S-процесс - S-process

В медленный процесс захвата нейтронов, или же s-процесс, представляет собой серию реакции в ядерная астрофизика которые встречаются в звездах, особенно Звезды AGB. В s-процесс отвечает за создание (нуклеосинтез ) примерно на половину атомные ядра тяжелее железа.

в s-процесс, а семенное ядро подвергается захват нейтронов сформировать изотоп с одним высшим атомная масса. Если новый изотоп стабильный, может произойти серия увеличения массы, но если это неустойчивый, тогда бета-распад произойдет, создав элемент следующего более высокого атомный номер. Процесс медленный (отсюда и название) в том смысле, что для этого есть достаточно времени радиоактивный распад произойти до захвата другого нейтрона. Серия этих реакций производит стабильные изотопы, двигаясь вдоль Долина из стабильные изобары с бета-распадом в таблица нуклидов.

Ряд элементов и изотопов может быть произведен s-процесс из-за вмешательства альфа-распад шаги по цепочке реакции. Относительное содержание образующихся элементов и изотопов зависит от источника нейтронов и того, как их поток изменяется со временем. Каждое отделение sцепочка реакций процесса в конечном итоге завершается циклом, включающим вести, висмут, и полоний.

В s-процесс контрастирует с р-процесс, в котором последовательные захваты нейтронов стремительный: они происходят быстрее, чем может произойти бета-распад. В р-процесс доминирует в средах с более высокими потоками свободные нейтроны; он производит более тяжелые элементы и больше нейтронных изотопов, чем s-процесс. Вместе эти два процесса составляют большую часть относительной обилие химических элементов тяжелее железа.

История

В s-процесс был виден из относительного содержания изотопов тяжелых элементов и из недавно опубликованной таблицы изобилие к Ханс Зюсс и Гарольд Юри в 1956. Среди прочего, эти данные показали пики численности для стронций, барий, и вести, который, согласно квантовая механика и модель ядерной оболочки, являются особенно стабильными ядрами, как и благородные газы химически инертный. Это означало, что некоторые изобильные ядра должны быть созданы медленными захват нейтронов, и это было только вопросом определения того, как другие ядра могут быть объяснены таким процессом. Таблица распределения тяжелых изотопов между s-процесс и р-процесс был опубликован в известном B2Обзорная статья FH в 1957 г.[1] Там также утверждалось, что s-процесс происходит в красный гигант звезды. В особенно показательном случае элемент технеций, чей наибольший период полураспада составляет 4,2 миллиона лет, был обнаружен у звезд s-, M- и N-типов в 1952 году.[2][3] к Пол В. Меррилл.[4][5] Поскольку считалось, что этим звездам миллиарды лет, присутствие технеция во внешних атмосферах было воспринято как свидетельство его недавнего создания там, вероятно, не связанного с ядерным синтезом в глубоких недрах звезды, обеспечивающей ее энергию.

Периодическая таблица, показывающая космогенное происхождение каждого элемента. Элементы тяжелее железа, происходящие из умирающие маломассивные звезды обычно производятся s-процесс, который характеризуется медленной диффузией и захватом нейтронов на длительные периоды в таких звездах

Расчетная модель для создания тяжелых изотопов из зародышей затравок железа в зависимости от времени не была представлена ​​до 1961 года.[6] Эта работа показала, что большие переизбытки бария, наблюдаемые астрономами в некоторых звездах красных гигантов, могут быть созданы из зародышевых ядер железа, если общий поток нейтронов (количество нейтронов на единицу площади) был подходящим. Он также показал, что ни одно одно значение потока нейтронов не может объяснить наблюдаемое s-процесс изобилия, но требуется широкий диапазон. Количество зародышей затравки железа, подвергшихся воздействию данного потока, должно уменьшаться по мере того, как поток становится сильнее. Эта работа также показала, что кривая произведения поперечного сечения захвата нейтрона на содержание не является плавно спадающей кривой, поскольку B2FH набросал, а скорее уступ-пропасть. Серия статей[7][8][9][10][11][12] в 1970-х годах Дональд Д. Клейтон использование экспоненциально уменьшающегося нейтронного потока в зависимости от количества обнаженных железных затравок стало стандартной моделью s-процесс так и остался до деталей AGB-звезда нуклеосинтез стали достаточно развитыми, чтобы стать стандартной моделью для s-процесс формирования элементов на основе моделей звездного строения. Важная серия измерений сечений захвата нейтронов была проведена в Национальной лаборатории Ок-Ридж в 1965 году.[13] и Центром ядерной физики Карлсруэ в 1982 г.[14] и впоследствии они поместили s-процесс на твердой количественной основе, которым он пользуется сегодня.[нужна цитата ]

В s-процесс в звездах

В s-процесс, как полагают, происходит в основном в асимптотическая ветвь гигантов звезды, засеянные ядрами железа, оставленными сверхновой во время предыдущего поколения звезд. В отличие от р-процесс, который, как полагают, происходит в течение секунд во взрывоопасных средах, s-процесс, как полагают, происходит в масштабе времени в тысячи лет, проходя десятилетия между захватами нейтронов. Степень, в которой s-процесс перемещает элементы в таблице изотопов к более высоким массовые числа по существу определяется степенью, в которой рассматриваемая звезда способна производить нейтроны. Количественный выход также пропорционален количеству железа в начальном распределении обилия звезды. Утюг является «исходным материалом» (или затравкой) для этой последовательности нейтронного захвата-бета минус распад при синтезе новых элементов.[нужна цитата ]

Главный источник нейтронов реакции бывают:

13
6C
 		+ 4
2Он
 		→ 16
8О
 		+ 
п
22
10Ne
 		+ 4
2Он
 		→ 25
12Mg
 		+ 
п
В s-процесс, действующий в диапазоне от Ag к Sb.

