 КОСМИЧНИ ФАКТОРИ ЗА РАЗПРОСТРАНЕНИЕТО И РАЗПРЕДЕЛЕНИЕТО НА ХИМИЧНИТЕ ЕЛЕМЕНТИ В ЗЕМЯТА ГЛАВА 3. ПРОИЗХОД И КОСМИЧНО РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА ХИМИЧНИТЕ ЕЛЕМЕНТИ 3.1. Главни процеси на нуклеосинтеза в космоса
Историята на Вселената, в която живеем, започва преди 15-20 милиарда години (вариациите във възрастта зависят от двата модела на открита и закрита Вселена, за избора между които все още не са намерени безспорни аргументи). При т.нар. Първоначален или Голям взрив възникват ядрата на протия - най-простия изотоп на водорода, състоящ се от един протон. Водородът определя качествената и количествена специфика на Вселената. Той представлява около 90% от броя на всички атоми във Вселената, докато на хелия се падат около 10%. Само един от хиляда атома принадлежи на другите над 90 елемента (включително трансурановите нептуний, плутоний и калифорний). Шкловский (1973) дава следните примерни съотношения на второстепенните елементи - на 10 000 атома водород съответстват 5 атома кислород, 2 атома азот, 1 атом въглерод, 0,3 атома желязо, а на всички останали - по-малко от 2 атома.
Водородът е не само най-древният и абсолютно преобладаващ елемент на мирозданието, но и родоначалник на всички останали елементи, тъй като с обединяването на четири водородни ядра в едно ядро хелий се поставя началото на многобройни процеси на нуклеосинтеза, в резултат на които са образувани и продължават да се образуват елементите, заемащи клетките на Периодичната система.
Несъмнени научни факти, доказващи Големия взрив, са разширяването на Вселената и реликтовото топлинно излъчване. От тях следва, че в началните моменти от съществуването си Вселената е била достатъчно плътна и гореща за протичането на спонтанна реакция на обединяване на водородните ядра в хелиеви по принципа на водородната бомба. Отначало ядрото на протия  присъединява неутрон и се превръща в деутерий  , а той от своя страна - в тритий  . Тритият, реагирайки с образува  (горният индекс означава масата на атомите, т.е. сумата на протоните и неутроните, а долният - поредния номер, т.е. броя на протоните в ядрото).
Изчислено е, че другите процеси на образуване на хелиеви ядра във Вселената не са достатъчно ефективни, за да могат за ограниченото време на нейното съществуване да произведат всички хелиеви атоми, представляващи 1/10 от броя на водородните. Горещата Вселена е също най-вероятният създател на наличните атоми деутерий (около 30 хиляди пъти по-малко от протия), които, поради бързото охлаждане не са успели да реагират изцяло и да се превърнат в хелий, за разлика от съдбата на деутерия в по-късните процеси на ядрени превръщания.
Напоследък могъщи астрофизични апаратури успяха да получат образ на гигантски спирали, отдалечени на повече от 10 милиарда светлинни години (1 светлинна година е разстоянието, което светлината изминава за една година при скорост 300 000 km/s). Тези спирали показват структурата на младата Вселена от времето, когато светлината е тръгнала от тях. Възможността за възникване на нееднородности в разпределението на космичното вещество при неговото разширение и охлаждане има принципно значение за теорията на произхода на галактиките и звездите, тъй като участъците с по-голяма плътност могат да се превърнат в гравитационни центрове, около които космичното вещество започва да се свива и загрява.
Прескачайки обширен клас от космични структури, основни единици на които са галактиките и дори нашата собствена Галактика (с главна буква, за разлика от останалите), състояща се от около 150 милиарда звезди, ще се спрем по-подробно на произхода и еволюцията на звездите, ядрените реактори на Вселената, в които се раждат химичните елементи. Генетичната класификация на звездите е представена с гениална простота и пълнота на диаграмата на Херцшпрунг и Ръсел (фиг. 3.1). На абсцисата е нанесен спектралният клас на звездите, който съответства на тяхната температура, а на ординатата - абсолютната звездна величина, т.е. светимостта, която зависи от тяхната големина. Най-ярките звезди, с голяма излъчваща площ и висока температура се характеризират с отрицателни стойности на абсолютната звездна величина.
Огромното мнозинство от наблюдаваните звезди (около 99%) се разполага по диагонала на диаграмата в т.нар. главна последователност, която отразява правопропорционалната зависимост между температурата и светимостта на звездите. Най-горещите и ярки звезди се разполагат в горния ляв ъгъл на диаграмата. В горната дясна част се намират т.нар. червени гиганти, които се отличават с висока светимост, независимо от ниската температура, поради огромните размери на излъчващата повърхност. Например диаметърът на червения гигант Бетелгойзе от съзвездието Орион е 350 пъти по-голям от слънчевия, т.е. съизмерим с орбитата на планетата Марс. В долния ляв ъгъл се разполагат т.нар. бели джуджета. Излъчващата им повърхност е много малка и поради това те имат понижена светимост независимо от високата температура.
