Nukleosynteza Mirosław Kwiatek Skrót ewolucji materii we

Nukleosynteza
Mirosław Kwiatek
Skrót ewolucji materii we Wszechświecie:
Dominacja promieniowania:
Wg. Gamowa (1948) Wszechświat powstał jako 10-wymiarowy i po 10-43 sekundy rozpadł się na 4- i
6-wymiarowy. Nasz – 4-wymiarowy zaczął się gwałtownie rozszerzad (a 6-wymiarowy – zapadł się, do
10-32 cm)
Od czasu 10-44 sekundy do czasu 10-4 sekundy (od temperatury 1032 1014K do temperatury 1012 K
czyli do biliona kelwinów) z fotonów energii (wysokoenergetycznych) powstawały (z kwarków /i
gluonów/) nukleony czyli: protony (jądra protu czyli najlżejszego izotopu wodoru) i neutrony (w
wyniku niewielkiej asymetrii była ich nadwyżka nad antynukleonami dzięki czemu ta nadwyżka nie
uległa anihilacji ). Powstawały też z fotonów elektrony ale do czasu dłuższego - 10 sekund życia
Wszechświata – gdy temperatura jego obniżyła się do 4 mld K. (Były też neutrina już we wczesnym
Wszechświecie).
Od ok. 100 sekund życia Wszechświata (gdy miał on temperaturę ok. 100 mln K), przez ok. kilka –
kilkanaście minut powstawały z obu nukleonów (nukleosynteza pierwotna) jądra deuteru –
„średniociężkiego” izotopu wodoru a potem, m.in. z tych jąder deuteru – jądra innych najlżejszych
pierwiastków: berylu (najkrócej), litu i helu. Najwięcej powstało jąder wodoru bo są one przecież
(w podstawowym izotopie - procie) protonami więc powstały już do 10tej sekundy istnienia
Wszechświata (Jądra cięższe od berylu nie zdążyły /praktycznie/ powstad bo Wszechświat za szybko
się rozszerzał - spadek gęstości materii oznaczał coraz mniejsze prawdopodobieostwo zajścia
reakcji jądrowych. /Wyższe nuklidy powstały dopiero po |ponownym| zagęszczeniu się materii w
postaci gwiazd; A najwyższe – w równie krótkim czasie rzędu minut/).
Po 10 tysiącach lat skooczyła się dominacja promieniowania (Temperatura Wszechświata: 8 tys. K).
(Spadająca) gęstośd masy 10-20 kg/m3 powstającej z energii zrównoważyła (spadającą) gęstośd
promieniowania
Dominacja materii:
Od 1 mln lat istnienia Wszechświata gdy prawie ostygł do temperatury tysiąca K jądra przechwytują
elektrony (era rekombinacji) i powstają atomy H (ok. 75%), He (ok. 25%), Li, Be.
Po 1 mld lat (temperatura Wszechświata ok. 10 K) powstają pierwsze gwiazdy.
Dziś T=3K
Podczas nukleosyntezy pierwotnej, najprostsze jądro złożone (z protonu i neutronu, czyli jądro
deuteru) mogło powstad dopiero wtedy, gdy średnia energia promieniowania tła we
Wszechświecie spadła poniżej dośd małej wartości energii wiązania tego jądra (ok. 2,2 MeV w
porównaniu do 200 MeV dla uranu |235|), gdyż inaczej proces rozpadu jądra pod wpływem
promieniowania przeważałby nad procesem jego kreacji.
W Naturze (Przyrodzie) istnieje tendencja do zmniejszania swojej energii przez układy (złożone). Stąd
są takie przemiany jąder jak:
> Synteza lekkich w jądro ciężkie ale lżejsze od żelaza (Fuzja)
- w Słoocu (i gwiazdach /podobnych Słoocu/)
- w bombie termojądrowej (wodorowej)
- sztuczna promieniotwórczośd (T1/2>0),
- sztuczna przemiana jądrowa (w przybliżeniu „T1/2 ”=0)
= bo uwalnia się energia wiązania
(W Supernowych następuje synteza cięższych od żelaza ale powoduje to uwalnianie energii wiązania
/coraz to/ mniejszej od energii wiązao jąder początkowych; Energii trzeba dostarczad /z kolapsu
grawitacyjnego/)
> Rozszczepienie ciężkich w lżejsze jądro ale cięższe od żelaza
- w reaktorze elektrowni nuklearnej
- w bombie atomowej
- samorzutne
- rozpad alfa
= bo też uwalnia się energia wiązania
(W Supernowych przechodzących do neutronowych jest rozszczepienie Fe do lżejszych od żelaza
jąder He (i dalej – do neutronów…) ale jest to dezintegracja powodująca uwalnianie się (znów)
mniejszych energii wiązao /od energii wiązania jądra wyjściowego/. Energii trzeba dostarczad – z fali
uderzeniowej grawitacyjnego zapadania się).
