В.В.ПРИСЕДСКИЙ

КРАТКАЯ

ИСТОРИЯ

ПРОИСХОЖДЕНИЯ

АТОМОВ

ДОНЕЦК 2009

МИНИСТЕРСТВО ПРОСВЕЩЕНИЯ И НАУКИ

УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

В.В.Приседский

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ

ПРОИСХОЖДЕНИЯ АТОМОВ

(учебное пособие к изучению блока «Строение вещества» в курсах физики и химии) Донецк 2009 УДК 543.063 П Приседский В.В. Краткая история происхождения атомов (Учебное пособие к изучению блока «Строение вещества» в курсах физики и химии для студентов всех специальностей) // Донецк: ДонНТУ, 2009.- 48 с.

Современные достижения физики, астрономии и космологии значительно изменили наши представления о происхождении и истории Вселенной. Это же касается такого фундаментального для химической науки вопроса как происхождение атомов химических элементов. Эти вопросы имеют первостепенное значение для формирования научного мировоззрения студентов. К сожалению, они еще практически не освещены в учебной литературе. Настоящее пособие является попыткой хотя бы частично исправить такую неудовлетворительную ситуацию.

Рецензенты: проф. Ю.Б.Высоцкий проф. М.А.Зиновик Рассмотрено:

на заседании кафедры общей химии ДонНТУ протокол № от 05.02. Утверждено:

на заседании учебно-издательского совета ДонНТУ протокол № от 11.03. © Приседский В.В.

© Донецкий национальный технический университет В бесконечном многообразии протекающих вокруг нас разнообразнейших превращений атомы большинства химических элементов с завидным постоянством сохраняют свою индивидуальность.

Атомы фантастически долговечны. Посмотрите с уважением на кончики своих пальцев. За несколько миллиардов лет существования нашей планеты атомы, из которых сейчас построены наши тела, успели побывать в горных породах и поверхностной почве, они выбрасывались вулканами и разносились по воздуху, с каплями дождя снова падали на землю, стекая затем в реки, моря и океаны. Их усваивали растения и поедали животные, в бесконечных цепочках обмена они снова выбрасывались в неживую природу и снова оказывались в других организмах. Еще раньше, более 4,5 миллиардов лет назад они входили в состав той поначалу разреженной газопылевой туманности, сгущение которой дало начало Солнечной системе. Но во всех этих бесконечных превращениях каждый атом оставался самим собой (за исключением того сравнительно небольшого числа, которые подвергались радиоактивному распаду или, возможно, другим ядерным реакциям под действием таких высоко энергичных излучений, как космические лучи).

Тайна происхождения атомов теряется в еще более далеких глубинах истории нашего мира.

1. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ Современная космология как наука, изучающая Вселенную в целом, возникла в первой половине ХХ века.

Решающими предпосылками ее развития стали создание А.Эйнштейном релятивистской теории тяготения – общей теории относительности (1916г.) и зарождение внегалактической астрономии (1920-е годы). Согласно теоретическим представлениям, подтвержденным значительным количеством наблюдательных и экспериментальных данных, наша Вселенная конечна и возникла 13,7 ± 0,2 миллиарда лет назад в результате процесса, получившего название Большой Взрыв. Из первоначально чрезвычайно плотного и горячего состояния наш мир начал расширяться и остывать, и этот процесс, как впервые установил американский астроном Э.Хаббл, продолжается до сих пор. Полагают, что большую часть своей истории Вселенная расширяется по степенному закону:

R(t) t1/2.

По существующим оценкам спустя чрезвычайно короткое время, 10-42 с после Взрыва (точнее – после так называемой точки космологической сингулярности, при приближении к которой плотность Вселенной стремится к бесконечности) плотность вещества и температура составляли чудовищные с нашей точки зрения величины: 1094 г/см3 и 1032 К соответственно.

При такой температуре не могли существовать скольконибудь сложные частицы, такие как протон или нейтрон.

Следовательно, не было еще и атомов. Даже появляющиеся элементарные частицы тут же снова превращались в кванты энергии. Последние доминировали в состоянии материи в то время. Чтобы частицы стали устойчивы, температура должна упасть настолько, чтобы энергия квантов стала меньше энергии, отвечающей массе покоя частиц согласно формуле Эйнштейна E = mc2. Известные в настоящее время четыре вида фундаментальных взаимодействий частиц – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерные – в ту эпоху были слиты в одно «объединенное»

взаимодействие.

За последующие невероятно краткие по всем нашим представлениям доли секунды проследовали целые эпохи в состоянии расширяющегося мира. В так называемую инфляционную эпоху (на латинском языке inflatio – раздувание), с 10-36 по 10-32 с, из области размером менее протона Вселенная стремительно расширилась по экспоненциальному закону R(t) eH(t) t примерно на тридцать порядков величины (в 1030 – в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз!). По мере расширения и остывания из сил объединенного взаимодействия сначала выделилась гравитация, а затем разделились и все другие виды фундаментальных взаимодействий.

После 10-12 с началась эпоха кварков, а после 10-6 с в первичной кварк-глюоновой плазме стали образовываться адроны – частицы, в которые связываются кварки силами сильного взаимодействия. Возникли устойчивые тяжелые субатомные частицы – состоящие из трех кварков барионы, такие как протон и нейтрон. Появление протонов знаменовало приход ядер атомов первого химического элемента – водорода.

2. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТЕОРИИ

ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

В понимании процессов на этой и других стадиях истории Вселенной ключевую роль играет физика элементарных частиц.

Первой элементарной частицей, открытой физиками, стал электрон (Дж.Дж.Томсон, 1897 г.). Вскоре Э.Резерфорд доказал, что атом представляет собой сложную систему с очень маленьким, но массивным положительно заряженным ядром в центре, вокруг которого снуют легкие отрицательно заряженные электроны. Какое-то время после этого к элементарным частицам относили только электрон и протон.

