Образование более тяжелых элементов,
чем железо, в звездах затруднительно, потому
что существующее кулоновское взаимодействие,
обуславливающее кулоновский барьер,
становится огромным,
на преодоление которого
у звезды уже не остается энергии.
Но ведь железо — не последний
и не самый тяжелый химический элемент.
Как же образовались остальные элементы?
Для того чтобы объяснить существование
более тяжелых элементов,
стоящих в таблице Менделеева дальше железа,
необходимо рассмотреть новые реакции,
которые называются реакции захвата нейтронов.
Различают так называемые быстрые
и медленные процессы захвата нейтронов.
Эти механизмы различаются отношением скорости
захвата нейтронов к скорости распада самого ядра,
т.е. испусканию электронов.
При этом могут образовываться
только сравнительно устойчивые ядра.
Для протекания медленного процесса
необходимо существование нескольких условий.
Первое – температура вещества
должна быть более 100 млн градусов.
Второе – необходима большая
концентрация нейтронов в веществе.
Третье – первые два условия должны выполняться,
по крайней мере, в течение 10 000 лет.
Продукты такой реакции
должны эффективно выноситься в оболочку звезды
в межзвездную среду без дальнейших ядерных реакций.
Основная проблема при описании
медленного процесса, — это источник нейтронов.
Источником нейтронов для протекания
медленного процесса может служить
последовательность нескольких других реакций.
Например, в результате взаимодействия углерода
с протоном образуется ядро азота,
выделяется гамма-квант и 2 МэВ энергии.
В дальнейшем азот распадается на углерод,
позитрон и нейтрино с выделением примерно 1,2 МэВ энергии.
Изотоп углерода-13
взаимодействует с альфа-частицей,
образуется ядро кислорода,
и выделяется 2 МэВ энергии.
Также источником нейтронов может служить
взаимодействие неона с альфа-частичкой,
в результате которого образуется ядро магния,
один нейтрон. Эта реакция
идет с поглощением энергии.
Дополнительным источником нейтронов
может также служить
так называемая фотоядерная реакция.
Эта реакция представляет собой
взаимодействие изотопа углерода-13
с гамма-квантом, при этом образуется
изотоп углерода-12 и нейтрон.
Также существует взаимодействие
азота-14 с гамма-квантом,
в результате которого образуется один нейтрон
и ядро атома азота-13.
Обе эти реакции идут с поглощением энергии.
С увеличением температуры доля
и роль ядерных реакций возрастает.
За счет медленного процесса захвата нейтронов
можно объяснить возникновение стабильных
изотопов вплоть до висмута.
Ядра с зарядом от 84 до 89
не имеют стабильных изотопов
и являются радиоактивными.
Поэтому преодолеть эту область
с помощью медленных процессов, к сожалению, невозможно.
Объяснение существования в природе
таких тяжелых элементов как
уран и торий не возможно при помощи медленного процесса.
Для того чтобы объяснить происхождение
этих элементов необходимо рассмотреть
более сложный процесс —
так называемый быстрый захват нейтронов ядрами.
Этот процесс может продолжаться
до тех пор, пока скорость захвата
нейтронов не станет существенно меньше,
чем скорость распада полученных ядер.
Следует отметить, что в природе
достаточно редко встречаются
и такие более легкие нуклиды, как
как литий-6, литий-7, бериллий-9, 10 и 11.
Это обуславливается их высокой нестабильностью
и способностью к быстрому разрушению.
Поэтому эти элементы не могут образовываться
в результате обычного нуклеосинтеза.
Возникновение этих изотопов
невозможно объяснить с помощью реакций захвата,
а объяснить их можно с помощью реакций
скалывания или реакций взаимодействия углерода,
азота и кислорода с ядрами водорода
или с космическими частицами.
Химические элементы рождаются в звездах,
но химический состав самих звезд
может быть достаточно различным.
Их химический состав зависит
от температуры поверхности.
Так, для звезд с температурой атмосферы 10 000
до 50 000 градусов на поверхности,
могут наблюдаться ионы водорода,
а также гелия и некоторые ионы металлов.