Звездите възникват в резултат на гравитационно свиване на облаци от космичен прах и газове, съпроводено с повишение на температурата поради сблъскването на частиците. Свиването продължава до тогава, докато температурата достигне критичната точка, при която започват ядрени процеси и новородената звезда пламва. Звездите с най-голяма маса се оказват в горния ляв ъгъл на диаграмата за около 100 хиляди години, тъй като големите облаци имат мощно гравитационно поле и се свиват по-бързо от малките. Звезди, близки по маса до Слънцето, стигат главната последователност за милиони години. Те се характеризират с по-малки размери и по-ниска температура и затова се разполагат по-ниско от горещите гиганти, някъде към средата на главната последователност (фиг. 3.1). Звездите остават на главната последователност в течение на милиони до десетки милиарди години в зависимост от масата им. Колкото по-малка е звездата, толкова по-ниска е температурата й и толкова по-бавно протичат ядрените процеси в нея. Такива звезди са дългоживущи, за разлика от горещите масивни звезди, които крайно неикономично изразходват ядреното си гориво. Например звездата S (Ес) от съзвездието Златна риба има чудовищна светимост равна на светимостта на 600 хиляди слънца и времето на нейното пребиваване на главната последователност е мигновено в мащабите на космоса - само няколко милиона години, докато Слънцето ще остане неизменно в продължение на повече от 10 милиарда години. През този период в централните части на звездите (звездните ядра) се осъществяват атомни реакции, в резултат на които водородът постепенно се превръща в хелий. Предполагат се два принципно различни механизма на нуклеосинтеза на хелий, известни като протон-протонен и азотно-въглероден цикъл. В звездите с малка маса и сравнително ниска температура на ядрото от порядъка на 15 милиона градуса, към които принадлежи Слънцето, протича протон-протонният цикъл, който започва със сливане на два протона и образуване на деутерий. Едновременно се излъчва позитрон, тъй като един от протоните се провръща в неутрон, и се отделя енергия. Това е малко вероятна и неизгодна реакция, но огромното количество на протоните обуславя сравнително висока скорост на взаимодействието. За няколко секунди деутерият захваща допълнителен протон и се предръща в лекия изотоп на хелия  , който може да взаимодейства по-нататък по три възможни начина. В 95% от случаите два атома се обединяват в един атом , при което два протона се връщат в изходно състояние, т.е. от шест протона се получават едно хелиево ядро (-частица), два протона, един позитрон, едно неутрино, съпровождащо образуването на и се отделя известно количество енергия. Втората възможност, с вероятност 5%, е стълкновението на с , при което се образува изотоп на берилия с масово число 7 и се отделя ново неутрино. По-нататък реакцията се разклонява. В първия случай  присъединява електрон и се предръща в  , който от своя страна присъединява протон и се разпада на две -частици, т.е. на две ядра  . Във втория случай  присъединява протон и се предръща в  , който излъчва позитрон и преминава в нестабилния изотоп на берилия  , за сметка на който се получават две -частици. При разклонението на процеса образуването на и се съпровожда с отделяне на трето неутрино. Експерименталното потвърждение на тези представи изисква точно количествено измерване на неутринното излъчване на Слънцето, което среща големи трудности. Последователността на ядрените реакции може да се представи по следния начин:
 
За мащабността на процесите дори в такава невзрачна от космична гледна точка звезда като Слънцето говорят теоретичните изчисления, според които всяка секунда в недрата на Слънцето 600 милиона тона водород се превръщат в хелий в продължение на 4,6 милиарда години.
Много по-грандиозни са процесите на синтез на хелий в масивните звезди, където гравитационното поле благоприятства по-голямо загряване в централните части и някои -частици добиват достатъчно енергия за сливане в ядро на въглерода:  . Въглеродът служи като своеобразен катализатор в т.нар. азотно-въглероден цикъл, който може да се представи схеметично по следния начин:
Тъй като количеството на въглеродните атоми в цикъла е постоянно, сливането на водородни ядра в хелиеви може да се осъществи без да е необходимо масово образуване на въглерод. Това е принципно важно, тъй като нуклеосинтезата на въглерода е самостоятелен етап от еволюцията на звездите, който се предшества от важни събития.