Протон – ядро самого легкого изотопа легчайшего из элементов – водорода. Ядра атомов более тяжелых элементов и даже более тяжелых изотопов водорода не могли состоять только из протонов. Сначала полагали, что в них также входят электроны, компенсируя заряд части протонов и связывая их силами электрического притяжения.

В 1931 г. Дж.Чадвик открыл нейтрон, и стало ясно, что в ядре протоны и нейтроны удерживаются значительно более мощными силами, чем электромагнитные. К известным до того двум типам фундаментальных взаимодействий:

гравитационному и электромагнитному – были добавлены еще два: сильное и слабое ядерные. Сильное связывает нуклоны – протоны и нейтроны в составе атомных ядер, слабое проявляется, например, при радиоактивном распаде. В отличие от гравитации и электромагнетизма, оба ядерных взаимодействия короткодействующие и проявляются только в микромире, на расстояниях, не превышающих размеры атомного ядра.

Последующее развитие физики привело к открытию нескольких сотен субъядерных микрочастиц, большинство которых претендовали на роль элементарных. Одно время казалось, что семейство элементарных частиц разрастается до бесконечности: мюоны, пионы, мезоны, каоны, гипероны, барионы, странные частицы, резонансы… Число таких микрочастиц быстро превысило три с половиной сотни.

Сравнительно недавно стало также выясняться, что многие из них обладают внутренней структурой, т.е. не являются истинно элементарными, фундаментальными.

Важнейшая характеристика микрочастиц – величина их спина. Различают фермионы, имеющие полуцелый спин (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино), и бозоны, которые имеют нулевой или целый спин (например, - и Кмезоны, фотон). Наиболее радикально они различаются характером коллективного поведения в ансамблях, а именно характером распределения по возможным состояниям системы. Фермионы подчиняются принципу запрета Паули и статистике Ферми-Дирака, согласно которым каждое квантово-механическое состояние может занять только один фермион. Наоборот, бозоны, подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна, стремятся все «скатиться» в состояние с наименьшей энергией.

К семидесятым годам ХХ века признание получила так называемая Стандартная теория, позволившая привести в достаточно стройную систему мир элементарных частиц.

Согласно Стандартной теории все виды вещества состоят из 12 фундаментальных, т.е. истинно элементарных, не состоящих из других частиц. К ним относятся 6 кварков (u, d, s, c, b, t) и 6 легких частиц – лептонов (электрон е, мю-мезон или мюон µ, тау-мезон или таон и отвечающие им три вида нейтрино ). Различные типы кварков называют «ароматами». Они получили свои условные названия от английских слов: up – вверх, down – вниз, strange – странный, charmed – очарованный, beautiful – прекрасный, true – истинный. Последние два стали также называть bottom – нижний и top – верхний.

Все эти 12 частиц – фермионы и подразделяются на три семейства, включающие по два кварка и два лептона (табл.1).

Таблица 1. Три семейства и массы фундаментальных Первое семейство Второе семейство Третье семейство и-Кварк d-Кварк Электрон Кварки несут дробный электрический заряд (+2/3 или – 1/3), но т.к. они никогда не встречаются отдельно, а только в определенных комбинациях, в природе можно наблюдать только целые электрические заряды (в единицах заряда электрона). Кварки навечно заключены в таких комбинациях, т.е. в составных частицах, называемых адронами. Само явление невылета одиночных кварков из адронов называется конфайнментом.

Кварки могут принимать участие во всех четырех известных фундаментальных взаимодействиях: сильном и слабом ядерных, электромагнитном и гравитационном. Из кварков построено великое множество составных частиц, принимающих участие в сильном взаимодействии – адронов.

Причиной сильного взаимодействия является то, что кроме электрического, кварки несут также еще и другой, весьма своеобразный заряд, которому физики дали условное название цветного. Именно взаимодействие цветных зарядов обусловливает появление силы, связывающей кварки в адроны. Цветной заряд никак не «чувствует» электрический, и в сильном взаимодействии протон и нейтрон совершенно эквивалентны. Лептоны, например электрон, не несут цветного заряда, будучи в этом отношении нейтральными или, как говорят, бесцветными.

Цветные заряды сильного взаимодействия имеют три равноправные разновидности, условно называемые красным, зеленым и синим цветом. Таким образом, каждый из шести ароматов кварков в табл.1 может быть трех цветов. Подобно тому, как это имеет место в оптике и издавна хорошо известно художникам, смешение трех основных цветов дает нейтральный (белый), т.е. обесцвечивает окрашиваемый предмет. Все наблюдаемые микрочастицы бесцветны. Это обязательное условие сильного взаимодействия и причина конфайнмента цветных кварков. По этой же аналогии раздел квантовой механики, занимающийся сильным взаимодействием, называется квантовой хромодинамикой (т.е. цветодинамикой). Другой возможностью обесцвечивания является комбинация цвета с антицветом. В оптике представление об антицвете (или дополнительном цвете) дает негатив изображения в цветной пленочной фотографии.

Заряженные лептоны (электрон е и его более тяжелые аналоги мюон µ и таон ) не могут принимать участия в сильном взаимодействии, а все три вида нейтрино – в сильном и электромагнитном. В отличие от кварков, лептоны сами по себе не могут образовывать более сложные составные частицы. С момента своего открытия и по настоящее время электрон и другие лептоны сохраняют статус фундаментальных – истинно элементарных частиц.

Известные слова В.И.Ленина: «Электрон так же неисчерпаем, как и атом» пока в точном смысле этой фразы не находят подтверждения.

Роль электронов в нашем мире огромна. Именно они являются теми отрицательно заряженными частицами, что вместе с ядрами образуют атомы всех химических элементов Периодической системы. Именно они несутся по металлическим проводам, по которым течет электрический ток. Именно они являются основными действующими лицами в многочисленных устройствах электроники.

Более тяжелые лептоны нестабильны. Время жизни мюона составляет 2·10-6 с, а таона – 3·10-13 с.

