Атомная космическая распространенность элементов

Открытие использование спектрального анализа в астрономических наблюдениях необычайно расширило наши представления о химическом элементарном составе космических тел -- бесчисленного множества звезд. Еще творцы спектрального анализа Г. Кирхгоф и Р. Бунзен обнаружили в составе Солнца те же самые химические элементы, что и на Земле. Спектральный анализ стал широко применяться в астрофизических исследованиях и привел к новым открытиям. В 1868 г. новый элемент-- гелий был обнаружен Дж. Н. Локьером на Солнце, и лишь в 1895 г. спустя 27 лет он был найден на Земле В. Рамзеем в радиоактивном минерале клевеите. Однако количественная оценка распространения элементов в звездах и на Солнце сопровождалась большими трудностями. Высокие температуры звезд вызывают неравномерное возбуждение разных атомов и соответственно определяют различную интенсивность нспускаемого или поглощаемого света. Поэтому расшифровка звездных спектров потребовала существенных поправок на ионизацию вещества, что было выполнено индийским физиком М. Саха. Первую количественную оценку состава верхних оболочек Солнца произвел американский астрофизик Г. Ресселл в 1929 г. Он обнаружил, что по соотношению металлов вещество Солнца ближе к хондрнтовым метеоритам, чем к земной коре. Последующее уточнение состава солнечной атмосферы было выполнено немецким астрофизиком А. Унзёльдом.

Оценка атомной распространенности элементов в космических телах в астрофизике и космохимии чаще всего выражается в числе атомов данного элемента на 106 атомов кремния.

Заключение

Применение достижений ядерной физики и физики частиц высоких энергий к изучению астрофизических явлений позволило построить современные теории образования, строения и эволюции звезд, теории взрыва сверхновых и образования пульсаров и современную теорию образования химических элементов.

Эти теории существенным образом опираются на следующие фундаментальные процессы: 1) превращение водорода в гелий путем водородного и углеродного циклов как источник энергии звезд главной последовательности; 2) совокупность гелиевых реакций с выделением энергии и последующие за ними реакции перегорания углерода и кислорода в недрах массивных звезд; 3) медленный процесс захвата нейтронов в выгоревших корах тяжелых звезд; быстрый процесс нейтронного захвата при вспышках сверхновых и т.д.

Итак, массивные звезды самых первых поколений, завершившие свою эволюцию выбросом в космическое пространство переработанного в их недрах вещества, явились главным источником наблюдаемого богатого разнообразия изотопов в нашей Вселенной.

Другой источник:

http://nuclphys.sinp.msu.ru/astro/astro14.htm

Происхождение химических элементов 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, ³Не, ⁴Не, ⁷Li) спустя 100 секунд после Большого Взрыва при температуре Вселенной 10⁹ 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. Ядерный синтез − синтез легких элементов (Н, D, ³Не, ⁴Не, ⁷Li) в ранней Вселенной.

Распространенность ⁴Не 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 ³Не. 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 ≤ ³Не/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 ³Не, получается следующая оценка для распространенности: [(D + ³Не)/H]_{первонач} ≤ 10^-4.

Распространенность ⁷Li измерить трудно, однако используются данные по изучению атмосфер звезд и зависимость распространенности ⁷Li от эффективной температуры. Оказывается, что, начиная с температуры 5.5·10³ K, количество ⁷Li остается постоянным. Наилучшая оценка средней распространенности ⁷Li имеет вид:

⁷Li/H = (1.6±0.1)·10^-10.

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

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 ~ 10⁷÷7·10⁷ K. Водород перерабатывается в гелий. Возникают ядра легких элементов:²Н, ³Не, ⁷Li, ⁷Be, ⁸Ве, но их мало из-за того, что в дальнейшем они вступают в ядерные реакции, а ядро ⁸Be практически мгновенно распадается из-за малого времени жизни (~ 10^-16 с) ⁸Ве → ⁴Не + ⁴Не. Процесс синтеза, казалось, должен был бы прекратиться, но природа нашла обходной путь. Когда Т > 7·10⁷ K, гелий "сгорает", превращаясь в ядра углерода. Происходит тройная гелиевая реакция − "Гелиевая вспышка" − 3α → ¹²С, но ее сечение очень мало и процесс образования ¹²С идет в два этапа. Происходит реакция слияния ядер ⁸Ве и ⁴Не с образованием ядра углерода ¹²С* в возбужденном состоянии, которое возможно благодаря наличию у ядра углерода уровня 7.68 МэВ, т.е. происходит реакция: ⁸Ве + ⁴Не → ¹²С* → ¹²С + γ. Существование уровня энергии ядра ¹²С (7.68 МэВ) помогает обойти малое время жизни ⁸Be. Благодаря наличию этого уровня у ядра ¹²С происходит Брейт-Вигнеровский резонанс. Ядро ¹²С 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: ¹²С + ⁴Не → ¹⁶0 + γ ¹⁶0 + ⁴Не → ²⁰Ne + γ и так до А ~ 20. Так нужный уровень ядра ¹²С позволил пройти узкое место в термоядерном синтезе элементов. У ядра ¹⁶О нет таких уровней энергии и реакция образования ¹⁶О идет очень медленно ¹²С + ⁴Не → ¹⁶0 + γ. Эти особенности протекания реакций привели к важнейшим следствиям: благодаря им оказалось одинаковое число ядер ¹²С и ¹⁶0, что создало благоприятные условия для образования органических молекул, т.е. жизни. Изменение уровня ¹²С 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 = 12÷20

<58 59 606162 63 64 >

Дата добавления: 2015-07-30; просмотров: 1586;