Преди всичко необходимо е да се подчертае, че процесите на превръщане на водорода в хелий в звездите от главната последователност протичат само в централните им части, които имат наобходимата плътност и температура. Енергията, отделена при ядрения синтез за сметка на загубата на маса според закона на Айнщайн, предизвиква топлинно разширение, което уравновесява гравитационното свиване и звездата остава стабилна и излъчва постоянно количество елергия в продължение на много години. Например Слънцето не е изчерпало даже половината от своите водородни запаси и ще остане в сегашното си състояние още приблизително 8 милиарда години. Когато количеството на водорода в звездното ядро стане критично ниско, топлината, отделяна при ядрените процеси повече не може да уравновесява гравитационните сили и звездата започва да се свива. Част от водородната обвивка, в напосредствено съседство с ядрото, при свиването попада във високотемпературна област, където синтезът на хелиеви ядра от водорода става възможен. Зоната на нуклеосинтеза има формата на пръстен. Тя не се отразява върху еволюцията на ядрото, но предизвиква топлинно разширение на външните части на обвивката, които едновременно с разширението се охлаждат, а звездата добива гигантски размери. Излъчването й преминава в червената и инфрачервена област на спектъра, поради което такива звезди са наречени червени гиганти. Големината им зависи от изходната маса. Най-масивните звезди се превръщат в инфрачервени гиганти от типа на звездата Епсилон от съзвездието Колар. Ако тази звезда беше на мястото на Слънцето, тя би запълниля цялата Слънчева система до орбитата на Уран. Слънцето ще има сравнително скромни размери. В продължение на няколко стотици милиони години радиусът му ще бъде десетки пъти по-голям, а светимостта - стотици пъти по-висока. Температурата на повърхността на Земята ще достигне 300-500?. Старите представи за бъдещето на Земята, която ще потъне в космичен студ и мрак поради предстоящото изгасване на Слънцето се превърнаха в своята противоположност, която също не е утешителна. Новите представи не изключват, а само отдалечават във времето студа и мрака на космоса.
В стадия на червен гигант водородът на ядрото е напълно изразходван. Както беше отбелязано, докато външните слоеве на звездата се разширяват, самото ядро се свива под действието на гравитеционните сили и става все по-горещо. Когато температурата му достигне 150 милиона градуса (десет пъти повече от сегашната температура в недрата на Слънцето) започва нова реакция - три ядра хелий се превръщат в едно ядро на въглерод. Температурата се стабилизира и свиването се преустановява поради противодействието на топлинното разширение. Част от външната обвивка междувременно се разсейва в космичното пространство. Остава неголяма, гореща плътна звезда, която отново се връща на главната последователност. Но пребиваването й там е много по-кратко, отколкото в цикъла на сливане на водородните ядра в хелиеви. Загубата на маса при двете ядрени реакции може да се оцени, ако се има предвид, че 12 водородни ядра се превръщат в три хелиеви, които от своя страна се превръщат в едно въглеродно ядро. Масата на ядрата е съответно: 12 ядра водород = 12,0956, 3 ядра хелий = 12,0078 и 1 ядро въглерод = 12,0000. Следователно загубата на маса при първото превръщане е 0,0878, а при второто - само 0,0078. Ядреният синтез на въгглерода дава само около 10% от енергията на синтез на хелия, а всички останали ядрени реакции - още 10%. Звездата, изразходвала водорода на централните си части е изчерпала 4/5 от възможностите на своя ядрен реактор, без да се брои все по-голямото ускоряване на нуклеосинтезата и стремителното приближаване към края на звездния период на съществуване.
Необходимостта от допълнително загряване за започване на въглеродния синтез е свързана с изключителната неустойчивост на междинното ядро  , което в протон-протонния цикъл незабавно се разпада на две хелиеви ядра. Това прави невъзможно постепенното сливане на ?-частици в последователност  . Обаче следващите сливания на ?-частици не срещат такива препятствия и едновременно с непрекъснатото загряване на звездното ядро протича верига от атомни реакции (т.нар. ?-процес):  . Той не продължава по-нататък при всички звезди, тъй като взаимното отблъскване на положителните заряди в ядрото на атомите става твърде силно и за преодоляване на електростатичните сили са необходими по-високоенергетични ?-частици. Когато температурата достигне 1 милярд градуса такива частици се избиват с помощта на високоенергетични фотони от ядрата на неона:  .
Температури от порядъка на милиарди градуси са възможни само в звезди с мощно гравитационно поле. Звездите с малка маса, подобни на Слънцето, не могат да се свият до такава степен и температурата в недрата им не достига необходимата величина. Затова при тях ядреният синтез завършва с магнезия. Преустановяването на ядрените реакции води до рязко свиване на звездата поради загубата на регулиращия механизъм на топлинното разширение. Звездата се превръща в бяло джудже, което известно време има висока температура за сметка на еднократно
отделената гравитеционна енергия, но постепенно изстива и се превръща в тъмен космичен обект с плътност от порядъка на стотици kg/cm3. По-нататъшното уплътнение е невъзможно, тъй като сравнително малкото гравитационно поле, съответстващо на масата на звездата, не може да преодолее отблъскването на електроните и електронната структура на атомите, макър и силно деформирана, се запазва.
