Πυρηνοσύνθεση – Πώς κατασκευάζονται τα στοιχεία

Πυρηνοσύνθεση είναι η διαδικασία δημιουργίας νέων ατομικών πυρήνων από προϋπάρχοντες πυρήνες, πρωτόνια και νετρόνια. Ουσιαστικά είναι η δημιουργία των στοιχείων του περιοδικού πίνακα. Οι δύο γενικοί τρόποι με τους οποίους σχηματίζονται οι ατομικοί πυρήνες είναι η σύντηξη μικρότερων πυρήνων και νουκλεονίων (πρωτόνια και νετρόνια) ή η διάσπαση μεγαλύτερων πυρήνων μέσω σχάσης, ραδιενεργής διάσπασης και άλλων διεργασιών.

Τα πρώτα ελαφρά στοιχεία σχηματίστηκαν κατά τη διάρκεια του Big Bang στη διαδικασία της πυρηνοσύνθεσης του Big Bang. Αργότερα, νέα στοιχεία σχηματίστηκαν στα αστέρια και από τις εκρήξεις τους στην αστρική πυρηνοσύνθεση. Ακόμη περισσότερα στοιχεία που σχηματίστηκαν από συγχωνεύσεις άστρων νετρονίων στη διαδικασία r, πτώσεις κοσμικών ακτίνων, σχάση και ραδιογένεση. Τα υπερβαριά συνθετικά στοιχεία σχηματίζονται από πυρηνικές αντιδράσεις μεταξύ προϋπαρχόντων υπερβαρέων πυρήνων και άλλων πυρήνων ή νουκλεονίων.

Διαδικασίες πυρηνικής σύνθεσης

Ενώ η πυρηνοσύνθεση του Big Bang και η αστρική πυρηνοσύνθεση ευθύνονται για τη δημιουργία των περισσότερων στοιχείων, στην πραγματικότητα συμβαίνουν αρκετές διεργασίες.

• Πυρηνοσύνθεση του Big Bang :Η Μεγάλη Έκρηξη παράγει το μεγαλύτερο μέρος του πρωτίου (υδρογόνο-1), του δευτερίου (υδρογόνο-2), του ηλίου-3 και του ηλίου-4 που βρίσκονται στο σύμπαν σήμερα. Μια μικρή ποσότητα λιθίου-7 και βηρυλλίου-7 σχηματίστηκε στα πρώτα 100 έως 300 δευτερόλεπτα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Πιθανόν να σχηματίστηκε κάποιο βόριο. Όμως, μετά τα πρώτα 20 λεπτά, δεν σχηματίστηκαν νέα στοιχεία μέχρι τη γέννηση των πρώτων αστεριών. Σήμερα, μερικά από αυτά τα ισότοπα σχηματίζονται μέσω άλλων διεργασιών.
• Αστρική πυρηνοσύνθεση :Αστρική πυρηνοσύνθεση είναι ο σχηματισμός νέων πυρήνων από αστέρια. Τα αστέρια συντήκουν υδρογόνο και ήλιο σε βαρύτερους πυρήνες. Όλα τα αστέρια παράγουν άνθρακα μέσω της διαδικασίας του τριπλού άλφα. Ο άνθρακας απελευθερώνει νετρόνια, τα οποία τροφοδοτούν την αργή σύλληψη νετρονίων ή τη διαδικασία s. Η διαδικασία s παράγει στοιχεία βαρύτερα από το νικέλιο και τον σίδηρο.
• Πυρηνοσύνθεση Supernova :Ένας σουπερνόβα παράγει πολλά στοιχεία ενδιάμεσης μάζας μεταξύ οξυγόνου και ρουβιδίου. Σε μεγάλο βαθμό, αυτό περιλαμβάνει ταχεία σύλληψη νετρονίων, αν και μπορεί να συμβεί και ταχεία σύλληψη πρωτονίων (rp-διαδικασία).
• Σύγκρουση αστεριών νετρονίων :Η σύγκρουση δυαδικών αστεριών νετρονίων είναι μια σημαντική πηγή στοιχείων ταχείας σύλληψης νετρονίων ή στοιχείων r-διαδικασίας. Αυτά τα στοιχεία περιλαμβάνουν χρυσό και βαρέα μέταλλα. Περίπου οι μισοί από τους ατομικούς πυρήνες βαρύτερους από τον σίδηρο σχηματίζονται μέσω της διαδικασίας r.
• Δίσκοι προσαύξησης μαύρης τρύπας :Η έντονη βαρύτητα μιας μαύρης τρύπας ενώνει πυρήνες και νουκλεόνια, σχηματίζοντας στοιχεία.
• Αποσπάσεις κοσμικών ακτίνων :Οι κοσμικές ακτίνες (κυρίως πρωτόνια) αλληλεπιδρούν με το διαστρικό μέσο και τις πλανητικές ατμόσφαιρες. Η διαδικασία παράγει ελαφριά στοιχεία, όπως He, Li, Be, B και επίσης άνθρακα, άζωτο και οξυγόνο ως θραύσματα κρούσης.
• Ραδιενεργή διάσπαση :Η ραδιενεργή ή ραδιογενής διάσπαση σχηματίζει θυγατρικά νουκλίδια. Μερικά από αυτά τα νουκλίδια διασπώνται σε πολλά ενδιάμεσα στοιχεία προτού τελικά γίνουν σταθερά ισότοπα. Στη Γη, το ραδόνιο, το πολώνιο, το ήλιο-4 και το αργό-40 προέρχονται σε μεγάλο βαθμό από την αποσύνθεση βαρύτερων στοιχείων.
• Αυθόρμητη σχάση :Το θόριο-232, το ουράνιο-235 και το ουράνιο-238 υφίστανται αυθόρμητη σχάση, σχηματίζοντας φυσικό τεχνήτιο και προμέθιο.
• Άλλες πυρηνικές αντιδράσεις :Η σύλληψη νετρονίων και οι αντιδράσεις που οφείλονται στις κοσμικές ακτίνες αλλάζουν τον έναν πυρήνα σε έναν άλλο. Από αυτές τις αντιδράσεις σχηματίζεται κάποιο νέο-21, νέο-22, άνθρακας-14 και ιώδιο-129. Οι εκρήξεις θερμοπυρηνικών όπλων παράγουν μια περιορισμένη διεργασία r που σχηματίζει βαριά στοιχεία, όπως το αϊνστάινιο και το φερίμιο.

Χρονολόγιο σχηματισμού στοιχείων

• 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια πριν :Υδρογόνο, ήλιο, λίθιο, βηρύλλιο και πιθανώς βόριο σχηματίστηκαν τα πρώτα 20 λεπτά μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Αυτά είναι τα αρχέγονα στοιχεία.
• 13,795 δισεκατομμύρια χρόνια πριν έως σήμερα :Τα αστέρια άρχισαν να σχηματίζονται περίπου 500 εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Ο άνθρακας και τα περισσότερα βαρύτερα στοιχεία μέχρι τον ατομικό αριθμό 90 σχηματίστηκαν μέσα στα αστέρια, από τις εκρήξεις τους και από τη σχάση των κοσμικών ακτίνων. Το νιόβιο και τα βαρύτερα στοιχεία μέχρι τον ατομικό αριθμό 94 σχηματίζονται από τη συγχώνευση άστρων νετρονίων. Η ραδιενεργή διάσπαση και η σχάση σχηματίζουν συνεχώς ελαφρύτερα στοιχεία από βαρύτερους πυρήνες.
• 20ος αιώνας μέχρι σήμερα :Τεχνήτιο και στοιχεία από τον ατομικό αριθμό 95 (americium) έως το 118 (oganesson) συντίθενται σε εργαστήρια. Σημειώστε αστέρια κάνω παράγουν τεχνήτιο και βαρύτερα ραδιενεργά στοιχεία, αλλά διασπώνται πριν σχηματιστούν πλανήτες.

