З деякого моменту у Всесвіті розпочинаються процеси зореутворення і зразу ж у надрах зір відбуваються реакції синтезу ядер все складніших хімічних елементів. Очевидно, спочатку це були масивні догалактичні зоряні об’єкти (інакше важко пояснити той факт, що навіть найстаріші зорі містять хоча й малу, але все-таки цілком визначену кількість металів), які швидко проходили всі етапи еволюції, завершуючи її спалахом наднової. Так речовина, з якої далі формувалися галактики й окремі зорі в них, поповнювалася елементами, важчими від гелію, зокрема їхніми радіоактивними ізотопами. Отже, починаючи з деякого моменту, у Всесвіті відбуваються процеси синтезу ядер складних хімічних елементів і зворотні їм процеси розпаду окремих ізотопів. Унаслідок цього ізотопний склад речовини Всесвіту – матеріалу, з якого на певному етапі зформувалася і наша Сонячна система, безупинно змінювався. Аналізуючи вміст окремих радіоактивних ізотопів і продуктів їхнього розпаду в речовині Землі, Місяця і метеоритів, ядерна космохронологія прагне відновити хронологічну картину цього процесу утворення ізотопів хімічних елементів у Всесвіті, а за їх відносним змістом – визначити проміжок часу, що відокремлює сучасний момент від початку синтезу. Які ж висновки випливають із зіставлення даних ядерної хронології і теорії розширного Всесвіту? Передусім – поширеність хімічних елементів, що є у Всесвіті (рис 3.6), є наслідком перебігу близько десяти різних ядерних процесів. Майже усі вони відбуваються в надрах зір, причому їхні швидкості, та й самі можливості їх "реалізації", істотно залежать від густини і температури в надрах зорі, які на кожному етапі еволюції визначаються її масою. Ось короткий перелік цих реакцій: 1) H-процес – перетворення водню в гелій у надрах "звичайних" зір (зокрема і Сонця) при температурі T ~ 15∙106 K за схемою 41Н → 4Не. 2) α-процес – сукупність реакцій синтезу вуглецю з гелію за схемою 34Не → 12С і подальших реакцій синтезу ядер кисню, неону, магнію (12С+ 4Не → 16О, 16О + 4Не → 20Ne і т.д.), що відбуваються при Тс ≥ 5∙108 K в надрах зір з масою M ≥ 1,5M⊙. 3) е-процес – утворення ядер елементів групи заліза (16О + 16О → 28Sі + 4He, 28Sі + 28Sі → 56Nі та ін.) у надрах масивних зір при Тс ≈ 3∙109 K безпосередньо перед спалахом зорі як наднової. 4) s-процес (від англійського slow – повільний) – процес повільного захоплення нейтронів у ядрах зір із M ≥ 1,5M⊙ на пізньому етапі їхньої еволюції. Потрапляючи в ядро, нейтрон перетворюється в протон раніше, ніж це ядро захопить ще один нейтрон і стане стійким ізотопом. Так утворюються ядра все важчих (після заліза) хімічних елементів аж до вісмуту (209Bі). Джерелами вільних нейтронів є реакції типу 12С + 12С → 23Mg + n, 16О + 16О → 31S + n. 5) r-процес (від слова rapid – швидкий) – процес захоплення нейтронів атомними ядрами, який відбувається у надрах наднової під час спалаху упродовж усього близько 100 с, тоді саме утворюються ядра елементів з атомною масою до А ≈ 270 (зокрема урану і торію). Зокрема, за рахунок s-процесів утворяться "надлишки" ядер поблизу атомних мас А ≈ 86, 130 і 196, за рахунок r-процесів – при А ≈ 90, 140 і 210. 6) p-процес – процес захоплення протонів ядрами окремих важких хімічних елементів, що відбувається в оболонках наднових. 7) Х-процес – утворення літію, берилію і бору внаслідок процесів зколювання, при яких легка частинка високої енергії зударяється з важким ядром і вибиває з нього легкий осколок. Цей процес, зокрема, міг зіграти важливу роль у зміні ізотопного складу речовини, з якого утворилися планети, завдяки потужному корпускулярному випромінюванню молодого Сонця. 8) ν-процес – утворення в оболонці наднової ядер деяких хімічних елементів при взаємодії з речовиною оболонки потоків нейтрино, які виходять із надр зорі при колапсі її ядра. Саме з "попелу" давно згаслих зір, після їх спалаху як наднових, перемішаного з "початковою" речовиною Галактики, і зформувалася наша Сонячна система. Для визначення її віку використано явище радіоактивного розпаду ядер хімічних елементів, період напіврозпаду яких більший за 1 млрд. років. Мова йде головним чином про ізотопи урану і торію, продуктом розпаду яких є свинець: 238U → 206Рb + 84Не (Т½ = 4,5 млрд. років), 235U → 207Pb + 74Не (0,7 млрд. років), 232Th → 208Pb + 64He (14 млрд. років). Зіставлення вмісту ізотопів урану, торію і свинцю в метеоритах привело до висновку, що вік планетної системи θn ≈ 4,55 млрд. років. Нагадаємо, що вік зразків визначають надійно лише у випадку, якщо радіоактивний елемент і кінцевий продукт його розпаду залишаються зв’язаними між собою. Ця умова порушується, якщо зразок розплавлювався, що траплялося на Землі (найдавніші зразки земних порід мають вік 3,6 млрд. років) і частково на Місяці. Цього уникла речовина більшості метеоритів, так званих хондритів. "Вкраплені" у них хондри – крапельки (діаметром до 1 см) містять практично всі хімічні елементи (за невеликими винятком) у тому ж співвідношенні, що й в атмосфері Сонця. Речовина ж, яка оточує хондри, складається зі звичайних силікатних мінералів. Встановлення віку Галактики методами ядерної космохронології здійснюється з урахуванням а) синтезу ядер хімічних елементів (нуклеосинтезу) у Галактиці до утворення Сонячної системи і одночасного розпаду їх на стадії газоподібних туманностей. Згодом, б) “вільного розпаду” ядер, зокрема ізотопів урану і торію, після конденсації речовини у планети і метеоритні тіла. Узгодженості різних даних досягнуто у припущенні, що в найближчих до нас околицях Галактики безпосередньо перед початком процесу формування Сонячної системи стався сплеск ("спайк") нуклеосинтезу (як тут не згадати гіпотезу Фреда Хойла про те, що в минулому Сонце було подвійною зорею і що один з компонентів спалахнув як наднова...). Радіоактивних ізотопів з періодом піврозпаду близько 109 років налічується біля десятка. Найбільш надійними для встановлення космохронологічної шкали є згадані ізотопи урану і торію, а також плутонію – 244 (період піврозпаду = 0,08 млрд. років). Знайдений цим шляхом (незалежно від космічних даних) вік нашого Всесвіту сягає 14 млрд. років. Детальний аналіз проблем ядерної астрофізики здійснено, зокрема, в монографії “Ядерна астрофізика” (автори – Ф. Хойл та ін., М. 1986), приуроченій 70-річчю видатного дослідника, лауреата Нобелівської премії (1983 р.) Уільяма Фаулера. У ядерній космохронології є ще дуже багато невизначеностей. Досить сказати, що похибки ефективних перерізів деяких реакцій надто великі. Дуже далека ще від розв’язку проблема так званих обійдених ядер (збіднених нейтронами ядер важких елементів). І все ж збіг віку Всесвіту за даними космохронології і теорії його розширення виявляється все-ж непоганим.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Шкала ядерної хронологі» з дисципліни «Фрагменти космології»