соответственно из 12 античастиц. Античастицы фундаментальных фермионов идентичны последним почти во всех отношениях за исключением того, что они несут противоположный по знаку электрический заряд и имеют противоположные значения других квантовых чисел, например, вместо цвета – антицвет. Так, антиэлектрон е+ несет положительный электрический заряд; по историческим причинам за ним закрепилось название позитрон.

Все известные составные субъядерные частицы – адроны – состоят из кварков и участвуют в сильном взаимодействии.

Примеры их кваркового состава приведены в табл.2.

Адроны делятся на барионы, имеющие полуцелый спин (фермионы) и мезоны – адроны с целым спином (составные бозоны). Самый легкий из барионов – протон. Барионы образуются как бесцветные комбинации из трех кварков разного цвета. Например, протон представляет собой комбинацию двух кварков u с электрическим зарядом +2/3 и одного d с зарядом -1/3: uud. Все три этих кварка должны нести различающиеся цветовые заряды с тем, чтобы их смешение дало бесцветную частицу. Нейтрон – комбинация одного «верхнего» и двух «нижних» кварков: udd.

Мезоны образуются как бесцветные комбинации двух фундаментальных частиц – кварка и его античастицы. Они несут соответственно цветной и антицветной заряды.

Следует заметить, что для построения большинства устойчивых адронов достаточно только четырех фундаментальных частиц первого семейства. Более тяжелые частицы второго и третьего семейств дают короткоживущие комбинации, которые быстро распадаются.

Таблица 2. Кварковый состав некоторых адронов (черточками сверху обозначены античастицы) Барионы Протон p+ Мезоны составляющим вещество, необходимо добавить также фундаментальные частицы-бозоны, которые играют роль переносчиков взаимодействий (табл.3). Современные экспериментальные данные указывают, что существуют только четыре качественно различные фундаментальные взаимодействия, в которых участвуют микрочастицы.

Фундаментальные взаимодействия различаются не только качественно, но и количественно. По мере увеличения интенсивности, силы взаимодействия они располагаются в следующем порядке: гравитационное, ядерное слабое, электромагнитное, ядерное сильное.

В мире микрочастиц гравитационное взаимодействие настолько слабо, что практически никак не проявляется. Зато, будучи универсальным и дальнодействующим, оно проявляет себя как доминирующая сила в макроскопическом мире.

Именно гравитация определяет поведение объектов на астрономических масштабах и эволюцию Вселенной в целом.

Рис.1. Схема квантового электромагнитного На микроскопическом уровне все взаимодействия передаются через посредников – поля так называемых калибровочных бозонов. Бозоны – потому, что кванты этих полей ведут себя как частицы с целым спином. Термин «калибровочные» указывает на математический прием, с помощью которого такие частицы вводятся в теорию.

взаимодействия частиц состоит в обмене квантами соответствующих полей, которыми и являются такие бозоны.

Например, при электромагнитном взаимодействии заряженные частицы обмениваются квантами электромагнитного поля – фотонами. Одна заряженная частица испускает фотон, в результате чего состояние ее движения изменяется (рис.1). Другая частица поглощает этот фотон и также изменяет состояние своего движения. Фотоны, участвующие в этих быстрых обменах, называют виртуальными. В результате частицы как бы «чувствуют»

друг друга и, например, одноименные электрические заряды отталкиваются, а противоположные – притягиваются.

Таблица 3. Бозоны-переносчики четырех фундаментальных взаимодействий (массы указаны в единицах массы протона) Взаимодействие Частицы, переносящие Масса Спин Кварки участвуют в сильном взаимодействии и объединяются в адроны потому, что их цветные заряды обмениваются глюонами – квантами поля сильного взаимодействия и т.д.

Полный список известных калибровочных бозонов – переносчиков взаимодействий включает (табл.3):

- глюоны для сильного взаимодействия (они одновременно несут цвет и антицвет; всего их насчитывают 8 видов);

- фотон для электромагнитного взаимодействия;

- три тяжелых калибровочных бозона Z, W+ и W для слабого взаимодействия (только эти калибровочные бозоны имеют ненулевую массу покоя);

- гравитон для гравитационного взаимодействия (до сих чрезвычайной слабости этого взаимодействия).

Фундаментальные бозоны-переносчики взаимодействий не имеют античастиц (или, как точнее выражаются физики, они тождественны своим античастицам).

В отличие от других, слабое взаимодействие способно «перемешивать» фундаментальные фермионы разных семейств, что и приводит к нестабильности частиц, такой как радиоактивный распад.

Протоны и нейтроны связаны в атомном ядре остаточными силами сильного ядерного взаимодействия, которые удерживают кварки в их составе. Такие силы внешне проявляются также как обмен мезонами – пионами. В какой то мере для химика это напоминает межмолекулярное взаимодействие за счет остаточных сил химической связи.

Все фундаментальные частицы Стандартной теории представлены на рис.2.

3. НУКЛЕОСИНТЕЗ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА

Но вернемся к первым моментам существования Вселенной. К концу первой секунды после Большого Взрыва она расширилась примерно до 1500 млрд км, плотность материи понизилась до 106 г/см3, а температура упала до К – ста миллиардов кельвинов. Вскоре наступил период, когда условия во всей Вселенной в целом стали схожими с теми, что в наше время встречаются в недрах звезд. При температурах порядка 1010–109К становится возможным протекание ядерных реакций первичного нуклеосинтеза – образование из протонов ядер атомов более тяжелых элементов. Эпоха первичного нуклеосинтеза длилась всего несколько минут – примерно с 3 по 20 мин после Большого Взрыва. Именно в это время была заложена основная особенность химического состава Вселенной в целом – преобладание в ней водорода и гелия в соотношении H/He = 3/1.

I II III

Кварки Лептоны Рис.2. Фундаментальные частицы Стандартной теории Сначала при столкновении нейтронов и протонов образовались ядра дейтерия – тяжелого водорода:

Здесь использованы обозначения: n – нейтрон; p – протон;

– фотон; ядра тяжелее протона мы указываем массовыми числами и символами соответствующих химических элементов: 2Н – дейтерий и т.д. При Т = 1010 К равновесие этой экзотермической ядерной реакции еще сильно смещено влево и лишь при охлаждении до температур порядка одного миллиарда (109) кельвинов равновесие смещается вправо в достаточной степени для эффективного ее протекания.

