быстрого захвата нейтронов с образованием элементов до ²⁵⁴Cf.

11. р-Процесс образования богатых протонами ядер.

12. х-Процесс с образованием Li, Вe и В путем взаимодействия космических лучей с атомными ядрами межзвездной среды.

13. U-Процесс космологического нуклеосинтеза до образования звезд.

В зарождении химических элементов участвуют от одного до четырех космических процессов.

По современным представлениям в зарождении конкретных химических элементов участвовали следующие космические процессы.

Химические элементы: Космические процессы:

H, He	–	U
Li	–	x, H, U
Be, В	–	x
C	–	He, H
N	–	H
O	–	He, H
F	–	N
Ne	–	О, He, N
Na, Mg, Al	–	C
Si	–	O, Si
P	–	O
S, Cl, Ar, K	–	O, Si
Ca	–	O, Si, s, N
Sr	–	Si, е
Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn	–	е
Ga, Ge	–	е, s
As, Br, Rb, Y, Nb, Zr, Rh	–	s, r
Th, U	–	r
Se, Kr, Sr, Mo, Ru, Pd, Cd, Zn, Sn, Sb, Te, I, Xe, Cs, Ba, La и лантаноиды, Hf, Ta, W, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Te, Pb и Bi	–	p, s, r

В микромире судьбу атомных ядер решают в основном ядерные и электромагнитные силы. Лишь изредка заметную роль играет слабое взаимодействие. На атомные ядра влияют пи-мезоны с положительным электрическим зарядом. Проскальзывая через ядро, пи-мезон вступает в реакцию с двумя нейтронами. Он преаращает их в протоны, а сам покидает ядро в виде отрицательно заряженной частицы. Оставшееся ядро, не потеряв ни одного нуклона, превращается в новый изотоп химического элемента, который в Периодической системе Д. И. Менделеева находится на две клеточки дальше от элемента его породившего.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВСЕЛЕННОЙ