ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2010, том 73, № 8, с. 1505-1513
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ЯДЕРНАЯ АСТРОФИЗИКА
© 2010 г. Ю. Э. Пенионжкевич*
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия Поступила в редакцию 28.12.2009 г.
2009 год объявлен ООН и ЮНЕСКО годом астрономии. Большой вклад в развитие наших представлений о свойствах Вселенной вносят исследования в области физики элементарных частиц и физики ядра. В настоящей работе представлены некоторые проблемы эволюции Вселенной, нуклеосинтеза и космохронологии с точки зрения физики ядра и элементарных частиц. Проводится сравнение процессов, происходящих во Вселенной, с механизмами образования и распада ядер, а также их взаимодействия при высоких энергиях. Даны примеры, показывающие возможности методов ядерной физики в исследовании космических объектов и свойств Вселенной. Представлены результаты исследований ядерных реакций с пучками радиоактивных ядер, позволяющие по-новому рассматривать сценарий нуклеосинтеза в области легких элементов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследования законов микромира, которыми занимается ядерная физика, в последнее время помогли существенно расширить наши представления о явлениях, происходящих в макромире — нашей Вселенной, внесли огромный вклад в разработку астрофизических и космологических теорий. Прежде всего это касается модели расширяющейся Вселенной, эволюции звезд и распространенности элементов, а также свойств различных звезд и космических объектов — "холодных", нейтронных, черных дыр, пульсаров и др. Не претендуя в настоящей работе на полное изложение всех проблем космологии, остановимся лишь на тех, которые имеют, на наш взгляд, много общего со свойствами ядерной материи, проявляющимися при ядерных взаимодействиях.
2. НУКЛЕОСИНТЕЗ
В процессе эволюции Вселенная постоянно обогащается все более тяжелыми химическими элементами [1]. Распространенность химических элементов во Вселенной определяют разными способами: по спектру излучения звезд, путем элементного анализа земных и космических образцов (метеоритов, лунных образцов). Полученная таким образом кривая распространенности элементов показана на рис. 1. Кривая имеет максимумы для группы кремния и группы железа, после чего кривая распространенности распадается на две ветви: одна включает нейтронообогащенные изотопы и характеризуется тремя двойными пиками вблизи магических чисел N = 50, 82 и
E-mail: pyuer@lnr.jinr.ru
126, а вторая включает менее распространенные протонообогащенные изотопы.
Одной из ступеней нуклеосинтеза являлось образование 12С. Как было показано, углерод может быть образован в результате реакции + 8Be ^
Рис. 1. Кривая относительной распространенности N элементов в зависимости от их массового числа А. Верхняя ветвь с двойными (г и в) пиками соответствует нейтронно-избыточным изотопам, нижняя (р) — протонно-обогащенным изотопам. Черные кружки показывают положение отдельных ядер (два верхних — ядра Н и Не). Цифрами отмечены: 1 — области слияния гелия, 2 — области слияния водорода, 3 — группа железа.
Рис. 2. Цепочки быстрого и медленного захвата нейтронов (г- и в-процессы) для ядра 56Fe. Горизонтальные стрелки — те-захват, стрелки под углом 135° — в--распад, стрелки под углом —45° — 3+ -распад; пунктирными стрелками представлены альтернативные каналы образования 65 Си.
^ 12С + 7. Однако ядро 8Ве является нестабильным по отношению к распаду на две а-частицы и живет 10"16 с. Между тем при температуре, близкой к 108 К, и плотности порядка 105 г см"2 три ядра 4Не могут образовать ядро 12С в результате двухступенчатой реакции 4Не + 4Не ^ 8Ве + + 4Не ^ 12С + 7, вторая часть которой носит резонансный характер. Эта реакция позволяет объяснить существование углерода, а с ним и других наблюдаемых изотопов. На каждой стадии слияния ядер, инициируемых взрывами внешней оболочки звезд, образуются все более тяжелые ядра: 4Не, 12С, 16О, 28Б, 56Ре. При этом процессы образования сопровождаются и процессами распада этих ядер. В таком случае в наиболее благоприятных условиях находятся изотопы, имеющие наибольшую стабильность (энергия связи на нуклон максимальна). К ним относятся ядра в области А & 60. Это объясняет повышение содержания ядер группы железа (последние данные приведены в [2]).
Несколько иной механизм образования ядер тяжелее железа — это последовательные реакции радиоактивного захвата нейтронов элементами группы железа. Наличие двойных пиков в кривой распространенности элементов (рис. 1) свидетельствует о наличии двух различных процессов захвата нейтронов — так называемых г- и з-процессов. Эти два процесса соответствуют различным нейтронным плотностям. В случае малых плотностей нейтронов (з^о-^-процесс) при радиационном захвате (А, 2)+ п ^ (А + 1, 2)+ 7образуется изотоп с массой, на единицу большей, чем масса ядра-мишени. Если конечное ядро (А + 1, 2) стабильно, то на нем также может произойти радиационный захват с образованием нового изотопа (А + 2, 2). При малых потоках ядро (А + х,2) распадается раньше, чем поглотит нейтрон. В основном оно распадается путем в-распада, в результате которо-
го образуется новое ядро (А + х,2 + 1) или же целая цепочка распадов, заканчивающаяся на ядре, время жизни которого будет достаточно большим для того, чтобы произошел новый радиационный захват. Этот процесс повторяется многократно и приводит к образованию нейтронодефицитных ядер с массой до 200. После этого ядра с большой вероятностью делятся, что прерывает з-процесс. При больших плотностях нейтронов (г (гар1^-процесс) ядро (А + х, 2) поглотит нейтроны раньше, чем распадется, что приводит к новым радиационным захватам. Это происходит до тех пор, пока цепочка захватов не дойдет до изотопа с очень малым периодом полураспада, и мы придем к предыдущему случаю.