Im jądro ma więcej nukleonów tym jego całkowita energia wiązania jest większa
ale na jeden nukleon energia wiązania wzrasta tylko do jądra o granicznie dużej wielkości (żelazo)
a potem – maleje.
(Dalsza rodzina – słabsze więzy … :)
>Przemiana beta (minus i plus oraz wychwyt K)
= bo emitowane są cząstki unoszące energie (elektrony, pozytony, neutrina i antyneutrina)
(Przemiana beta minus zwiększa Z, przemiana beta plus i wychwyt K zmniejszają Z; Obie dla jąder
lżejszych i cięższych od żelaza)
…
Gwiazdy syntetyzujące do żelaza muszą dysponowad coraz większymi energiami aktywacji (z energii
potencjalnej grawitacji podczas kolapsu) aby pokonad na początku syntezy każdego jądra do danego,
cięższego pierwiastka coraz większe odpychanie jądra aktualnego (coraz większą barierę
kulombowską)
Podczas rozszczepienia jądro bardzo ciężkie np. uranu A=235 ‘tylko’ się „przepoławia” czyli rozrywa
się (‘tylko’) na 2 fragmenty (będące więc jądrami jakichś pierwiastków lżejszych: A1 ~A/2, A2=A-A1).
Te (oba) fragmenty mają swoje nukleony (już) związane (Nie trzeba już zużywad energii na ich
wiązanie co byłoby ewentualnie konieczne gdyby było więcej fragmentów. Więcej fragmentów
powstaje podczas fotodezintegracji (3/4 jąder!) żelaza w Supernowej: gamma + 56Fe = 134He + 4n;
Dalej, w wyższych temperaturach, następuje fotodezintegracja helu: gamma + 4He = 2n + 2p (czyli
21H). /A dalej następuje dalszy wzrost neutronów w odwróconym rozpadzie beta: proton + elektron =
neutron + neutrino elektronowe/). Mamy zysk energii będący różnicą bo jednostkowa energia
wiązania jądra, które było cięższym uranem okazuje się mied mniejszą wartośd niż jednostkowa
energia wiązania każdego z obu jąder składowych (Ciężka, podwieszona kropla wody jest mniej
trwała niż mniejsza, lżejsza więc może pozbyd się nadmiaru energii potencjalnej w skali
bezwzględnej (odłączyd częśd wody) chod energii na jednostkę swojej (zmniejszonej) objętości jej
przybędzie): 8,3 (dla A/2) – 7,5 (dla A) = 0,8 jednostek na jednym jądrze; Zysk energii jest z kolei
‘tylko’ różnicą (względny) bo nie całą energię wiązania uranu odzyskujemy (przynajmniej od razu, do
żelaza) gdyż to by oznaczało, że dokonała by się dezintegracjia do (najlżejszego) wodoru a odzysk
całej energii wiązania nie oznaczałby zysku energii bo charakteryzowałby się dostarczaniem energii –
z powodu malenia energii wiązania dla jąder lżejszych od żelaza (Max zysku można by uzyskad w
hipotetycznym /fantastycznym/ rozpadzie uranu na 4 jądra ‘żelazozbliżone’ A/4~58:).
Analogii z kroplami wody nie można zastosowad do reakcji fuzji. (będą to krople jeszcze cięższej
rtęci?). (Tzw. model kroplowy Bohra stwierdza, ze międzynukleonowe przyciąganie jądrowe tworzy
równocześnie napięcie powierzchniowe pozwalające zachowad kulisty kształt jądru).
Przyciągające protony (nukleony) do siebie oddziaływania jądrowe silne coraz mniej się zwiększają
dla jąder cięższych od żelaza