В этой и последующих реакциях термоядерного синтеза частицы взаимодействуют парами: так же, как и в процессах гомогенной химической кинетики, столкновение сразу трех частиц, нуклонов или ядер, значительно менее вероятно. В следующих ядерных реакциях образовались ядра гелия:

Казалось бы, присоединяя раз за разом к ядру протон, можно постепенно получать все более тяжелые химические элементы. Однако на этом пути встает неожиданное препятствие – в природе нет устойчивых ядер с массовыми числами 5 и 8.

Это наглядно видно на карте изотопов, показанной на рис.3. Клеточками на карте обозначено положение всех возможных изотопов в зависимости от числа протонов Z и нейтронов N = A – Z в составе их ядер (здесь Z – заряд ядра, A – массовое число изотопа). Клеточки более или менее устойчивых изотопов образуют так называемую «долину стабильности», выделенную на рисунке фоном. Долина стабильности лежит вблизи (большей частью – несколько ниже) диагонали Z = N на карте «число протонов – число нейтронов». Стрелки разных направлений на рис. показывают пути ядерных превращений при захвате ядром протонов, нейтронов или -частиц.

Видно, что на диагоналях A = (Z + N) = 5 и A = 8 нет клеточек стабильных изотопов. Такие ядра как 5He, 5Li, 8Be крайне неустойчивы и тут же распадаются, выбрасывая «лишние» нуклоны, с образованием 4Не – резерфордовской -частицы.

Рис.3. Карта изотопов (начальная часть для малых атомных номеров). Фоном выделена долина стабильных изотопов Преодолеть этот барьер («провал масс») возможно в реакции гелия-3 с гелием-4:

(здесь e- – электрон, – нейтрино). Однако для протекания последних реакций требуется больше энергии, а значит, и более высокие температуры, т.к. заряды ядер гелия в два раза выше, чем у протонов. Поэтому лития и бериллия в ходе первичного нуклеосинтеза образуется очень мало, а более тяжелые элементы (астрофизики называют их «металлами») практически не образуются вообще. Примерно к 20 мин после Большого Взрыва, при охлаждении до Т < 106 K процесс первичного нуклеосинтеза останавливается.

Контрольный вопрос. Найдите на карте изотопов местоположение нуклидов 5He, 5Li, 8Li. В каком направлении смещается на карте положение нуклида при его -распаде, при котором из ядра удаляется электрон: а) на клеточку вправо; б) на клеточку вверх; в) на клеточку вверх и на клеточку влево?

Модель Большого Взрыва позволяет достаточно точно рассчитать концентрации 1H, 2Н, 3He, 4He, 7Li, образовавшихся на стадии первичного нуклеосинтеза.

Относительные концентрации по массе составляют: 4He/H = 0,33; 2Н/H = 10-3; 3He/H = 10-4; 7Li/H = 10-9. Таким образом, в результате нуклеосинтеза Большого Взрыва вещество Вселенной на три четверти по массе состояло из водорода и на одну четверть – из гелия. К нашему времени это соотношение изменилось лишь в малой степени.

В последующую эпоху Вселенная хотя и стала слишком холодной для продолжения реакций ядерного синтеза, все же оставалась чересчур горячей, чтобы электроны могли рекомбинировать (объединиться) с ядрами водорода и гелия.

Вещество представляло собой горячую плазму и было непрозрачно для излучения – фотонов электромагнитных полей. Потребовалось 240-310 тысяч лет и охлаждение до температур в несколько тысяч кельвинов, чтобы в результате рекомбинации образовались нейтральные атомы Н и Не.

Именно в эту эпоху свет смог отделиться от вещества и Вселенная стала прозрачной. Аналогично тому, как свободные валентные электроны обусловливают непрозрачность даже тонкого слоя металла, не связанные с атомными ядрами электроны поглощали все кванты света – фотоны, набрасывая покрывало непрозрачности на весь мир.

Освободившееся после рекомбинации электронов тепловое излучение до сих пор распространяется по расширяющейся Вселенной. Существование такого реликтового излучения было предсказано американским физиком Георгием Гамовым. В 1965 г. оно было обнаружено А.Пензиасом и Р.Вилсоном как приходящее со всех сторон из космоса микроволновое фоновое излучение с температурой около 3 К.

О соотношении частиц вещества и квантов полей в нашем мире дает представление тот факт, что на каждый атом вещества приходится 100 миллионов фотонов реликтового излучения! Когда вы видите «снег» на экране не настроенного на ТВ сигнал телевизора, вы как раз и наблюдаете наряду с другими помехами такие фотоны.

Сегодня трудно представить, что этот «свет» пришел не от какого-то конкретного источника, не от далекой галактики, не от вспыхнувшей когда-то сверхновой, а от всех достаточно отдаленных частей вдруг «просветлевшей» Вселенной, которая в те времена еще не была настолько структурирована, чтобы можно было выделить такие отдельные образования, как галактики или звезды. Для последних время рождения было еще впереди. Открытие реликтового излучения стало одним из первых и убедительных подтверждений теории Большого Взрыва.

Вселенная расширялась и охлаждалась далее. Максимум теплового излучения сместился из видимого в инфракрасный, а затем и микроволновый диапазон, и на последующие десятки и сотни миллионов лет наступили космические Темные Века. До тех пор, пока в расширяющейся Вселенной не образовались первые галактики и вспыхнули первые звезды.

4. ЗВЕЗДНЫЙ НУКЛЕОСИНТЕЗ. ПРОТОНПРОТОННЫЙ И УГЛЕРОД-АЗОТКИСЛОРОДНЫЙ ЦИКЛЫ

Именно звезды стали той кухней, в которой «выпекаются» тяжелые химические элементы. Звезды возникают в результате сгущения и последующего уплотнения межзвездного вещества (т.е. преимущественно Н и Не) под действием сил гравитации. По мере гравитационного сжатия температура звезды повышается и при Т 107 К снова возникают условия для протекания реакций ядерного синтеза.

