Образование химических элементов в космических телах 1

Существовавшие до 1950 г. теории образования химических элементов можно подразделить на две основные группы — теории образования атомных ядер в условиях термодинамического равновесия и неравновесные теории. Впервые основные положения равновесной теории были Еысказаны Г. И. Покровским в 1931 г. и затем получили дальнейшее развитие в работах В. В. Чердынцева, В. Хойля и других. В этой теории предполагается существование в какой-то дозвездный период вещества с чрезвычайно высокой температурой (порядка 10¹⁰ градусов) и плотностью (около 10¹⁴ г/см³ для среды из заряженных частиц и в десять раз меньшей для среды из нейтронов). Предполагается, что в исходном веществе в определенный момент его существования ядерные реакции достигают равновесия, при котором процесс синтеза атомных ядер уравновешивается их распадом. Затем такое вещество должно очень быстро перейти в качественно новое состояние — в условия сравнительно низких температур и давления, при которых не могут протекать ядерные реакции. При таком «замораживании» равновесной системы последняя сохраняет относительное содержание атомных ядер, которое было достигнуто в момент равновесия. Распространенности, рассчитанные по этой теории, в общем вполне удовлетворительно совпадают с наблюдаемыми средними распространенностями изотопов в космосе только в области легких элементов. Основной недостаток всех равновесных теорий заключается в том, что до сих пор не представляется возможным на основании наших знаний о ядерных реакциях объяснить причину замораживания равновесных реакций.

По неравновесным теориям синтез атомных ядер протекает при низких температурах и давлении. Одной из наиболее широко известных таких теорий является α-β-γ-теория, предложенная в 1948 г. Согласно этой теории, возникновение химических элементов происходило в момент быстрого расширения первичной материи, называемой «илем». Под ним подразумевается система из нейтронов и гамма-квантов при большом давлении. Когда в результате релятивистского расширения давление в системе упало, то нейтроны стали превращаться в протоны и электроны, ибо газ, состоящий из одних нейтронов, может существовать только лишь при очень высоких плотностях, подобных плотностям нуклонов в атомных ядрах. Образующиеся протоны захватывали нейтроны с образованием дейтронов, которые в сбою очередь также способны присоединять нейтроны. Предполагается, что за 15 мин путем последовательного захвата нейтронов и β-распада образующихся ядер, подобно тому как это происходит в ядерном реакторе за длительное время, были созданы все существующие в настоящее время изотопы природных стабильных элементов. Описанная теория хотя удовлетворительно объясняет некоторые закономерности распространенности изотопов в области тяжелых элементов, но совершенно неприменима к объяснению происхождения изотопов легких элементов. Имеется очень серьезное возражение против такой теории. Оно заключается в том, что в природе не существует стабильных ядер с массой 5 и 8, без которых не может произойти образование более тяжелых изотопов. Кроме того, неясно, в какой момент развития вещества нашей Вселенной она могла пройти стадию расширения за столь короткое время, как это предполагается в теории.

Существенный перелом в решении проблемы образования химических элементов начался с 1952 г., когда американские физики (В. Фаулер, Е. Сальпетер, А. Камерон и Д. Гринштейн), а также английские астрофизики (Е. Бербидж, Дж. Бербидж и Ф. Хойль) предложили теорию синтеза химических элементов в звездах. Эта теория основана на современных данных астрофизики, ядерной физики и ядерной химии. Согласно этой теории, синтез элементов происходит на всех стадиях развития звезд.

3. Рождение элементов в звездах

Интенсивное развитие астрономии и особенно наблюдательной астрофизики — науки, которая занимается изучением физической природы космических тел, — за последние десять лет позволило, как мы видели в предыдущей главе, получить многие важные характеристики известных ранее звезд: массу, светимость, размеры и химический состав, — установить ряд закономерностей в свойствах звезд и открыть новые космические объекты. Это дало возможность найти космические тела, в которых в настоящее время могут протекать ядерные реакции, приводящие к синтезу элементов. Поэтому отпала необходимость в предположении какого-либо особого дозвездного состояния вещества, чтобы объяснить современную распространенность химических элементов.