Нуклеосинтез (от лат. nucleus - ядро и греч. synthesis - соединение, составление) в природе - образование
в ядерных реакциях, происходящих на разл. стадиях эволюции вещества
Вселенной, наблюдаемой распространённости элементов и их изотопов.
Проблема Н. - это проблема происхождения хим. элементов. Н. можно разделить
на три гл. стадии: космологич. Н., синтез ядер в звёздах и во взрывах звёзд,
Н. под действием космич. лучей.
Космологич. Н. - это синтез ядер на раннем
этапе (до образования звёзд) эволюции вещества во Вселенной. Согласно горячей
Вселенной теории, атомные ядра, более сложные и тяжёлые, чем протон,
стали образовываться через
100 с после начала расширения Вселенной, когда в достаточно горячем веществе,
содержавшем протоны и нейтроны, при температуре Т ~109 К
начали протекать термоядерные реакции синтеза самых лёгких элементов
- дейтерия, трития и гелия:
Стандартная горячая модель хорошо объясняет
наблюдаемое обилие (относит. содержание) первичного (т. е. возникшего на
этом этапе эволюции Вселенной) 4Не в астрофиз. объектах (22%
по массе). Однако образование более тяжёлых ядер на ранней стадии расширяющейся
Вселенной становится невозможным, т. к. уменьшение температуры и плотности
вещества ограничивает реакции синтеза и не позволяет преодолеть т. н. щели
в спектре масс атомных ядер при массовых числах А = 5 и 8, обусловленные
отсутствием в природе стабильных нуклидов 5Не, 5Li,
8Be.
Образование следующих за гелием элементов связано с более поздними этапами
эволюции Вселенной.
Большинство известных хим. элементов возникло
через миллиарды лет после начала расширения Вселенной - в эпоху существования
звёзд, галактик и космич. лучей. Происхождение дейтерия, лития, бериллия,
бора в общей проблеме Н. представляет самостоят. интерес, т. к. эти элементы
легко разрушаются в термоядерных реакциях (их равновесные концентрации
малы), и поэтому их эфф. "производство" возможно лишь в неравновесных процессах.
Такие неравновесные процессы предполагаются в рамках нек-рых моделей космология.
Н., напр. образование дейтерия в реакции
4Не с антипротонами:
Однако наиб. распространённым является представление о динамичном образовании
лёгких элементов с помощью реакций скалывания при взаимодействии галактич.
космических
лучей с межзвёздной средой: быстрые протоны и альфа-частицы в составе
космич. лучей бомбардируют ядра тяжёлых элементов межзвёздной среды и Солнечной
системы, вызывая их расщепление на лёгкие ядра; быстрые ядра углерода,
азота, кислорода в составе космич. лучей, взаимодействуя с межзвёздными
ядрами водорода и гелия, также могут расщепиться на ядра лёгких элементов.
Расчёты показывают, что эти ядерные реакции могут производить наблюдаемые
обилия 6Li, 9Be, 10В. Трудности возникают
лишь при объяснении необычного изотопного состава Li и В (резко выраженное
преобладание нечётных изотопов), а также при объяснении "производства"
D и 3Не, к-рые в указанных выше механизмах разрушаются явно
быстрее, чем создаются. Эффективным дополнит, источником синтеза лёгких
элементов, кроме космич. лучей, могут служить взрывы сверхновых звёзд. Распространение
ударной волны во внеш. оболочках сверхновой и последующее охлаждение могут
привести к реакциям синтеза,,
а реакции скалывания на ядрах углерода, азота и кислорода, инициированные
ударной волной, производят ядра Li, Be, В.
Происхождение подавляющего большинства
изотопов тяжёлых хим. элементов, начиная с углерода и кончая долгоживущими
трансактиниевыми нуклидами (а возможно, и сверхтяжёлыми), обязано синтезу
ядер в звёздах и во взрывах звёзд. Ядра элементов от углерода до никеля
образуются в недрах звёзд в условиях высокой температуры в реакциях термоядерного
синтеза. Ядра более тяжёлых элементов образуются, скорее всего, в массивных
звёздах и во взрывах звёзд в результате последоват. реакций захвата нейтронов.
Ядерный синтез в звёздах можно разделить на "статический" Н. (синтез ядер
на равновесной гидростатич. стадии эволюции звёзд) и взрывной нуклеосинтез (синтез
ядер при взрывах звёзд). К механизмам статич. Н. прежде всего следует отнести
водородный цикл и углеродно-азотный цикл в звёздах гл. последовательности
(см.