Как впервые предположил А.Эддингтон, реакции термоядерного синтеза ядер гелия из ядер водорода являются источником энергии, выделяющейся в виде излучения в звездах. Давление излучения уравновешивает силы гравитационного сжатия, в результате устанавливается равновесие, сохраняющее на длительное время постоянный размер и температуры в различных слоях звезды.

Ключевым понятием при анализе энергетических эффектов ядерных реакций синтеза и деления является энергия связи Eb – та энергия, которая выделяется при образовании ядра из нуклонов – протонов и нейтронов. Если сложить массы нуклонов, составляющих ядро, то эта сумма оказывается больше действительной массы нуклида (ядра с определенным значением массового числа) mя. Разность:

называется дефектом массы и является мерой энергии связи нуклонов в ядре. Энергию связи легко рассчитать из дефекта массы, пользуясь соотношением Эйнштейна. Одна атомная единица массы (а.е.м.) эквивалентна 931,5 МэВ энергии.

Следовательно:

Eb = 931,5 = 931,5[Zmp + (A Z)mn mя], МэВ На рис.4 показана зависимость энергии связи на один нуклон от массового числа. Видно, что при малых массовых числах, энергия связи резко возрастает с увеличением А. Это соответствует значительному энерговыделению в реакциях синтеза легких ядер, таких как синтез гелия из водорода.

Процессы ядерного синтеза, дающие энергию излучения звезд, называют ядерным «горением». Последнее, конечно, не имеет никакого отношению к обычному химическому горению. Говорят о ядерном горении водорода, гелия, углерода, кислорода, неона и т.д. Астрофизики имеют основания уверенно говорить о механизмах ядерных реакций в звездах на основании полученных на земных экспериментальных установках данных по параметрам ядерного взаимодействия – эффективным сечениям сталкивающихся ядерных частиц.

Рис.4. Зависимость энергии связи на один нуклон На протяжении большей части жизни звезд так называемой главной последовательности водород в их недрах превращается в гелий. Это напоминает процессы первичного нуклеосинтеза в первые минуты существования Вселенной за одним исключением. В звездах первого поколения почти не было свободных нейтронов. Нейтрон – частица нестабильная и распадается по реакции:

Этот процесс с периодом полураспада около 15 мин за миллионы лет космических Темных Веков привел к практически полному исчезновению свободных нейтронов.

Поэтому в звездах первого поколения, как и в современных звездах с массой, равной или меньшей массы нашего Солнца, ядерный синтез гелия из протонов идет не через столкновение с нейтронами, а по протон-протонному или ррциклу (рис.5).

Рис.5. Схема протон-протонного цикла Все начинается с образования дейтерия при столкновении двух протонов (очевидно, для преодоления их кулоновского отталкивания необходимо больше энергии, а значит и требуется более высокая температура, чем для слияния протона с нейтроном) (е – позитрон, античастица электрона).

Затем дейтерий захватывает еще один протон и превращается в гелий-3:

преимущественно по двум каналам:

или Канал рр І доминирует при температурах 5-15 млн К, а канал рр ІІ – при 18-23 млн К. На Солнце ядерные реакции по каналу рр І протекают с частотой 86%, а по каналу рр ІІ – 14%. Итогом любой из этих цепочек является превращение четырех протонов в ядро атома гелия. Суммарное уравнение реакций цикла ррI:

Если же учесть, что образующиеся при столкновении протонов античастицы – позитроны тут же аннигилируют с электронами звездного вещества:

суммарный энергетический эффект протон-протонного цикла оказывается еще выше:

Мы видим, что энергетический эффект реакции синтеза ядер гелия из протонов (26,7 МэВ соответствуют 2, кДж на моль ядер 4Не) в миллионы раз превышает тепловые эффекты обычных химических реакций, таких как, например, горение углеводородов. Выделяемая энергия уносится излучением и нейтрино. На Солнце нейтрино в рр І и рр ІІ цепочках превращений уносят соответственно 2 и 4% общего энерговыделения. Поскольку нейтрино взаимодействуют с веществом крайне слабо, только -кванты поддерживают высокую температуру и давление во внутренних слоях и обеспечивают светимость звезды как в виде теплового излучения с ее поверхности, так и в виде частиц солнечного (или звездного) ветра.

Ядерная реакция превращения водорода в гелий является основным источником энергии Солнца и других звезд так называемой главной последовательности на протяжении большей части их жизни.

Главная последовательность занимает определенное место – диагональную полосу на астрофизической диаграмме спектр – светимость, которая известна также по имени авторов как диаграмма Герцшпрунга-Рассела (рис.6).

Светимость определяется полной энергией, излучаемой во всех диапазонах в единицу времени со всей поверхности звезды. Мерой светимости звезд в астрономии является условная единица, называемая абсолютной звездной величиной. По давней традиции к первой звездной величине отнесены наиболее яркие звезды видимые на небе, а самые слабые видимые человеческим глазом – к шестой.

Абсолютная звездная величина учитывает также расстояние до звезды. Чем больше абсолютная величина, тем меньше светимость, при увеличении звездной величины на единицу светимость снижается примерно в два с половиной раза.

Спектральный класс звезды (O, B, A, F, G, K, M) связан с температурой ее поверхности, отложенной на диаграмме рис.6 вдоль ее нижнего края. Приблизительно 90% звезд последовательности. Более массивные и яркие из них находятся ближе к верхнему левому краю, а менее массивные и горячие – к правому нижнему.

Выше и правее Солнца на диаграмме находятся звезды, известные как красные гиганты, еще выше – сверхгиганты, звезды с очень большой светимостью, но сравнительно невысокой температурой поверхности. Наконец, белоголубые компактные звезды лежат далеко под главной последовательностью. На заключительных этапах своей жизни звезды главной последовательности могут переходить как к красным гигантам или даже сверхгигантам, так и к белым карликам.

