Бериллий-8 - Beryllium-8

Бериллий-8,8Быть
鈹 -8.svg
Общий
Символ8Быть
Именабериллий-8, Бе-8
Протоны4
Нейтронов4
Данные о нуклидах
Природное изобилие0[а]
Период полураспада8.19(37)×10−17 s
Продукты распада4Он
Изотопная масса8.00530510(4) ты
Вращение0
Режимы распада
Режим распадаЭнергия распада (МэВ )
α(91.84±4)×10−3[2]
Изотопы бериллия
Полная таблица нуклидов

Бериллий-8 (8Быть, Бе-8) это радионуклид с 4 нейтроны и 4 протоны. Это несвязанный резонанс и номинально изотоп бериллия. Он распадается на две альфа-частицы с периодом полураспада порядка 10−16 секунды; это имеет важные последствия в звездный нуклеосинтез поскольку это создает узкое место при создании более тяжелых химические элементы. Свойства 8Также привели к предположениям о тонкая настройка из Вселенная, а теоретические исследования космологической эволюции 8Будьте стабильны.

Открытие

Открытие бериллия-8 произошло вскоре после постройки первого ускоритель частиц в 1932 г. Британские физики Джон Дуглас Кокрофт и Эрнест Уолтон провели свой первый эксперимент со своим ускорителем на Кавендишская лаборатория в Кембридж, в котором они облучали литий-7 с протоны. Они сообщили, что это заселило ядро ​​с А = 8, который почти мгновенно распадается на две альфа-частицы. Эту активность снова наблюдали несколько месяцев спустя, и предполагалось, что она возникла из 8Быть.[3]

Характеристики

Тройной альфа-процесс

Бериллий-8 - это несвязанный по альфа-излучению на 92 кэВ; это резонанс шириной 6 эВ.[4] Ядро гелия-4 особенно стабильно, имея вдвойне магия конфигурация и больше энергия связи на нуклон чем 8Быть. Поскольку полная энергия 8Быть больше, чем у двух альфа-частицы, распад на две альфа-частицы энергетически выгоден,[5] и синтез 8Быть от двух 4Он ядра эндотермический. Распад 8Be облегчается структурой 8Быть ядром; он сильно деформирован и, как полагают, представляет собой подобный молекуле кластер из двух альфа-частиц, которые очень легко разделяются.[6][7] Кроме того, в то время как другие альфа-нуклиды имеют аналогичные короткоживущие резонансы, 8Исключительно Be уже в основное состояние. Несвязанная система двух α-частиц имеет низкую энергию Кулоновский барьер, что позволяет ему существовать в течение любого значительного периода времени.[8] А именно, 8Be распадается с периодом полураспада 8,19×10−17 секунд.[9]

8Be также имеет несколько возбужденных состояний. Это тоже короткоживущие резонансы, шириной до нескольких МэВ и различной изоспины, которые быстро распадаются до основного состояния или на две альфа-частицы.[10]

Аномалия распада и возможная пятая сила

Основная статья: X17 частица

Эксперимент 2015 г. Аттила Краснахоркай и другие. на Институт ядерных исследований Венгерской академии наук обнаружены аномальные распады в возбужденных состояниях 17,64 и 18,15 МэВ 8Be, заселенный протонным облучением 7Ли. Избыток распада создает электрон -позитрон пары под углом 140 ° с суммарной энергией 17 МэВ. Джонатан Фенг и другие. отнести это 6,8-σ аномалия к протофобному X-бозон назвал X17 частица. Этот бозон будет посредником пятая фундаментальная сила действующие на коротком расстоянии (12FM ) и, возможно, объяснить распад этих 8Быть возбужденными состояниями.[10] Повторный запуск этого эксперимента 2018 года обнаружил такое же аномальное рассеяние частиц и установил более узкий диапазон масс предлагаемого пятого бозона, 17.01±0.16 МэВ / c2.[11] Хотя для подтверждения этих наблюдений необходимы дальнейшие эксперименты, влияние пятого бозона было предложено как «наиболее очевидную возможность».[12]

Роль в звездном нуклеосинтезе

В звездный нуклеосинтез, два гелий-4 ядра могут столкнуться и предохранитель в единое ядро ​​бериллия-8. Бериллий-8 имеет чрезвычайно короткий период полураспада (8,19×10−17 секунд), и распадается обратно в два ядра гелия-4. Это, наряду с несвязанным характером 5Он и 5Ли создает узкое место в Нуклеосинтез Большого взрыва и звездный нуклеосинтез,[8] поскольку это требует очень высокой скорости реакции.[13] Это препятствует образованию более тяжелых элементов в первом процессе и ограничивает выход во втором процессе. Если бериллий-8 столкнется с ядром гелия-4 перед распадом, они могут слиться в углерод-12 ядро. Эта реакция была впервые независимо теоретизирована Öpik.[14] и Солпитер[15] в начале 1950-х гг.