Принципно различно е развитието на масивните звезди. При температура около 1 милиард градуса новопоявилите се високоенергетични хелиеви ядра продължават -процеса с образуване на ядра с маса кратна на четири:
При три милиарда градуса се осъществяват реакции с присъединяване на протон, т.е.  към четните ядра, съпроводени с излъчване на позитрон, т.е. превръщане на един от протоните в ядрото в неутрон, ако се превиши стабилното съотношение на протоните и неутроните, например  ,  или  и т.н.
Особено важна е възможността за присъединяване на -частица към така възникналите нечетни ядра, особено тип 4q + 1, при което се отделя неутрон, например:  .
Захващането на неутрони от ядрата не е съпроводено с електростатично отблъскване на едноименно заредени частици, каквито са ядрата на водорода и хелия, т.е. протоните и -частиците. Поради това реакциите на нуклеосинтеза се облекчават силно и става възможно образуването на тежки ядра до  включително. Особено любопитно е обилието на неизвестния на Земята елемент технеций.
При температура три милиарда градуса скоростта на неутроните е сравнително малка и времето на две последователни захващания на неутрон е по-голямо от времето на -разпадане. Процесът се означава в ядрената физика с буквата s (от slow - бавен). При звездните взривове концентрацията и скоростта на неутроните се увеличават силно поради неимоверно високите температури, които едновременно увеличават скоростта на реакциите, служещи за източник на неутрони и кинетичната енергия на неутроните. Протичат т.нар. r - процеси (от rapid - бърз), при които се синтезират радиоактивни ядра на тежки елементи, следващи бисмута, включително трансуранови. Например закономерното намаляване наполовина на светимостта на някои избухнали звезди на всеки 55 дни се обяснява с наличието на трансурановия елемент калифорний, който има същия период на полуразпадане.
Взривяването на звездите означава край на тяхното съществуване като звезден тип космични системи. Такива ефектни събития съпровождат еволюцията на всички масивни звезди и се определят от енергетичните особености на нуклеосинтезата.
На фиг. 3.2 е показано изменението на енергията на свързване, падаща се на една ядрена частица (нуклон) с нарастване на поредния номер на химичните елементи (т.е. на положителния заряд на ядрата им). Колкото по-голяма е енергията на свързване, толкова по-силен е топлинният резултат на реакцията, тъй като енергията на свързване е пропорционална на дефекта на масата. До желязото и никела включително енергията на свързване расте, което означава, че сливането на леки ядра във все по-тежки се съпровожда с отделяне на топлина (т.е. процесът е екзотермичен). Образуването на ядра по-тежки от желязото и никела изисква поглъщане на енергия. При температура три милиарда градуса, когато се осъществява синтезът на железните ядра, такива ендотермични реакции (s- процес) са възможни, но те не са благоприятни за стабилността на звездата. Както беше отбелязано, съществуването на звездите се определя от възможността за взаимно уравновесяване на гравитационното свиване и топлинното разширение. В момента, когато в централната част на зваздата нуклеосинтезата на желязо приключи, възможностите за по-нататъшно отделяне на термоядрена енергия са изчерпани и звездата под влияние на чудовищното си гравитационно поле се свива мигновено до сфера с радиус 15 km. Това явление в астрофизиката се означава като гравитационен колапс. При маса на звездата около 10 пъти по-голяма от слънчевата възниква вещество с плътност 1 милиард тона на кубически сантиметър, равна на плътността на атомното ядро, което означава, че атомната структура е нарушена принципно - електроните са се слели с ядрото и е възникнало ново качествено състояние на веществото - неутронно. Понятието "неутронни звезди" не е съвсем коректно, защото възникналите тела повече не отделят темоядрена енергия. Наблюдаването и изучаването им се основава на други физични ефекти. При особено масивните звезди гравитационният колапс води до възникването на т.нар. черни дупки. Те изкривяват пространството около себе си и доскоро се предполагаше, че никакво излъчване не е в състояние да преодолее гравитационната бариера. Според Хокинг това се отнася само за веществото. Съществуването на черните дупки се доказва косвено - по стремителното движение на пръстеновидни облаци от космичен прах и газове към центъра на пръстена, в който по всяка вероятност има невидим обект с мощно гравитационно поле.
Неутронните звезди и черните дупки означават не само край на процеса на образуване на химичните елементи, но и на самото съществуване на атомно състояние на веществото.
