Образование химических элементов в космических телах 1

Рис. 41. Зависимость распространенности ядер элементов группы железа в равновесной смеси (1) и в Солнечной системе (2) от их массовых чисел. (Распространенность изотопа Fe⁵⁶ равна единице.)

Поэтому содержание их в равновесной смеси должно быть максимальным, что находится в соответствии с их космической распространенностью. На рис. 41 приведены расчетные значения распространенности ядер элементов группы железа в равновесной смеси при Т = 3,8 · 10⁹ град и lg N _р lN_n = 2,5, где N_p — число протонов, а N_n—число нейтронов в смеси. Они показывают согласие со значениями их средней распространенности в Солнечной системе. Этот факт может служить подтверждением предположения о том, что вещество тел Солнечной системы, вероятно, было подвержено равновесным процессам. Наблюдаются звезды с очень повышенным содержанием железа; к ним можно отнести, например, белый карлик ван-Маанена 2.

Если в оболочке красного гиганта на этой стадии эволюции еще много водорода и происходит интенсивный обмен вещества звезды, то при температуре в несколько миллиардов градусов появляется возможность для протекания ряда последовательных циклов присоединения протонов, например Na²¹(p, γ)Mg^{22 р}-> Na²²(p, γ)Μg²³(p, γ)Α1²⁴. Такие реакции, видимо, протекают и в области более тяжелых элементов, и тогда они могут привести к синтезу «обойденных» ядер. Так, из рис. 40 видно, что изотоп Sm¹⁴⁴ может образоваться по реакции Nd¹⁴²(p, γ)Pm¹⁴³(p, γ)Sm¹⁴⁴. Однако эти реакции возможны только в условиях равновесных процессов, что находится в противоречии с распространенностью обойденных ядер в земной коре и метеоритах. Поэтому вопрос об их синтезе остается сейчас еще открытым.

Советский физик Д. А. Франк-Каменецкий выдвигает гипотезу о том, что они образовались в реакциях при холодном ускорении частиц. По его мнению, условия для такого ускорения существуют как при звездных вспышках, так и в оболочках звезд, обладающих переменными магнитными полями. Предположение о том, что некоторые звезды имеют магнитные поля, появилось еще несколько лет назад. В 1947 г. было открыто существование очень сильных магнитных полей у ряда звезд. Например, у звезд α² Гончих Псов и HD 133029 магнитное поле изменяется от —6000 до +7000 гс. Так как оболочки звезд в основном состоят из ядер водорода, то последние могут ускоряться в таких полях до значительных энергий, например до 10 Мэе. Механизм этого ускорения подобен циклотронному ускорению. При таких энергиях протонов могут протекать реакции с вылетом двух нейтронов, например La¹³⁹(p, 2/г)Се¹³⁸, что приводит к образованию ряда обойденных ядер.

В настоящее время также нет еще единого мнения о реакциях образования большого количества ядер элементов группы железа. Основное возражение приводится не против того, что в процессе развития звезды на каких-то определенных стадиях не могут создаться условия для быстрых равновесных реакций. Такие реакции, по-видимому, происходят. Неясно другое, почему при «закалке» равновесия, т. е. при охлаждении звезды, не меняется относительное содержание ядер в их смеси. Кроме того, неясны физические условия охлаждения вещества звезды, находящегося в ее недрах.

Рис. 42. Зависимость времени протекания различных ядерных процессов от температуры.

Равновесные реакции могут протекать только в конце активной жизни звезды. По времени этот процесс должен быть очень коротким — порядка нескольких секунд — и заканчиваться взрывом звезды.

Итак, мы подошли к конечному этапу жизни звезды, на рис. 42 схематически изображено изменение времени различных ядерных процессов на всех этапах существования звезды в зависимости от температуры в ее центре.

Однако и взрыв вещества звезды, вероятно, не проходит бесследно для процесса синтеза тяжелых элементов. Об этом мы и расскажем в следующем разделе.

5. Вспышки Сверхновых звезд и процесс быстрого присоединения нейтронов

Объяснить механизм образования изотопов самых тяжелых элементов — урана, тория и тяжелых изотопов многих более легких элементов удалось только после обнаружения элементов эйнштейния (Ζ = 99) и и фермия (Ζ = 100) в продуктах термоядерного взрыва, произведенного США в ноябре 1952 г. у атолла Эниветок в Тихом океане.

Рис. 43. Схема изотопов трансурановых элементов, образовавшихся при взрыве термоядерной бомбы.