Для менее горячих звезд
с температурой атмосферы 5000 градусов
могут обнаруживаться уже радикалы
(достаточно сложные молекулы).
А у звезд с температурой 3500 и 3800 градусов
могут даже наблюдаться молекулы оксидов.
Таким образом, химический состав самой звезды
зависит от двух факторов.
Первый фактор — это природа межзвездной среды,
второй фактор – это те реакции,
которые протекают в звездах.
В процессе жизненного цикла
звезды выбрасывают в окружающую среду
большое количество вещества,
из которого могут формироваться и планеты.
Исследование распространения элементов в космосе
показало, что с увеличением атомной массы элемента
уменьшается его распространенность.
Кроме того, элементы с четными
порядковыми номерами встречаются чаще, чем с нечетными.
На Солнце, к примеру, много кислорода,
углерода, азота, натрия и железа;
лития мало;
бор и фтор представляют
собой соединения с водородом;
тяжелых элементов, таких как радий,
висмут, рений, уран – ничтожно мало.
Важно отметить, что химический состав планет
вокруг Солнца определить достаточно трудно.
Поскольку планеты светят отраженным светом,
и расшифровать спектр отражения достаточно сложно,
спектры отражения сложны для расшифровки.
Тем не менее, в настоящее время известно,
что планеты, такие как Венера, Меркурий,
Земля представляют собой твердые тела,
образованные силикатными или алюмосиликатными,
карбонатными, а также другими минералами.
Центр этих планет
представляет тяжелое железное ядро
из ферромагнетика.
На Венере было также обнаружено
большое количество карбонатов,
термическое разложение которых
привело к тому, что на Венере
образовалась существенная плотная атмосфера,
состоящая в основном из углекислого газа.
В результате температура поверхности Венеры
близка к 500 градусам.
Массивные планеты, такие как Юпитер,
Сатурн, Уран, Нептун состоят в основном
из газов, таких как водород, гелий, аммиак ну и другие.
Существование твердого ядра в этих планетах
в настоящее время не доказано.
На Уране и Нептуне обнаружено
большое количество органических молекул,
которые представляют собой циановодород,
диоксиды азота, также существует вода,
сероводород и ряд других молекул.
Несмотря на ряд исследований,
химический состав гигантов
до сих пор не изучен до конца.
Существует таблица распространенности
химических элементов в земной коре.
Из нее следует, что
самым распространенным элементом
в земной коре является кислород.
Существуют элементы, содержание которых
в земной коре составляется менее 0,01 %.
Такие элементы называются редкоземельными.
К ним можно отнести индий,
гафний, рений и ряд других элементов.
Согласно этой таблице
всего лишь десять элементов
составляют до 99% содержания земной коры.
На остальные 80 элементов
приходится всего лишь 1% по массе в земной коре.
Характеристикой распространенности элементов
в земной коре является величина под названием кларк.
И представляет собой отношение
концентрации данного элемента
к 1 кг земной породы.
Существует зависимость кларка
от химического элемента.
Большинство элементов в земной коре
представляет собой легкие элементы.
Тем не менее, легко заметить,
что гелия содержится в земной коре достаточно мало.
Это связано с тем,
что гелий достаточно легкий элемент
и он "улетучивается" из атмосферы очень быстро.
Также мы можем видеть, что
большое количество в земной коре
содержится изотопа железа-57.
В заключение, я хотел бы
обобщить основные факты,
о которых мы сегодня с вами поговорили.
Было установлено, что общая распространенность
элементов зависит от свойств атомного ядра,
а так же зависит от свойств
наружной электронной оболочки.
Элементы с малыми атомными весами,
в общем, более распространены,
чем тяжелые элементы.
Велики кларки элементов,
масса которых делится на 4.
Среди атомов одного и того же элемента
преобладают изотопы с массовым числом, кратным 4.
Ядра, содержащие
2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126 протонов
или нейтронов являются особо устойчивыми.
Эти ядра называются магическими.
Я хочу обратить ваше внимание,
что человеческий организм состоит
из большого количества химических элементов
таблицы Менделеева, и все эти элементы
были когда-то рождены в звездах.
Я благодарю вас за внимание
и надеюсь, что тема лекции была вам интересна.
До новых встреч!