Тъй като при нуклеосинтезата са необходими все по-високи температури, осъществими само в централните части на звездите, последователните етапи на процеса водят до възникване на специфична зоналност. В края на периода на сливане на водородните ядра в хелиеви звездата се състои от централна хелиева част и водородна обвивка. При прехода на хелия във въглерод, хелият от периферната част на звездното ядро не участва в реакциите, т.е. в хелиевата област възниква ново звездно ядро от въглерод и т.н. докато се стигне до най-вътрешното и най-малко желязно ядро. Именно това масивно желязно ядро при гравитационния колапс се превръща в сфера с диаметър 15 km. Гравитационният колапс предизвиква ударна вълна, насочена навън, която се сблъсква със стремително свиващата се обвивка на звездата, все още богата на леки елементи. При сблъскването за кратко време възникват огромни температури и налягания, които благоприятстват синтезирането на тежки радиоактивни ядра. Вълната изхвърля горещата плазма навън във вид на гигантски, все повече разширяващ се облак. Колкото по-масивна е звездатта, толкова по-голямо количество вещество се разсейва в космичното пространство. Най-масивните звезди, наречени Свръхнови губят при взрива до 90% от масата си. Звездните взривове се съпровождат с невъобразимо нарастване на светимостта. По-малките по маса Нови светят колкото няколко стотици хиляди слънца, а Свръхновите - колкото стотици милиони до милиарди слънца. Например Свръхновата, наблюдавана в 1054 г. от китайските астрономи в района на т.нар. Крабовидна мъглявина, е имала светимостта на 600 милиона звезди като нашето Слънце, а самата мъглявина е остатък от изхвърленото звездно вещество.
Звездните взривове се съпровождат с мощно електромагнитно излъчване в радиодиапазона, което изключително разшири възможностите за изследване на космоса и превърна процеса на звездната еволюция в обект на наблюдателната астрономия. Обаче особено важно е обстоятелството, че благодарение на появата на радиоактивни ядра взривовете, фигурално казано, навиват часовниците, отмерващи космичното време. По съотношението на радиоактивните елементи и техните продукти на разпадане може да се съди за времето на взрива и следващите го космични процеси. Например Свръхновата, която е произвела веществото на Слънчевата система, е избухнала преди 4,7 милиарда години, а Слънцето, което се е образувало при гравитационното свиване и загряване на това вещаство като звезда II поколение, се е запалило 100 милиона години по-късно. За разлика от водородно-хелиевите звезди, образувани в ранните етапи от съществуването на Вселената, звездите II поколение са обогатени на тежки елементи и това обстоятелство е решаващо за възникването на планетни системи.
Преди да се спрем по-подробно на генетичните, структурни и веществени особености на Слънчевата система като закономерна проява на еволюцията на космичното вещество, нека продължим с процесите на образуване на химичните елементи. Със завършването на нуклеосинтезата на радиоактивни елементи при звездните взривове тези процеси загубват генетичната си връзка със звездите в пространствен смисъл. Радиоактивното разпадане и спонтанното деление на ядрата на тежките елементи води до появата на няколко десетки изотопа на по-леки елементи - стабилни или радиоактивни в различна степен. Радиогенните елементи могат да възникнат както в звездите II поколение, така и в космичното пространство или в планетите, тъй като енергията за нуклеосинтезата е заключена в самите радиоактивни ядра. Това е консервираната енергия на звездния взрив, която се освобождава при образуването на по-леки атомни ядра съгласно енергетичните зависимости, показани на фиг. 3.2.
На Земята съществуват три радиоактивни семейства с родоначалници  ,  и  - единствените изотопи, които поради големия период на полуразпадане все още са останали от времето на Свръхновата, избухнала преди 4,7 милиарда години. Както се вижда от фиг. 3.3, окончателни продукти на радиоактивните превръщания са три изотопа на оловото - съответно  ,  и  . Началният и краен изотоп, заедно с междинните членове на семействата се намират в строго определено количествено съотношение (радиоактивно равновесие). Четвъртото радиоактивно семейство на  е неизвестно на Земята поради изключително силната радиоактивност на изходния и всички междинни изотопи, вече достигнали края на веригата - . По-точно това е единственият жив междинен член на самейството, притежаващ огромен период на полуразпадане, който ще премине окончателно в  .
Радиоактивното разпадане се осъществява с последователно отделяне на -частици, т.е. на хелиеви ядра с масово число 4 и отчасти с отделянето и поглъщането на електрони (-частици), което не води до промяна на масата. Ето защо всички радиогенни продукти от дадено семейство имат масови числа от същия тип като родоначалния изотоп - 4q  , 4q + 3  , 4q + 2  и 4q + 1  , където 4q е число, делящо се на 4 без остатък.