Из-за нестабильности 8Быть тройной альфа-процесс единственная реакция, в которой 12С и более тяжелые элементы могут производиться в наблюдаемых количествах. Процесс тройного альфа, несмотря на то, что он является реакцией трех тел, облегчается, когда 8Производство Be увеличивается так, что его концентрация составляет примерно 10−8 относительно 4Он;[16] это происходит, когда 8Ве образуется быстрее, чем распадается.[17] Однако одного этого недостаточно, поскольку столкновение между 8Быть и 4Он с большей вероятностью разрушит систему, чем сделает возможным слияние;[18] скорость реакции все равно не будет достаточно высокой, чтобы объяснить наблюдаемое изобилие 12С.[1] В 1954 г. Фред Хойл таким образом постулировал существование резонанс в углероде-12 в области звездной энергии тройного альфа-процесса, увеличивая образование углерода-12, несмотря на чрезвычайно короткий период полураспада бериллия-8.[19] Существование этого резонанса ( Состояние Хойла ) вскоре после этого было подтверждено экспериментально; его открытие цитировалось в формулировках антропный принцип и гипотеза тонкой настройки Вселенной.[20]

Гипотетические вселенные со стабильным 8Быть

Поскольку бериллий-8 не связан только на 92 кэВ, предполагается, что очень небольшие изменения в ядерный потенциал и точная настройка определенных констант (таких как α, постоянная тонкой структуры ), мог бы значительно увеличить энергию связи 8Быть, чтобы предотвратить его альфа-распад, тем самым делая его стабильный. Это привело к исследованию гипотетических сценариев, в которых 8Быть стабильным и размышлять о другие вселенные с разными фундаментальными константами.[1] Эти исследования показывают, что исчезновение узкого места[20] сделано 8Это привело бы к совершенно другому механизму реакции в Нуклеосинтез Большого взрыва и тройной альфа-процесс, а также изменить содержание более тяжелых химических элементов.[4] Поскольку нуклеосинтез Большого взрыва произошел только в течение короткого периода времени при необходимых условиях, считается, что существенной разницы в производстве углерода не будет, даже если 8Быть стабильным.[8] Однако стабильный 8Be обеспечит альтернативные пути реакции при горении гелия (например, 8Быть + 4Он и 8Быть + 8Быть; составляющие фазу «сжигания бериллия») и, возможно, повлияют на содержание образующегося 12C, 16O и более тяжелые ядра, хотя 1Рука 4Он останется самым распространенным нуклидом. Это также повлияет на звездная эволюция из-за более раннего начала и более высокой скорости горения гелия (и горения бериллия), что приводит к другому главная последовательность чем наша Вселенная.[1]

Примечания

  1. ^ Он не встречается в природе на Земле, но существует в светское равновесие в ядрах звезд, горящих гелием.[1]