Рис.6. Диаграмма спектр – светимость Важно, что звездные «термоядерные реакторы»

обладают способностью к саморегулированию. Если энергии выделяется слишком много, давление излучения преодолевает силы гравитационного сжатия, и звезда начинает расширяться. Температура снижается и скорость ядерных реакции, очень сильно зависящая от температуры, быстро падает. В результате гравитация снова уравновешивает давление излучения.

Если же энергии выделяется мало, происходит обратный процесс. В результате звезда поддерживает температуру внутренних слоев на уровне, как раз необходимом для стабильного и не слишком быстрого протекания ядерных реакций.

Лимитирующей в цепочке ядерных реакций рр-цикла является первая стадия. Она протекает чрезвычайно медленно, т.к. включает сильно эндотермический позитронный распад протона. Время полураспада протона в нейтрон составляет один миллиард лет. Поэтому ядерные реакции протон-протонного цикла протекают достаточно медленно. Не будь этого обстоятельства, наше Солнце за 4, млрд лет своего существования могло бы уже давно растратить свои запасы ядерного горючего и погаснуть.

Именно размеренность протекания превращений в рр-цепи оставляет Солнцу при имеющихся запасах водорода еще по крайней мере 5 млрд лет вполне устойчивого существования.

Кроме приведенных выше ядерных реакций протонпротонного цикла, ядерное превращение водорода в гелий может протекать при более высоких температурах по другому, значительно более быстрому пути, в котором в роли катализатора реакций ядерного «горения» водорода выступают ядра углерода.

Это так называемый CNO- или углерод-азоткислородный цикл, известный также по имени авторов как цикл Бёте-Вейцзекера (рис.7). CNO-цикл – доминирующий источник энергии в звездах тяжелее Солнца. Различие заключается, прежде всего, в температурной зависимости скоростей ядерных реакций в этих двух циклах. Цепочки превращений рр-цикла начинаются при 4 млн К, а CNO – при 13 млн К и при 17 млн К становятся доминирующими.

В недрах Солнца Т 15,7 млн К и только 1,7% ядер 4Не рождаются в CNO-цикле.

Для протекания CNO-цикла необходимо наличие ядер углерода. Последние чаще всего образуются в результате так называемой «тройной реакции», в которой сталкиваются три -частицы:

Для интенсивного протекания тройной реакции ядер гелия требуются температуры порядка 150 млн К, однако небольшое количество углеродных ядер, которое все же достаточно для запуска реакций CNO-цикла, может образоваться и при значительно, на порядок меньших температурах.

В звезды второго и последующих поколений ядра углерода могут попасть изначально из газопылевых туманностей, гравитационное уплотнение которых дает начало новой звезде.

Последовательность основных реакций CNO-цикла выглядит следующим образом:

_ Нуклиды углерода, азота и кислорода в этих реакциях фактически представляют собой одно ядро, подвергающееся превращениям в непрерывно повторяющихся циклах. Число таких ядер сохраняется в CNO-циклах и, таким образом, они играют роль катализатора ядерных реакций 4р 4He.

Ускорение ядерных реакций в CNO-цикле приводит к тому, что звезды тяжелее Солнца проходят свой жизненный путь значительно быстрее.

Во всех звездах главной последовательности основным источником энергии на протяжении большей части их жизни является слияние протонов в ядра гелия. Однако скорость этого процесса сильно зависит от температуры, Чем звезда массивнее, тем она горячее. Красным и желтым карликам запасов ядерного горючего хватает на многие миллиарды лет.

Горячим голубым гигантам – только на одну или несколько сотен миллионов лет. Хотя реакция термоядерного синтеза гелия из водорода является основным источником энергии звезд, расчеты показывают, что за все время существования Вселенной в их недрах могло образоваться не более 2% гелия (по сравнению с наблюдаемой его распространенностью ~25%). Основная часть гелия во Вселенной образовалась в процессе первичного нуклеосинтеза в первые минуты после Большого Взрыва.

5. СИНТЕЗ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДО

ЖЕЛЕЗА

Рано или поздно запасы водорода в звезде исчерпываются. Дальнейшая судьба звезды зависит от ее массы. Для звезд с массой, примерно равной массе Солнца, все заканчивается на этапе синтеза гелия. По истощении запасов водорода в недрах звезды он продолжает гореть в слое, окружающем образовавшееся гелиевое ядро.

Гравитация начинает сжимать ядро, повышая его плотность и температуру. Однако когда электроны звездного вещества сильно сближаются в пространстве, в силу принципа запрета Паули они не могут оказаться в одном и том же квантовом состоянии, а это означает, что их скорости должны все более различаться. Это создает давление, препятствующее дальнейшему сжатию. Чтобы преодолеть такое давление масса звезды должна быть больше некоторой предельной величины, известной в астрофизике как предел Чандрасекара.

Он равен примерно полутора солнечным массам. Звезды с массой меньше предела Чандрасекара уходят с главной последовательности, превращаясь в белые карлики. Белый карлик имеет несколько тысяч километров в радиусе (радиус Солнца около 750 тысяч км) и удерживаются в равновесии в силу отталкивания «вырожденных» электронов в их веществе – отталкивания, которое возникает из-за принципа Паули. На небе видно немало белых карликов. Одним из первых был открыт белый карлик, вращающийся вокруг Сириуса – самой яркой звезды северного неба.

В звездах с массой, превышающих предел Чандрасекара, гравитационный коллапс (сжатие) гелиевого ядра приводит к таким давлениям и температурам, что становится возможным протекание других реакций нуклеосинтеза. Именно в них при значительно более высоких температурах происходит образование атомных ядер химических элементов от углерода до железа в результате дальнейших ядерных реакций «горения» углерода, кислорода, неона и кремния.