Герцшпрунга - Ресселла диаграмма ),к-рые обеспечивают превращение
водорода в гелий, создавая нек-рый избыток гелия и азота по отношению к
их первичному содержанию. Образование углерода и кислорода происходит на
той стадии эволюции звёзд-гигантов (см. Эволюция звёзд ),когда в
их недрах полностью выгорает водород и начинается горение гелия. При температурах,
соответствующих этому процессу (Т ~ 108 К), эффективно
протекают ядерные реакции синтеза:
При более высоких темп-pax (Т ~ 109 К) становятся возможными реакции горения углерода и кислорода с образованием изотопов элементов от неона до кремния. Во взрывном Н. сеть ядерных реакций (рис. 1), протекающих при Т ~ 3 х 109 - 1010 К в условиях термодинамич. равновесия (т. н. е-процесс), приводит к образованию железа и соседних с ним элементов в области "железного пика" (максимума на кривой распространённости нуклидов вблизи А = 56). В верх. половине рис. (слева) стрелками показаны ядерные превращения, происходящие в результате взаимодействия ядер с гамма-квантами, нейтронами, протонами и альфа-частицами (направления стрелок соответствуют перемещениям ядер по диаграмме в результате указанных реакций). Стрелки с символами,, е соответствуют перемещениям по диаграмме в результате,-распадов и электронного захвата е. Кривыми показаны пути ("каналы") реакций "горения" гелия ( * ), углерода и кислорода (12С+12С, 12С + 16О, 16О + 10О) с испусканием протонов (р), нейтронов (п), дейтронов (d) и альфа-частиц ().
Ядра железа характеризуются макс энергией
связи на нуклон, поэтому образование элементов тяжелее железа объясняют
процессами, существенно отличными от реакций термоядерного синтеза, - процессами
захвата нейтронов. Различают два вида реакций захвата ядрами нейтронов,
к-рые протекают в астрофиз. объектах: s-процесс - медленный захват
нейтронов, при к-ром образовавшиеся неустойчивые ядра распадаются раньше,
чем успеет присоединиться следующий нейтрон; г-процесс - быстрый последоват.
захват большого кол-ва нейтронов, опережающий бета-распад .Пути
нейтронного захвата в этих процессах показаны на рис. 2. Медленный нейтронный
захват развивается вдоль линии стабильности ядер (область на диаграмме
Z
- N, занятая стабильными ядрами) при умеренных концентрациях свободных
нейтронов (~107 - 108 см-3). Положение
дорожки (трека) s-процесса зависит от сечений нейтронного захвата
при энергиях нейтронов
30 кэВ и от свойств ядер в полосе стабильности. Этот процесс приводит к
синтезу изотопов мн. тяжёлых элементов вплоть до 209Bi. Осн.
звено в цепи s-процесса - нейтронный захват с последующим-распадом
- хорошо моделируется в эксперименте, и большинство ядерных параметров,
необходимых для расчёта s-процесса, можно изучать в лаб. условиях.
Особенно важны в этом отношении измерения сечений нейтронного захвата
при энергиях нейтронов, соответствующих звёздным температурам (
~ 30 кэВ). Имеющиеся эксперим. данные по сечениямв
этой области энергий подтверждают осн. вывод теории s-процесса:
выходы ядер в установившейся цепи s-процесса для малых областей
изменения массового числа обратно пропорциональны ср. сечениям нейтронного
захвата. Астрофиз. место (т. е. астрофиз. объекты или области внутри них,
где возможен процесс) s-процесса должно обладать температурой Т >
108 К, достаточной для осуществления ядерных реакций, освобождающих
нейтроны с плотностью потока ~1015 - 1016 см-2
с-1 и длительностью облучения ~103 лет. В качестве
источников таких нейтронов были предложены реакции
протекающие в недрах красных гигантов при горении гелия и при попадании
водорода в области, содержащие гелий и углерод:также
Возможен импульсный нейтронный захват, приводящий к образованию тяжёлых
ядер в недрах звезды за счёт периодически повторяющихся вспышек её гелиевой
оболочки, перемешивающих водород и углерод и обеспечивающих необходимую
высокую температуру. Этот импульсный механизм создаёт условия протекания s-процесса
для широкого класса звёзд средних и больших масс - от 3
до 10
Процесс быстрого нейтронного захвата,
в отличие от s-процесса, развивается в области ядер, сильно обогащённых
нейтронами (рис. 2). Положение трека r-процесса зависит от скорости-распада
этих ядер, энергий нейтронов и от нач. условий процесса (температуры и концентрации
нейтронов). Для протекания r-процесса необходимы высокие концентрации
нейтронов (больше 1018 см-3) и достаточно большое
обилие "зародышевых" (стартовых) ядер. Астрофиз. место r-процссса
остаётся до конца не выясненным, хотя существует неск. моделей развития
r-процесса
в разл. взрывных звёздных явлениях. В классич. типе г-процесса добавление
нейтронов идёт до тех пор, пока не установится равновесие прямой и обратной
реакций
В этот момент происходит-распад,
увеличивающий заряд ядра на единицу и настолько же уменьшающий число нейтронов.