Спонтанното деление на тежките радиоактивни изотопи, при което се образуват ядра от средата на Периодичната система - барий, ксенон, редки земи и др., има малка роля, особено в планетни условия, където трудно се достигат необходимите предпоставки - критична маса на радиоактивния елемент, среда, намаляваща скоростта на неутроните и др. Въпреки това има несъмнени данни че поне един естествен ядрен реактор е действувал в Централна Африка преди 2 млд години. Това е урановото находище Окло, в което е достигната критичната маса на . Природният ядрен реактор Окло е действувал в продължение на 500 милиона години с мощността на миниатюрна атомна електроцентрала. Освен леки елементи в качеството на страничен продукт на верижните реакции сe получава  :
Докато  се разпада наполовина за 22,5 минути, а  - за 2,35 денонощия, плутоният има период на поуразпадане 24 000 години, което го превръща в изключително опасен замърсител на околната среда при процесите на ядрено деление, осъществявани от човека.
Техногенната нуклеосинтеза (с участието на човека) има нищожен количествен ефект, но крайно опасни за съществуването на човешката цивилизация последствия. В изследователските лаборатории са получени повече от 1000 изкуствени изотопа, някои от които на практически несъществуващи на Земята елементи, а други - с по-голям период на полуразпадане от този на естествените. Понятието "практически несъществуващ" се отнася за някои крайно нестабилни междинни членове на естествените радиоактивни семейства. Например цялото количество на  в повърхностния земен слой с мощност 20 km е 250 g, а на  - само 0,5 g. Човекът е главен фактор за осъществяването на реакциите на спонтанно деление на радиоактивните ядра в условията на планетата. Нещо повече - той успешно възпроизважда варианти на термоядрения синтез, специфичен за звездите и Горещата Вселена.
Качествено различни, макър и с малък количествен ефект, са процесите на нуклеосинтеза, предизвикани от ядрени частици, ускорени в мощното магнитно поле на звездите. Това са т.нар. космични лъчи, източник на които са звездните атмосфери. При стълкновението си с ядра на някои леки елементи, космичните лъчи предизвикват образуването на редки по разпространение изотопи, както в атмосферите на самите звезди, така и в космичното пространство и космични тела от всякатъв вид. Например в земната атмосфера високоенергетични корпускулярни частици излъчени от Слънцето са причина за образуването на радиоактивния изотоп на въглерода  , на  и др. Вероятно на подобни процеси се дължи съществуването на лития, берилия и бора, ядрата на които практичски изцяло се консумират при превръщането на водорода в хелий.
Важността на нуклеосинтезата с участие на космични лъчи на Земята се състои в това, че тя е единственият процес използващ енергията на сега действуващата звезда - Слънцето. Продуктите на ядрените реакции от централните части на Слънцето са съвършено недостъпни поради липсата на обмен на вещество между централните и периферни части на звездите въоще. Дори светлинните фотони, движещи се със скорост 300 000 km/s преодоляват разстоянието от центъра до повърхността на Слънцето за 10 милиона години. За сравнение може да се отбележи, че човекът се с появил на Земята само преди 2 милиона години.
3.2. Връзка между космичното разпространение на химичните елементи и процесите на нуклеосинтеза.