На рис. 2 показаны цепочки г- и з-процессов образования различных ядер и изотопов из ядра 56Ре. Подтверждением существования г- и з-процессов является повышенное содержание изотопов при N = 50, 82 и 126. Экспериментально показано, что распространенность элементов обратно пропорциональна полным сечениям захвата нейтронов. Для ядер с магическими числами такое сечение на несколько порядков ниже, чем для других соседних ядер. С точки зрения ядерной физики данный результат является проявлением магических чисел. Для астрофизики — это доказательство существования з-процесса.
Было предсказано также существование оболочки с 2 = 114 и соответственно повышение стабильности сверхтяжелых ядер вблизи дважды магического ядра 2981 14 (1 14 протонов и 184 нейтрона). Расчеты, проведенные по оболочечной модели, показали возможность существования такого сверхтяжелого ядра с периодом полураспада до ~108 лет [3]. Несмотря на то что точность таких расчетов невелика и они носят скорее качественный характер, последние опыты по синтезу тяжелых изотопов 112—118-го элементов показали, что
^ Га (С)
N
Рис. 3. Зависимость времени жизни сверхтяжелых элементов относительно их а-распада от числа N нейтронов. Сплошные горизонтальные линии отмечают определенный возраст: 1 — возраст Земли, 2 — 108 лет, 3 — 106 лет, 4 — 1 год, 5 — 1 сут. Штриховыми линиями указаны экспериментальные пределы поиска элементов в природе (а) и космических лучах (б).
Рис. 4. Установка для регистрации вспышки нейтронов от спонтанного деления ядер при распаде 108-го элемента Ека(ОБ) (подземная лаборатория в г. Модан, Франция). 1 событие в год соответствует образованию 5 х 10-1Б г Ека(ОБ) в 1 г Об (или 10~22 Ека(ОБ) в 1 г земной коры, или 10~16 от содержания и).
наблюдается повышение стабильности сверхтяжелых ядер по отношению к а-распаду [4], это является дополнительным подтверждением повышения стабильности сверхтяжелых ядер вблизи оболочек (рис. 3).
Рис. 5. "Холодный" (сплошная кривая) и "горячий"
(штриховая кривая) CNO-циклы. Указаны периоды
полураспада Т1/2 для изотопов 14,16 О.
Если предположить, что наиболее долгоживу-щие сверхтяжелые ядра имеют период полураспада 105—106 лет (что не сильно расходится с предсказаниями теории, которая свои оценки делает также с определенной точностью), то не исключено, что они могут быть обнаружены в космических лучах — свидетелях образования элементов на других, более молодых планетах Вселенной. Если предположить также, что период полураспада "долгожителей" может составлять десятки миллионов лет и более, то они могли бы присутствовать в Земле, сохранившись в очень малых количествах от момента образования элементов в Солнечной системе до наших дней. Среди возможных кандидатов наиболее реальными являются изотопы 108-го элемента (Нб), ядра которых содержат около 180 нейтронов. Химические опыты, проведенные с короткоживу-щим изотопом 269Нб (Т1/2 ~ 9 с) показали, что 108-й элемент, как и ожидалось согласно Периодическому закону, является химическим гомологом 76-го элемента — осмия (Об) [5].
Тогда образец металлического осмия может содержать в очень малых количествах 108-й элемент Ека(ОБ). Присутствие Ека(ОБ) в осмии можно определить по его радиоактивному распаду. Возможно, сверхтяжелый элемент будет испытывать спонтанное деление, либо спонтанное деление наступит после предшествующих а- или ^-распадов (вид радиоактивного превращения, при котором один из нейтронов ядра превращается в протон) более легкого и более короткоживущего дочернего или внучатого ядра. Тогда распад сверхтяжелого ядра будет регистрироваться по нейтронной вспышке, сопровождающей спонтанное деле-
ние. Такая установка, включающая в себя 4п-нейтронный детектор, была создана в Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ и размещена для уменьшения космического фона нейтронов в подземной лаборатории, расположенной под Альпами в середине тоннеля, соединяющего Францию с Италией, на глубине, соответствующей 4000-метровому слою водного эквивалента (рис. 4). Если в течение года измерений будет наблюдено хотя бы одно событие спонтанного деления сверхтяжелого ядра, то это будет соответствовать содержанию 108-го элемента около 5 х 10"15 г в 1 г образца об, в предположении, что период его полураспада равен 109 лет. Столь малая величина составляет всего 10"16 часть от концентрации урана в земной коре.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.