Ιστορία των ανακαλύψεων

Στα τέλη του 19ου και στις αρχές του 20ου αιώνα, οι επιστήμονες πίστευαν ότι τα στοιχεία σχηματίστηκαν στην αρχή του σύμπαντος. Σταδιακά, οι ερευνητές συγκέντρωσαν δεδομένα για την αφθονία των στοιχείων. Το υδρογόνο και το ήλιο είναι τα πιο άφθονα στοιχεία, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 98% της ύλης. Τα επόμενα δύο άφθονα στοιχεία είναι το οξυγόνο και ο άνθρακας.

Το 1920, ο Άρθουρ Στάνλεϊ Έντινγκτον πρότεινε ότι τα αστέρια συντήκουν υδρογόνο και παράγουν ήλιο. Πρότεινε ότι η διαδικασία μπορεί να ευθύνεται για το σχηματισμό άλλων στοιχείων. Όμως, η ιδέα δεν ήταν δημοφιλής επειδή η πυρηνική φυσική ήταν ένα πολύ νέο πεδίο. Πριν από τον Α Παγκόσμιο Πόλεμο, ο Hans Bethe περιέγραψε τον μηχανισμό της σύντηξης του υδρογόνου σε ήλιο. Ο Georges Lemaître πρότεινε τη Μεγάλη Έκρηξη το 1931. Μετά τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, ο Fred Hoyle εξήγησε τους μηχανισμούς για τη δημιουργία βαρύτερων στοιχείων και πώς η σύνθεση του σύμπαντος αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Ο Hans Seuss και ο Harold Urey ετοίμασαν ένα γράφημα με την αφθονία των στοιχείων που εμφάνιζε τον κανόνα Oddo-Harkins. Βασικά, η αφθονία των στοιχείων με ζυγούς ατομικούς αριθμούς είναι μεγαλύτερη από την αφθονία των περιττών στοιχείων σε κάθε πλευρά του στον περιοδικό πίνακα. Οι θεωρίες της πυρηνοσύνθεσης του Big Bang και της αστρικής πυρηνικής σύνθεσης υποστήριξαν τα εμπειρικά δεδομένα.

Όμως, η πυρηνοσύνθεση παραμένει ένα ιδιαίτερα ενεργό πεδίο έρευνας. Οι επιστήμονες επιδιώκουν να αποκαλύψουν τις φυσικές διαδικασίες σχηματισμού στοιχείων και να συνεχίσουν να συνθέτουν νέα στοιχεία.

Αναφορές

• Burbridge, E. M.; Burbidge, G. R.; Fowler, W. A.; Hoyle, F. (1957). «Σύνθεση των στοιχείων στα αστέρια». Κριτικές της σύγχρονης φυσικής . 29 (4):547–650. doi:10.1103/RevModPhys.29.547
• Chakrabarti, S. K.; Jin, L.; Arnett, W. D. (1987). «Πυρηνοσύνθεση μέσα σε παχείς δίσκους προσαύξησης γύρω από τις μαύρες τρύπες. I – Θερμοδυναμικές συνθήκες και προκαταρκτική ανάλυση». The Astrophysical Journal . 313:674. doi:10.1086/165006
• Clayton, D. D. (2003). Εγχειρίδιο Ισότοπων στον Κόσμο . Cambridge, UK:Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-82381-4.
• Eddington, A. S. (1920). «Το Εσωτερικό Σύνταγμα των Αστέρων». Επιστήμη . 43 (1341):233–40. doi:10.1126/science.52.1341.233
• Suess, Hans E.; Urey, Harold C. (1956). «Αφθονίες των Στοιχείων». Κριτικές της σύγχρονης φυσικής . 28 (1):53–74. doi:10.1103/RevModPhys.28.53