Ядерный синтез

Ядерный синтез

В приороде существует 92 хим. элемента, от самого простого и легкого, водорода, до самого тяжелого и сложного, урана. Все, что существует, от неживых  объектов до живых существ и небесных тел, состоит из 92 элементов, собранных  в периодической системе элементов  Менделеева. Нет никаких свидетельств, что в каком-нибудь удаленном  уголке космоса существуют элементы, отличающиеся от имеющихся на Земле.

Происхождение хим. элементов  тесно связано с ядерными реакциями, шедшими в первые мгновения после  Большого взрыва и идущими до сих  пор в недрах звезд.

Приблизительно в первые 3 минуты после Большого взрыва образовались первые хим. элементы на так называемой фазе космологического ядерного синтеза. Впервые реакции, происходившие  на этом этапе, были изучены в 1940-х  годах датскими физиками Джорджем Гамовым  и Ральфом Эльфером. Они вместе с Гансом Бете (который за несколько  лет до этого открыл, что существуют ядерные реакции, позволяющие образовываться энергии в центре звезды) сформулировали в 1948 году теорию "альфа-бета-гама" по первым буквам своих фамилий, но в греческом написании.

В основу этой теории было положено суждение о том, что в начале материя  состояла из нейтронов, часть из которых  превращалась в протоны; рекомбинация между протонами и нейтронами привела затем к образованию  значительного количества гелия, а  также и всех других хим. элементов. Эта теория была существенно пересмотрена (первый раз С. Гайаши в 1950г.), тем  не менее её основные черты оставались в силе.

Но вскоре стало ясно, что  она несостоятельна, когда речь заходит  об образовании всех элементов. Последующие  разработки принадлежат теории принадлежат  Пиблзу в 1996 году, и в первую очередь  Хойлу совместно с Фоулером и  Уагонером. Они подсчитали процентное кличество элементов, которые могли  образоваться на фазах, последовавших  после Большого взрыва, и пришли к заключению, что в первые мгновения  жизни Вселенной около 27% превратилось в гелий, что подтверждается современными наблюдениями. Было подсчитано, что  только 10% гелия образуются в звездах, остальные 90% были образованы сразу  после Большого взрыва.

В периодической таблице  Менделеева элементы, следующие за водородом и гелием, синтезированы  в результате ядерных реакций, которые  происходят в звездах и сегодня.

Внутри звезд во время  ядерной реакции комбинируются 2 ядра водорода - это так называемый водородный(солнечный) цикл, или реакция "протон-протон", которая идёт при температуре 10-20 млн. градусов.

Два протона сливаются, образуя  дейтерий, имеющий 1 позитрон(положительно заряженный электрон) и нейтрино. Дейтерий - изотроп водорода, у которого в  ядре, кроме протона, есть ещё и  нейтрон.

На следующей фазе ядро дейтерия сливается с ещё одним  протоном и образует ядро гелия-3 (нестабильный изотроп гелия). И наконец, 2 ядра гелия-3 сливаются, образуя гелий-4 (стабильный изотроп гелия) и 2 протона, готовых  снова вступить в реакцию.

Существует и другая возможность  образования ядра гелия из ядер водорода в результате серий более сложных  реакций, известых как углеродно-азотный  цикл. Для них необходима чуть большая  температура, чем для реакции  водородного цикла, поэтому он происходит в более крупных звездах. Кроме  того, для него нужны такие хим. элементы как углерод и азот, в  качестве катализаторов.

Эти реакции могут преводить  к образованию других хим. элементов, например, кислорода, серы, хлора и  т.д. до железа. На этом цепочка термоядерных реакций заканчивается, потому что  для образования более тяжелых  элементов, чем железо, необходима дополнительная энергия. Речь идет об эндотермических  реакциях, которые абсорбируют энергию  из окружающей среды, в отличие экзотермических  реакциях, при которых энергия  выделяется.

Считается, что образование  элементов, более сложных, чем железо, происходит во время взрыва сверхновой в результате механизма, известного как "захват нейтронов". Ядра всех тяжелых элементов образуются, захватывая нейтроны, чем увеличивают своих  ядер. Последующее преобразование электронов из нейтронов позволяет образовываться очень стабильным тяжелым ядрам.

В ходе этих процессов сложился хим. состав той Вселенной, которую  мы наблюдаем сегодня. Это результат  сложных изменений, происходящих в  ядрах звезд, и взрывов очень  крупных светил. Кроме того, следствием таких взрывов является загрязнение  космоса элементами нового образования. В мире, в котором мы живем, идет постоянная переработка первородной  материи. Поэтому даже с химической точки зрения во Вселенной присходят  постоянные изменения, и она обогащается  тяжелыми элементами, а самых легких становится всё меньше.