Образование химических элементов в космических телах 1

Обнаружены звезды, в которых преобладают элементы, образующиеся в термоядерных реакциях с ядрами гелия. Например, в спектре белого карлика Росс 640, который, как мы покажем дальше, мог образоваться при дальнейшей эволюции красного гиганта, наблюдаются только линии магния и кальция.

Предполагается, что красный гигант находится в стадии, на которой протекают вышеуказанные процессы, в течение от 100 до 10 000 лет. Это уже более быстрые процессы по сравнению с термоядерными реакциями синтеза ядер гелия.

Рис. 38. Зависимость распространенности изотопов магния от их массовых чисел.

Рис. 39. Зависимость распространенности изотопов церия от их массовых чисел.

в) Источники нейтронов в красных гигантах

В гелиевых ядрах красных гигантов наряду с описанными выше процессами могут протекать реакции, сопровождающиеся испусканием нейтронов. Из ядер-ной физики известно, что наиболее эффективными источниками нейтронов являются (α, n) — реакции на изотопах, которые имеют в своем составе один нейтрон сверхкратного числа альфа-частиц, например: Be⁹ (две альфа-частицы + нейтрон), С¹³ (три альфа-частицы + нейтрон), Ne²¹ (пять альфа-частиц + нейтрон). Интересно напомнить, что именно в результате реакции Ве⁹(α, п)С¹² в лабораторных условиях впервые был получен нейтрон и она используется в качестве наиболее широко распространенного радий-бериллиевого источника нейтронов. Природные источники нейтронов на Земле также основаны на реакциях такого типа.

Рассмотрим теперь вопрос о том, не могут ли подобные реакции быть источником нейтронов в недрах красных гигантов? Мы уже указывали, что изотоп О³ образуется в звездах в углеродно-азотном цикле, но поскольку мы находим этот изотоп в веществе Земли и метеоритов, можно сделать вывод, что он не полностью выгорает в этом цикле. Кроме того, не исключена возможность, что вещество красного гиганта перемешивается хотя бы частично, и тогда водород из ее оболочки попадает в центр звезды. Это может вызвать углеродно-азотный цикл с образованием дополнительного количества ядер С¹³. Тогда по реакции

С¹³ + Не⁴ = О¹⁶ + ₀п¹

будут образовываться нейтроны. Так как время жизни ядер С¹³ в этой реакции приближается к 1 млн. лет при температуре около 100 млн. град, то она может рассматриваться как практически постоянный источник нейтронов в течение всего времени существования красного гиганта. Однако в углеродно-азотном цикле образуются ядра N¹⁴, которые активно захватывают нейтроны по реакции

N¹⁴ + ₀п¹ = С¹⁴ + р

и тем самым как бы «отравляют» нейтронный источник, уменьшая его мощность.

Добавочным источником нейтронов может быть реакция

Ne²¹ + Не⁴ = Mg²⁴ + ₀п¹.

Мы уже указывали, что ядро Ne²¹ есть промежуточное звено в неоново-натриевом цикле, протекающем в звездах наряду с углеродно-азотным циклом. Возможность появления в недрах красных гигантов нейтронов дает основание предсказать вероятность образования в них тяжелых элементов.

г) Синтез изотопов тяжелых элементов

Ранее было показано, что нейтроны, образующиеся в ядерном реакторе за счет деления ядер урана, дают возможность осуществлять последовательный синтез всех трансурановых элементов от нептуния до фермия. Об этом свидетельствует цепочка ядерных реакций, приведенная на рис. 30. Такие реакции в принципе могут быть осуществлены во всех областях ядер и с нейтронами любых энергий, ибо в процессе присоединения нейтронов кулоновский барьер ядра не играет никакой роли.

Реакции последовательного присоединения нейтронов в ядерных реакторах могут протекать и в недрах красных гигантов. Цикл многих последовательных (п, γ) — реакций, которые сопровождаются β-распадом образующихся ядер (причем время этого процесса должно быть меньше, чем время присоединения следующего нейтрона), может начаться на изотопах магния, серы, кальция и других элементов, которые синтезируются в реакциях слияния ядер гелия и углерода. Этот цикл может продолжаться вплоть до образования самых тяжелых элементов. На рис. 40 приведена цепочка образования изотопов некоторых редких земель из La¹³⁹, обозначенная жирной чертой. Начальное ядро La¹³⁹ (2) присоединив нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп La¹⁴⁰ с периодом полураспада около 40 ч. La¹⁴⁰ полностью распадается, не успев присоединить следующий нейтрон.

Рис. 40. Диаграмма атомных ядер некоторых редкоземельных элементов (О — радиоактивные ядра).

В результате получается стабильное ядро Се¹⁴⁰, которое снова присоединяет нейтрон и т. д. Все изотопы, образующиеся в процессе медленного захвата нейтронов, обозначены на рисунке цифрой 3.