Рекомендации

  1. ^ а б c d Adams, F.C .; Гроз, Э. (2017). «Звездный гелий, горящий в других вселенных: решение проблемы тонкой настройки тройной альфы». Физика астрономических частиц. 7: 40–54. arXiv:1608.04690. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2016.12.002.
  2. ^ Wang, M .; Audi, G .; Кондев, Ф. Г .; Huang, W. J .; Naimi, S .; Сюй, X. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030003-1–030003-442. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  3. ^ Тоннессен, М. (2016). Открытие изотопов: полный сборник. Springer. С. 45–48. Дои:10.1007/978-3-319-31763-2. ISBN  978-3-319-31761-8. LCCN  2016935977.
  4. ^ а б Coc, A .; Olive, K. A .; Uzan, J.-P .; Вангиони, Э. (2012). «Вариация фундаментальных констант и роль А = 5 и А = 8 ядер на первичный нуклеосинтез ». Физический обзор D. 86 (4): 043529. arXiv:1206.1139. Дои:10.1103 / PhysRevD.86.043529.
  5. ^ Schatz, H .; Блаум, К. (2006). «Ядерные массы и происхождение элементов» (PDF). Новости Europhysics. 37 (5): 16–21. Дои:10.1051 / epn: 2006502.
  6. ^ Фриер, М. (2014). «Кластеризация легких ядер: от стабильного к экзотическому» (PDF). В Scheidenberger, C .; Пфютцнер М. (ред.). Еврошкола по экзотическим лучам: конспект лекций по физике. Конспект лекций по физике. 4. Springer. С. 1–37. Дои:10.1007/978-3-642-45141-6. ISBN  978-3-642-45140-9. ISSN  0075-8450.
  7. ^ Чжоу, Б .; Рен, З. (2017). «Нелокализованная кластеризация в ядрах». Успехи в физике. 2 (2): 359–372. Дои:10.1080/23746149.2017.1294033.
  8. ^ а б c Coc, A .; Вангиони, Э. (2014). "Тройная альфа-реакция и А = 8 разрыв в звездах BBN и Population III " (PDF). Memorie della Società Astronomica Italiana. 85: 124–129. Bibcode:2014MmSAI..85..124C.
  9. ^ Audi, G .; Кондев, Ф. Г .; Wang, M .; Huang, W. J .; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF). Китайская физика C. 41 (3): 030001. Bibcode:2017ЧФК..41с0001А. Дои:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  10. ^ а б Feng, J. L .; Fornal, B .; Галон, I .; и другие. (2016). "Доказательства протофобной пятой силы от 8Быть ядерными переходами ». Письма с физическими проверками. 117 (7): 071803. arXiv:1604.07411. Дои:10.1103 / PhysRevLett.117.071803. PMID  27563952.
  11. ^ Krasznahorkay, A.J .; Csatlós, M .; Csige, L .; и другие. (2018). "Новые результаты на 8Быть аномалией " (PDF). Journal of Physics: Серия конференций. 1056: 012028. Дои:10.1088/1742-6596/1056/1/012028.
  12. ^ Картлидж, Э. (25 мая 2016 г.). «Обнаружила ли венгерская физическая лаборатория пятую силу природы?». Природа. Получено 14 июля 2019.
  13. ^ Ландсман, К. (2015). «Аргумент точной настройки». arXiv:1505.05359 [Physics.hist-ph ].
  14. ^ Эпик, Э. Дж. (1951). «Звездные модели с переменным составом. II. Последовательности моделей с генерацией энергии, пропорциональной пятнадцатой степени температуры». Труды Королевской ирландской академии, Секция А. 54: 49–77. JSTOR  20488524.
  15. ^ Солпитер, Э. Э. (1952). «Ядерные реакции в звездах. I. Протон-протонная цепочка."". Физический обзор. 88 (3): 547–553. Дои:10.1103 / PhysRev.88.547.
  16. ^ Пекаревич, Дж. (2014). «Рождение, жизнь и смерть звезд» (PDF). Университет штата Флорида. Получено 13 июля 2019.
  17. ^ Sadeghi, H .; Pourimani, R .; Могхадаси, А. (2014). «Процесс радиационного захвата двух гелия и 8Быть ядром при энергиях поселенцев ". Астрофизика и космическая наука. 350 (2): 707–712. Дои:10.1007 / s10509-014-1806-1.
  18. ^ Инглис-Аркелл, Э. «Это невероятное совпадение несет ответственность за жизнь во Вселенной». Gizmodo. Получено 14 июля 2019.
  19. ^ Хойл, Ф. (1954). «О ядерных реакциях, происходящих в очень горячих звездах. I. Синтез элементов от углерода до никеля». Приложение к астрофизическому журналу. 1: 121–146, Дои:10.1086/190005
  20. ^ а б Epelbaum, E .; Krebs, H .; Ли, Д .; Meißner, Ulf-G. (2011). "Ab initio расчет состояния Хойла ». Письма с физическими проверками. 106 (19): 192501–1–192501–4. Дои:10.1103 / PhysRevLett.106.192501. PMID  21668146. S2CID  33827991.


Более легкий:
бериллий-7		Бериллий-8 - это
изотоп из бериллий		Тяжелее:
бериллий-9
Продукт распада из:
углерод-9(β+, п )
бор-9(п )
литий-8(β− )		Цепочка распада
бериллия-8		Распада к:
гелий-4(α)