Кривите на космично разпространение на химичните елементи от фиг. 3.4., при цялата си привидна сложност, всъщност илюстрират главните механизми на образуване на химичните елементи до най-малки детайли и са пределно логични в светлината на изложените по-горе представи. Положението на водорода във върха на диаграмата съответства на неговата същност като единствен продукт на Големия взрив и прародител на всички останали елементи, като и на относителната младост на Вселената. Несъмнено е бъдещото необратимо намаление на запасите от водород и на термоядрената енергия, получавана при процесите на нуклеосинтеза. С един порядък по-ниско е разположен хелият, преобладаващото количество на който е възникнало в началните моменти от съществуването на Вселената (т.нар. Гореща Вселена). Превръщането на водорода в хелий в централните части на звездите от главната последователност е абсолютно преобладаващ ядрен процес в съвременния етап от съществуването на Вселената. Необратимо нараства количеството на елементите от възходящата част на кривата от фиг. 3.2, синтезирането на които се съпровожда с отделяне на енергия. Разположението на елементите с четен пореден номер и особено на тези с маса кратна на четири в най-високите части на кривата на разпространение потвърждава ведущата роля на -процесите. Максимумът при магнезия съответства на пределните възможности на нуклеосинтезата в звезди с малка маса, част от които се намират в областта на белите джуджета на фиг. 3.1, а друга е в състояние на неизлъчващи плътни космични тела. Поради бавното протичане на ядрените процеси в звездите с малка маса, огромната част от тях все още не е достигнала до стадия на синтез на магнезий и магнезиевите атоми вероятно произхождат от атмосферите на взривени масивни звезди. Образуването на магнезия е принципно важен момент от необратимото развитие на веществениея състав на Вселената и може да се предполага, че в бъдеще магнезиевият максимум ще стане по-стръмен. Следващ максимум с принципно значение е този на желязото. С образуването на желязо приключва нормалният живот на масивните звезди. Наблюдението на периферните части на Вселената свидетелства за значително по-голямо количество на горещи, масивни звезди в ранните етапи от съществуването й в сравнение със съвременния етап. Няма съмнение, че голямо количество краткоживущи масивни звезди вече е приключило звездното си съществуване и е обогатило космичното пространство с част от продуктите на протеклите ядрени реакции. Ако се съди по съдбата на централните части на звездите при гравитационния колапс, вероятно по-голямата част от желязото е превърната в нутронно вещество и максимумът на фиг. 3.4 едва ли съответства на реалните мащаби на образуване на железни ядра. Резкият скок в разпространението при прехода в ядра по-тежки от желязото и никела е енергетично обоснован с ендотермичния ефект на синтеза на ядра при s-процесите и с недълговечността на радиоактивните елементи. Може би в ранните етапи от съществуването на Вселената, когато са избухвали повече масивни звезди, количеството на радиоактивните ядра е било по-голямо, но те са успели да се разпаднат, а в съвременния етап Новите и Свръхновите са сравнително рядко явление и не са в състояние да произведат съществени количества радиоактивни продукти. Например в нашата Галактика, състояща се от 150 милиарда звезди, годишно избухват 25 Нови, а Свръхновите са три на хиляда години. Потвърждение на представата за сравнително по-обилно образуване на радиоактивни елементи в миналото са пиковете на разпределение в областта на ядрата на телур, ксенон, барий (крайни продукти на спонтанното деление на радиоактивните ядра) и на оловото (краен продукт на радиоактивното разпадане). При леките елементи много впечатляващ е минимумът на лития, берилия и бора, доказващ консумирането им при нуклеосинтезата на хелий.
ТЕСТ 3.1
1) Образуването на хелий от водорода на Слънцето се осъществява при температури от порядъка на: а) 10 хиляди градуса б) 100 хиляди градуса в) един милион градуса г) 10 милиона градуса д) 100 милиона градуса
2) Кои от посочените изотопи са радиогенни продукти на : а)  б)  в)  г)  д) 
3) Направете критичен разбор на следния текст: "В момента на максимална яркост на Новата рязко се изменя нейния спектър с изместване на линиите към виолетовата част, което може да служи като основа на предполагаемо бързо разширение на звездата. Химичният й състав, съдейки по спектрите на поглъщане, остава същия: водород, калций, натрий, желязо, титан, кислород, въглерод. Затова пък емисионните спектри свидетелствуват за появата на нови елементи, в частност за нарастване на светенето на хелия" (Тугаринов, 1973, с. 25)
ТЕСТ 3.2
1) Êîè îò ïîñî÷åíèòå èçîòîïè ñà ðàäèîãåííè ïðîäóêòè íà  : à)  á)  â)  ã)  ä) 
2) Кой от посочените процеси на нуклеосинтезата е най-типичен за Слънцето:
а) 
б) 
в) 
г) 
3) Какво илюстрира приведената на фиг. 3.5 зоналност и защо тя не може да се използва като модел за строежа на Слънцето?
ТЕСТ 3.3
1) Изчислете колко - и -частици се отделят при превръщането на в .
2) Какви процеси на образуване на хелиеви ядра съществуват в природата?
3) Направете критичен разбор на следните текстове:
"Бете предлага ново обяснение, което изглежда по-правилно: т.нар. въглероден цикъл... Изчисленията показват, че ако на Слънцето има поне 1% въглерод то този цикъл на ядрени превръщания напълно може да покрие загубата на енергия, излъчвана от Слънцето." (Сауков, 1975, с. 39)
"Хипотетичното обяснение на тези явления е предложено от американския физик Г. Бете, обосновал т.нар. цикъл на ядрено изгаряне на водорода по схемата:  ..... В резултат на този процес се отделят около 690 милиона килокалории на един граммол хелий. Съгласно изчисленията, в условията на Слънцето този цикъл се завършва в течение на 52 милиона години." (Тугаринов, 1973, с. 23)
ТЕСТ 3.4
1) Кои от посочените изотопи са радиогенни продукти на  : а)  б)  в)  г)  д) 
2) Посочете пропуските в протон-протонния цикъл, приведен от Гаврусевич (1968, с. 62):
3) Назовете седемте най-важни процеса на нуклеосинтезата във Вселената и на Земята.
