Nucleosinteza

Nucleosinteza este procesul natural care creează noi nuclei atomici din nucleoni pre-existenți ( protoni și neutroni ) în univers.

Origine

Primii nuclei s-au format la câteva minute după Big Bang prin procesul numit nucleosinteză primordială . După aproximativ 20 de minute universul s-a răcit până la un punct în care energia nu mai permite nucleosinteza, așa că au fost posibile doar reacțiile cele mai simple și rapide, lăsând universul format din aproximativ 75% hidrogen , 24% heliu și restul compus din urme de altele. elemente precum litiu și deuteriu , un izotop al hidrogenului. Universul are încă aproximativ aceeași compoziție.

Stelele fuzionează elemente ușoare în elemente mai grele din nucleele lor, eliberând energie în procesul cunoscut sub numele de nucleosinteză stelară . Procesele de fuziune creează multe dintre elementele ușoare până la fier și nichel găsite în stele mai masive, deși acestea rămân în mare parte prinse în miezul stelei. Procesul s creează elementele grele din stronțiu .

Nucleosinteza supernovelor este în mare parte responsabilă pentru elementele dintre oxigen și rubidiu cu diverse mecanisme: expulzarea elementelor produse în timpul nucleosintezei stelare, nucleosinteza explozivă în timpul formării supernovai și absorbția neutronilor în timpul exploziei. ( Procesul r ).

Fuziunea stelelor de neutroni este responsabilă pentru sinteza multor elemente grele prin intermediul procesului r. Când două stele de neutroni se ciocnesc, o cantitate mare de materie bogată în neutroni poate fi evacuată la temperaturi extrem de ridicate și se formează elemente foarte grele atunci când materialele evacuate încep să se răcească.

Spalarea razelor cosmice , care are loc atunci când razele cosmice afectează mediul interstelar și fragmentele unor specii atomice mai mari, este o sursă importantă a nucleelor mai ușoare, în special ³ He, ⁹ Be și ^10.11 B, care nu sunt produse de nucleosinteza stelară. Bombardarea cu raze cosmice a elementelor de pe Pământ contribuie, de asemenea, la formarea unor specii atomice rare și de scurtă durată, numite nuclee cosmogene .

În plus față de procesele de fuziune responsabile de abundența crescândă a elementelor din Univers, unele procese naturale minore continuă să producă un număr foarte mic de nuclizi noi pe Pământ. Acești nuclizi contribuie puțin la abundență, dar pot explica prezența unor noi nuclei specifici și sunt produși prin radiogeneză (descompunere) a radionuclizilor primordiali grei de lungă durată, cum ar fi uraniul și toriul .

Evoluția timpului

Tabelul periodic care arată originea fiecărui element. Elementele de la carbon la sulf au fost create în stele mici prin procesul alfa . Elementele dincolo de fier au fost create în stele mari cu proces de captare lentă a neutronilor ( s ) sau în fuziuni de stele de neutroni sau supernove, după procesul r .

Se crede că nucleonii primordiali s-au format din plasma quark-gluon în timpul Big Bang-ului , deoarece s-a răcit sub două trilioane de grade. Câteva minute mai târziu, pornind de la protoni și neutroni, nucleele s-au format până la litiu și beriliu (ambele cu masa numărului 7), dar aproape niciun alt element mai greu. Este posibil să se fi format un anumit bor în acest moment, dar procesul s-a încheiat înainte de a se forma o cantitate semnificativă de carbon , deoarece acest element necesită o densitate mai mare de heliu decât era prezentă în perioada scurtă de nucleosinteză a Big Bang-ului. Acest proces de fuziune sa oprit la aproximativ 20 de minute, datorită scăderii temperaturii și densității, datorită expansiunii universului. Acest prim proces, numit nucleosinteză primordială , a fost primul tip de nucleosinteză care a avut loc în univers.

Nucleosinteza ulterioară a elementelor mai grele necesită temperaturile și presiunile extreme prezente în interiorul stelelor și supernovelor . Aceste procese au început când hidrogenul și heliul Big Bang s-au prăbușit în primele stele la 500 de milioane de ani. Formarea stelelor a continuat în galaxii de atunci. Dintre elementele găsite în mod natural pe Pământ (așa-numitele elemente primordiale ), cele mai grele decât borul au fost create de nucleosinteza stelară și cea a supernovelor . Numerele atomice variază de la Z = 6 ( carbon ) la Z = 94 ( plutoniu ). Sinteza acestor elemente a avut loc fie prin fuziune nucleară (inclusiv captarea rapidă sau lentă de neutroni), fie într-o măsură mai mică prin fisiune nucleară urmată de dezintegrarea beta .

O stea obține elementele grele prin combinarea celor mai ușori nuclei, hidrogen, deuteriu, beriliu, litiu și bor, care se găsesc în compoziția inițială a mediului interstelar și, prin urmare, a stelelor. Gazul interestelar conține, prin urmare, o abundență în scădere a acestor elemente ușoare, prezentă numai datorită nucleosintezei lor în timpul Big Bang-ului. Se consideră că cantități mai mari din aceste elemente ușoare din universul actual se datorează defalcării elementelor grele de către razele cosmice (protoni cu energie mare) în gazul și praful interstelar. Fragmentele acestor coliziuni ale razelor cosmice includ elementele luminoase litiu, beriliu și bor.

Procese

Există o serie de procese astrofizice despre care se crede că sunt responsabile pentru nucleosinteză. Cele mai multe dintre acestea apar în interiorul stelelor, iar lanțul acestor procese de fuziune nucleară este cunoscut sub numele de combustie a hidrogenului (prin lanțul proton-proton sau prin ciclul CNO ), heliu, carbon, combustie cu neon, oxigen și siliciu. Aceste procese sunt capabile să creeze elemente până la fier și nichel. Aceasta este regiunea nucleosintezei în cadrul căreia sunt creați izotopii cu cea mai mare energie de legare pe nucleon. Elementele mai grele se pot forma în interiorul stelelor printr-un proces de captare a neutronilor cunoscut sub numele de proces s sau în medii explozive, cum ar fi fuziuni de superne și stele de neutroni, pentru alte procese. Unele dintre acestea sunt procesul r , care implică captarea rapidă a neutronilor, procesul rp și procesul p (uneori cunoscut sub numele de proces gamma), care are ca rezultat fotodisintegrarea nucleelor existente.