К моменту, когда температура сжимающегося ядра достигает 150 млн К, а плотность 50 кг/см3, начинается тройная реакция: 34Не 12С. При столкновении двух альфачастиц образуется крайне неустойчивое ядро 8Ве, однако его краткого времени существования (10-16 с) может оказаться достаточным для попадания в него еще одной альфа-частицы, что и приводит к образованию ядра углерода-12:

Для самой возможности протекания такой тройной реакции -частиц принципиально важно, что она является резонансной: энергия второго возбужденного состояния ядра 12 ** С (7,65 МэВ) близка к пороговой энергии его распада на Ве + 4Hе (7,34 МэВ). Интересно, что астрофизик Фред Хойл из чисто астрофизических соображений предсказал, что у ядра углерода должно существовать возбужденное состояние вблизи порога его распада на нуклиды 8Ве и 4Hе. В то время наличие такого состояния ядра углерода было «просмотрено»

при экспериментальных измерениях, и возможность преодоления барьера массового числа 8 в процессах нуклеосинтеза была не видна. Предсказание Хойла можно считать образцом применения так называемого антропного принципа в философии науки. Согласно этому принципу, раз мы существуем, то в нашем мире неизбежно должны действовать законы, обеспечивающие все необходимые условия для нашей жизни, в том числе появление атомов углерода.

После исчерпания гелия равновесие звезды с массой больше предела Чандрасекара снова нарушается, происходит дальнейшее уплотнение ядра и повышение температуры. В то же время «горение» гелия продолжается в слое, окружающем ядро. Излучение из этого слоя сильно расширяет оболочку звезды, так что температура поверхности даже снижается.

Звезда также покидает главную последовательность на диаграмме спектр – светимость и превращается в красный гигант. Расширение охлаждает гелиевый слой, реакция его горения замедляется и оболочка звезды снова сжимается. Эти процессы повторяются циклически, звезда становится переменной и, чтобы прийти к новому равновесию, сбрасывает наружные слои, которые рассеиваются в окружающем пространстве.

При достижении температуры 600 млн К и плотности кг/см3 (что возможно, если масса звезды превышает солнечную по меньшей мере в 4 раза) начинается слияние ядер углерода по следующим основным реакциям:

Важно, что эти реакции создают заметные количества протонов и нейтронов при более высоких температурах по сравнению с предыдущими стадиями нуклеосинтеза, поэтому они создают условия для значительного расширения возможных каналов протекания ядерных реакций.

Параллельно, один из эндотермических каналов слияния ядер углерода ведет к образованию стабильных ядер кислорода:

Наряду с этими реакциями образуются алюминий, кремний и некоторые другие соседние нуклиды в результате захвата протонов, нейтронов и -частиц. Например:

По мере горения углерода в звезде образуется новое инертное ядро, содержащее O, Mg, Ne. Горение углерода протекает при более высоких температурах и со значительно большей скоростью, чем предыдущие ядерные превращения.

Поэтому запасов его хватает только на время порядка тысячи лет. После снижения концентрации ядер углерода ниже уровня, необходимого для поддержания горения 12С, ядро начинает снова сжиматься, а горение углерода продолжается в слое вокруг кислородно-магниево-неонового ядра. К этому времени звезда на стадии красного гиганта уже приобретает «луковичную» структуру: выше находиться слой, где горит гелий, еще выше – слой, где продолжает гореть водород.

Звезды с массами в пределах от 4 до 8 солнечных могут потерять устойчивость и сбрасывают наружные оболочки, которые под действием интенсивного звездного ветра рассеиваются в космическом пространстве. Ядро превращается в кислородно-магниево-неоновый белый карлик.

Звезды с еще большими массами переходят в стадию горения неона, и эволюция теперь развивается настолько быстро, что оболочки звезд уже не успевают приходить к новому равновесию. Неон «загорается» при температуре выше 1,2 млрд К и плотности 4000 кг/см3. При таких высоких температурах становятся возможными процессы фотодиссоциации: под действием особо энергичных гаммаквантов ядра неона распадаются на кислород и -частицу:

Полученные -частицы, сталкиваясь с другими ядрами неона, дают магний:

В итоге на два ядра неона возникают одно кислородное и одно магниевое. Требуется всего несколько лет для истощения запасов неона, и ядро звезды становится кислородно-магниевым. Оно снова начинает сжиматься и теперь на очереди горение кислорода, которое при 1,5 млрд К и плотности 10 т/см3 идет по нескольким каналам. Ядра кислорода, попарно сливаясь, превращаются в кремний, фосфор или серу. В меньшем количестве появляются ядра аргона, кальция, хлора и других элементов:

Горение кислорода завершается за полгода-год, оставляя звездное ядро, обогащенное кремнием. Горение кремния – следующая и завершающая стадия термоядерного синтеза нуклидов в массивных звездах. Прямое слияние двух ядер кремния:

маловероятно из-за большого кулоновского барьера – отталкивания между ядрами с высоким электрическим зарядом. Однако при столь высоких температурах многие атомные ядра становятся подвержены фотодиссоциации – взаимодействию с энергичными -квантами, а образующиеся -частицы, протоны и нейтроны взаимодействуют с не успевшими диссоциировать ядрами и образуют более тяжелые нуклиды вплоть до элементов семейства железа.

Термин «горение кремния» достаточно условен, поскольку насчитывают более сотни каналов протекания ядерных реакций. Например:

Железо обладает наибольшей энергией связи в ядре в расчете на один нуклон (рис.4). Нуклоны нельзя упаковать более эффективно: и на то, чтобы расщепить ядро 56Fe, и на то, чтобы образовать из него более тяжелые ядра, требуется затратить энергию. Поэтому дальнейший термоядерный синтез в результате слияния ядер атомов железа с другими ядрами в недрах звезд не происходит, для этого требуются другие процессы. Такие процессы могут протекать только с поглощением энергии и, следовательно, более не могут служить источником энергии звезды. Звезда приближается к завершению своего жизненного цикла, в недрах ее термоядерные реакции угасают. Это состояние массивной звезды называется предсверхновой, оно предшествует взрыву звезды в результате нарушения в ней равновесия между гравитационным сжатием и давлением испускаемого излучения.