ТЕСТ 3.5
1) Изчислете колко - и -частици се отделят при превръщането на в .
2) Подредете по космично разпространение от най-разпространен към най-слабо разпространен следните елементи: а) Ar б) He в) Ne г) Rn
3) Каква е разликата между белите джуджета и неутронните звезди?
ТЕСТ 3.6
1) Изчислете колко - и -частици се отделят при превръщането на в .
2) Още при появата на геохимията един от нейните създатели Ферсман отбелязва преобладаването в космоса и в земната кора на ядра с маса кратна на четири (тип 4q), като обяснява това с голямата им стабилност. Каква е генетичната причина за доминирането на ядра тип 4q?
3) В 1927 г. Вернадски пише: "... образуването на планински вериги, геосинклинали, строежът на континентите и океанските басейни. Топлината, освобождаваща се под влияние на непрекъснатото разрушение на атомите на определени радиоактивни елементи... е съвършено достатъчна за обяснението на всички тези грандиозни явления... топлината на Слънцето в края на краищата може би сама дължи произхода си на явленията на радиоактивната атомна енергия" (Вернадский, 1983, с. 108).
Правилна ли е забележката на редактора на последното издание на "Очерци по геохимия", че "тази мисъл получи потвърждение в наше време. Ядрените процеси на Слънцето и звездите сега са предмет на особено интензивно теоретично разработване. Създадени са теории за ядрените процеси на Слънцето и звездите".
ТЕСТ 3.7
1) Кои от посочените изотопи са радиогенни продукти на : а)  б)  в) г)  д) 
2) Избройте най-важните реакции на нуклеосинтеза с участието на - частици.
3) Защо леките елементи (до желязо включително) са по-разпространени от тежките елементи?
ТЕСТ 3.8
1) Как може да се обясни липсата на ,  и  на Земята?
2) Кои от посочените реакции (цит. по Тугаринов, 1973, с. 19) участвуват в протон-протонния цикъл:
a)
б) 
в) 
г) 
3) Направете критичен разбор на следния текст по повод на азотно-въглеродния цикъл: "Много характерно в този цикъл е увеличението на масата на всеки образуващ се изотоп, а след това, след достигане на определена граница на устойчивост - разделяне на новия изотоп на две неравни стабилни ядра с отделяне на колосална енергия." (Тугаринов, 1973, с. 23-24)
ТЕСТ 3.9
1) Какви са несъответствията на приведения текст с последните представи за нуклеосинтезата в началните етапи от съществуването на Вселената: "... в ранните етапи от образуването на Вселената температурите и наляганията са били изключително високи, при това протоните, неутроните, електроните и неутриното са се намирали в равновесие... Последователното повторение на процесите на -разпадане и захващане на неутрони води до образуването на тежки елементи. Съгласно Гамов са били необходими само около 20 минути за образуването на всички сега съществуващи елементи, което напълно оправдава термина "Голям взрив"... Реликтовото излъчване характеризира излъчването, последвало Големия взрив." (Озима, 1990, с. 13)
2) Направете критичен разбор на следния текст по повод на спътник на Сириус "...чиято плътност е изключителна - 30 000 пъти по-висока от тази на водата. От гледна точка на съвременната физика това може да бъде обяснено само с факта, че в условията на поразително висока температура атомните ядра са загубили електронните си обвивки и са много плътно опаковани." (Иванов, 1978, с. 65)
3) Направете критичен разбор на следния текст: "...при взрива на Свръхновите в космичното пространство се изхвърля грамадно количество вещество... част от изхвърленото вещество може да попадне в сферата на притегляне на някаква звезда, например Слънцето. След това вероятно трябва да започне кондензация на частиците на облака в по-големи образувания - планети." (Трифонов, 1963, с. 39)
ТЕСТ 3.10
1) Каква е причината за сравнително повишеното съдържание на ядра с пореден номер 50-60 във Вселената?
2) Каква е разликата между термоядрения синтез и радиоактивността?
3) Направете критичен разбор на следния текст: "Ядрените процеси във вътрешността на Слънцето се извършват и сега. Там в наши дни протичат верижни ядрени реакции, при които водородът се превръща в хелий. Тези реакции изискват висока температура (около 20 милиона градуса) и присъствието на катализатор - въглерод. Характерно е, че въглеродът не се изразходва. В миналото обаче аналогични процеси са се извършвали с участието на елементи като литий, берилий, бор и др., които са се изразходвали." (Иванов, 1978, с. 75)
ЛИТЕРАТУРА
Използваните литературни източници са приведени в литературата към гл. 4
Сподели с приятели: |