Новое ядро (Z + 1, N - 1; Z - число протонов, N - число
нейтронов в ядре) может опять захватывать нейтроны, пока не достигнет др.
критич. точки - т. н. точки ожидания-распада.
Образовавшиеся ядра, обогащённые нейтронами, по мере истощения нейтронного
потока постепенно возвращаются к линии ядерной стабильности путём последоват.-распадов.
Считается, что равновесный r-процесс может протекать вблизи сильнонейтронизованного
ядра сверхновой звезды (см. Нейтронизация вещества ).Однако обсуждается
и др. тип г-процесса, развивающийся во внеш. оболочках сверхновой при прохождении
через них сильной ударной волны.
В этой модели дискуссионными являются
вопросы происхождения достаточно больших потоков нейтронов и необходимого
для осуществления г-процесса обилия зародышевых ядер. Протекание г-процесса
приводит к образованию трансактиниевых нуклидов (232Th, 238U
и др.). Поэтому временная шкала г-процесса должна быть достаточно длинной,
для того чтобы успели синтезироваться эти нуклиды, и в то же время она
должна соответствовать скорости взрывных процессов, развивающихся в течение
неск. секунд. Результаты расчёта скоростей образования ядер r-процесса
могут дать непосредств. ответ на принципиально важный вопрос, обсуждающийся
более 25 лет, - возможен ли в природе синтез сверхтяжёлых элементов. Этот
ответ во многом зависит от результатов исследования вклада процессов испускания
нейтронов при бета-распадах (запаздывающие нейтроны) и деления, происходящего
сразу вслед за-распадом.
Для нейтронообо-гащённых ядер, находящихся на треке r-процесса,
такие процессы особенно существенны.
Разделение Н. в реакциях захвата ядрами
нейтронов на s- и r-процессы не является обязательным: не
исключено, что нейтронный захват в астрофиз. объектах представляет собой
сложную комбинацию этих процессов. Тем не менее такой подход позволяет
объяснить осн. черты наблюдаемой распространённости нуклидов за "железным
пиком". Пики распространённоти при А = 90, 138, 208 соответствуют
резкому повышению выходов в цепи s-процесса стабильных ядер с магич. числами
нейтронов соответственно N - 50, 82, 120. Точно так же пики распространённости
нуклпдов при А = 80, 130, 195 соответствуют большим выходам на дорожке
г-процесса нейтроноизбыточных нуклндов с теми же числами нейтронов N =
50, 82, 126 (рис. 2).
Рис. 2. Пути нейтронного захвата в s- и r -процессах. r-Процесс рассчитан для начальных температур 1,8 х 109К и концентрации нейтронов 1028 см-3. "Задержка" присоединения нейтронов в s-и r-процессах происходит, когда и ядрах числа нейтронов N становятся магическими (N = 50, 82, 126). Этому соответствуют пики выходов нуклидов при массовых числах А, указанных на диаграмме наклонными линиями. Горизонтальными линиями показаны магические числа протонов, вертикальными - магические числа нейтронов. Направление-распада показано стрелками. Линия (n, f) соответствует ядрам, которые испытывают деление при присоединении нейтрона. Разрыв в полосе стабильности связан со спонтанным делением ядер. Деление обрывает г-процесс в области ядер с Z100, однако точная граница r-процесса неизвестна.
Многие стабильные изотопы тяжёлых элементов,
начиная с селена (74Se, 78Kr,
S4Sr и т.
д.), оказываются в стороне от путей нейтронного захвата и не могут быть
образованы в s- и r-процессах. Такие обеднённые нейтронами
ядра с малой распространённостью получили назв. "обойдённые". Предполагается,
что в их образовании существ. роль играют ядерные реакции захвата протонов
(р,),
(р, n) в звёздах, а также реакции фотоотщепления нейтрона (,
n), реакции слабого взаимодействия
и упоминавшиеся выше реакции скалывания.
Проблема происхождения обойдённых ядер пока окончательно не решена. Не
исключено, что гл. механизм их образования связан со взрывами сверхновых,
в к-рых генерируются большие потоки нейтрино, вызывающие ядерные превращения
типа v + (А, Z - 1)(A,Z)
+ е-.
Изложенные выше контуры теории Н. можно
считать построенными. Теория успешно описывает гл. особенности кривой распространённости
нуклидов в Солпечной системе. Однако остаются нерешёнными многочисл. проблемы,
связанные с соотношением пиков наблюдаемых выходов, аномалиями в содержаниях
нуклидов и элементов в разл. астрофиз. объектах, неоднозначностями в выборе
астрофизического места процессов ядерного синтеза.
В. П. Чечев, Я. М. Крамаровский
Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.
Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").
Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.
Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.
Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.