6. СИНТЕЗ ЭЛЕМЕНТОВ ТЯЖЕЛЕЕ

ЖЕЛЕЗА

Синтез нуклидов с атомной массой больше, чем у железа, происходит в звездах за значительно более короткие отрезки времени в результате трех основных процессов: s, r и p (от английских слов slow – медленный, rapid – быстрый и proton).

s-Процесс протекает на определенной стадии эволюции достаточно массивных звезд. Он может длиться многие тысячи и даже миллионы лет, в отличие от r-процесса, протекающего при взрывах сверхновых звезд за считанные секунды. В обоих этих процессах синтез тяжелых элементов происходит за счет захвата атомными ядрами нейтронов.

В s-процессе нейтроны захватываются медленнее по сравнению с возможной скоростью радиоактивного распада. s-Процесс идет в конце жизни звезд с массой от 1 до 3 солнечных, когда они достигают стадии красного гиганта.

Он протекает не в горячем ядре звезды, а в выше лежащих ее слоях при умеренной плотности нейтронных потоков (105на см2 за секунду) и температуре. Примерно половина изотопов элементов тяжелее железа во Вселенной обязана своим происхождением этому процессу.

В звездах на этой стадии идет несколько видов реакций, в которых образуются нейтроны. Основными из них являются следующие:

Захват нейтронов ядром данного атомного номера продолжается до тех пор, пока не образуется нестабильный из-за избытка нейтронов изотоп. Последующий -распад приводит к получению ядра с порядковым номером на единицу большим. Например:

Поскольку радиоактивные изотопы успевают распасться до захвата ядром следующего нейтрона, s-процесс производит стабильные изотопы вдоль долины стабильности на карте изотопов «число протонов – число нейтронов» (рис.8).

Рис.8. Треки s- и r-процессов на карте изотопов На карте изотопов долина стабильности от водорода до кальция соответствует примерно равному числу протонов и нейтронов. В более тяжелых ядрах для преодоления кулоновского отталкивания на каждый протон приходится более одного нейтрона. Завершаются цепочки превращений sпроцесса на изотопах свинца и висмута 209Bi, т.к.

последующие нуклиды Po и 211Po подвергаются -распаду с периодом полураспада 138 дней и 0,5 с соответственно.

Когда жизнь красного гиганта подходит к концу, его ядро превращается в плотного белого карлика, а оболочка рассеивается в окружающем пространстве за счет звездного ветра или резкого сброса верхних слоев, приводящего к образованию планетарных туманностей. Таким образом межзвездная среда пополняется наработанными за время жизни звезды тяжелыми элементами, и постепенно химический состав Вселенной эволюционирует за счет звездного нуклеосинтеза. К моменту образования Солнечной системы этот процесс шел уже более девяти миллиардов лет, и около 1% межзвездного вещества успело превратиться в тяжелые элементы.

Д.И.Менделеева за Bi, образуются в результате r-процесса. В этом процессе ядро должно захватить много нейтронов, прежде чем произойдет его -распад. r-Процесс происходит в течение очень ограниченных временных промежутков при взрывах сверхновых звезд в условиях колоссальной плотности нейтронных потоков (1022 на см2 за секунду и выше) и температур порядка 2-3 миллиардов кельвинов. На карте изотопов трек ядер, создаваемых в r-процессе, лежит примерно на 10 а.е.м. ниже долины стабильности. После спада нейтронных потоков эти крайне нестабильные ядра постепенно распадаются с образованием богатых нейтронами устойчивых ядер. Примерно половина богатых нейтронами ядер во Вселенной, в том числе значительная доля радиоактивных атомов, создана в результате протекания rпроцессов. Протекание цепочки превращений r-процесса прерывается на ядрах с массовым числом 270 из-за их нестабильности по отношению к реакциям спонтанного деления. Быстрый захват нейтронов был частично реализован в искусственных условиях при взрывах ядерных бомб, начиненных ураном-238.

Расчеты показали, что некоторые тяжелые ядра, такие как Pt или 168Yb, не могут образоваться в результате s- или rпроцессов. Процесс, который может приводить к созданию таких богатых протонами ядер, и получил название рпроцесса. Название это вовсе не предусматривает захвата протонов. Повышение доли протонов может быть достигнуто другим путем – выбиванием из ядра «лишних» нейтронов в результате столкновения с энергичными фотонами (фотодиссоциация). Известны два типа таких реакций:

нейтронная и -фотодиссоциация. В первом случае излучение выбивает из ядра нейтрон, во втором – -частицу.

Реакции р-процесса ответственны за синтез некоторых ядер с массовым числом выше 100. Они протекают при взрывах сверхновых на протяжении ограниченных интервалов времени и поэтому ядра, созданные в р-процессе, не так многочисленны.

7. ЗВЕЗДНЫЙ ВЕТЕР, ЗВЕЗДНАЯ ПЫЛЬ И

ВЗРЫВЫ СВЕРХНОВЫХ

Кажется это странным или нет, но практически все атомы нашего тела в свое время родились в недрах звезд. Как сказочная птица Феникс, мы явились из пепла – из пепла других далеких светил. Сотворение химических элементов в процессах термоядерного «горения» является следствием и одновременно важным источником новых этапов звездной эволюции.

Жизненный путь звезды в первую очередь зависит от ее массы (табл.4). Чем больше масса, тем короче звездный век.

Звезды с массой заметно меньшей солнечной (группа 1 в табл.4) могут спокойно существовать на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела (рис.5) на протяжении очень значительного времени, которое может превышать 10 миллиардов лет. Температура в них никогда не достигает уровня, необходимого для «зажигания» гелиевого ядра. Когда заканчиваются запасы водорода, они постепенно угасают, превращаясь в белых карликов.

Таблица 4. Жизненный путь звезд разной начальной группы (в единицах жизни жизнь звезды