Различают главное и слабое s-процессный компонент. Основной компонент производит тяжелые элементы сверх Sr и Y, и до Pb в звездах с самой низкой металличностью. Местами рождения главного компонента являются маломассивные звезды ветвления асимптотических гигантов.[15] Основной компонент опирается на 13Источник нейтронов C выше.[16] Слабая составляющая s-процесс, с другой стороны, синтезирует s-процесс изотопов элементов от зародышевых ядер группы железа до 58Fe до Sr и Y, и происходит в конце гелий - и сжигание углерода в массивных звездах. В нем в основном работают 22Источник нейтронов Ne. Эти звезды станут сверхновыми после их гибели и извергнут те s-переработать изотопы в межзвездный газ.

В s-процесс иногда аппроксимируется в области малых масс с использованием так называемого «локального приближения», согласно которому отношение содержаний обратно пропорционально отношению сечений захвата нейтронов для близлежащих изотопов на s-процессный путь. Это приближение, как следует из названия, действительно только локально, то есть для изотопов с близкими массовыми числами, но оно недействительно для магических чисел, где преобладает структура уступ-пропасть.

Диаграмма, представляющая заключительную часть s-процесс. Красные горизонтальные линии с кружком на правом конце представляют захват нейтронов; синие стрелки, указывающие вверх-влево, представляют бета-распад; зеленые стрелки, указывающие вниз-влево, представляют альфа-распад; голубые стрелки, указывающие вниз-вправо, представляют захват электронов.

Из-за относительно низкой нейтронные потоки ожидается во время s-процесс (порядка 105 до 1011 нейтронов на см2 в секунду), этот процесс не имеет возможности производить какие-либо тяжелые радиоактивные изотопы, такие как торий или же уран. Цикл, завершающий s-процесс:

209
Би
 захватывает нейтрон, производя 210
Би
, который распадается на 210
По
 к β− разлагаться. 210
По
 в свою очередь распадается на 206
Pb
 к α распад:

209
83Би
 		+ 
п
  		→ 210
83Би
 		+ 
γ
210
83Би
 		  → 210
84По
 		+ 
е−
  		+ 
ν
е
210
84По
 		  → 206
82Pb
 		+ 4
2Он

206
Pb
 затем захватывает три нейтрона, производя 209
Pb
, который распадается на 209
Би
 по β− распад, перезапуск цикла:

206
82Pb
 		+ 3 
п
  		→ 209
82Pb
209
82Pb
 		  → 209
83Би
 		+  
е−
  		+  
ν
е

Таким образом, чистый результат этого цикла таков: 4 нейтроны превращаются в один альфа-частица, два электроны, два антиэлектронных нейтрино и гамма-излучение:

  4 
п
  		→ 4
2Он
 		+ 2 
е−
  		+ 2 
ν
е  		+ 
γ

Таким образом, процесс завершается образованием висмута, самого тяжелого «стабильного» элемента, и полония, первого не-изначального элемента после висмута. Висмут на самом деле слегка радиоактивен, но его период полураспада настолько велик - в миллиард раз больше нынешнего возраста Вселенной, - что он эффективно стабилен на протяжении жизни любой существующей звезды. Однако полоний-210 распадается с периодом полураспада 138 дней до стабильного свинца-206.

В s-процесс измеряется в звездной пыли

Звездная пыль - один из компонентов космическая пыль. Звездная пыль - это отдельные твердые частицы, которые конденсировались во время потери массы от различных давно умерших звезд. Звездная пыль существовала в межзвездном газе до рождения Солнечной системы и была захвачена метеоритами, когда они собрались из межзвездного вещества, содержащегося в планетарном аккреционном диске в ранней Солнечной системе. Сегодня их находят в метеоритах, где они и сохранились. Метеоритики обычно называют их пресолнечные зерна. В sобогащенные технологическим процессом зерна в основном Карбид кремния (SiC). Происхождение этих зерен подтверждается лабораторными измерениями чрезвычайно необычных соотношений изотопов в зерне. Первое экспериментальное обнаружение s-процесс изотопов ксенона изготовлен в 1978 г.,[17] подтверждая более ранние предсказания, что s-процессные изотопы будут почти чистыми, обогащенными звездной пылью красных гигантских звезд.[18] Эти открытия позволили по-новому взглянуть на астрофизику и происхождение метеоритов в Солнечной системе.[19] Зерна карбида кремния (SiC) конденсируются в атмосферах Звезды AGB и таким образом улавливают изотопные отношения изотопов, как они существовали в этой звезде. Потому что звезды AGB - главный сайт s-процесс в галактике, тяжелые элементы в зернах SiC содержат почти чистые s- перерабатывать изотопы в элементы тяжелее железа. Этот факт неоднократно демонстрировался масс-спектрометрическими исследованиями этой звездной пыли. пресолнечные зерна.[19] Несколько удивительных результатов показали, что в них соотношение s-процесс и р- численность процесса несколько отличается от того, что предполагалось ранее. Это также было показано с захваченными изотопами криптон и ксенон что s- содержание процессов в атмосферах AGB-звезд менялось со временем или от звезды к звезде, предположительно, в зависимости от силы потока нейтронов в этой звезде или, возможно, температуры. Это рубеж s-процесс изучает сегодня[когда? ].

Рекомендации

  1. ^ Burbidge, E.M .; Burbidge, G.R .; Fowler, W.A .; Хойл, Ф. (1957). «Синтез элементов в звездах». Обзоры современной физики. 29 (4): 547–650. Bibcode:1957РвМП ... 29..547Б. Дои:10.1103 / RevModPhys.29.547.
  2. ^ Хаммонд, К. Р. (2004). "Элементы". Справочник по химии и физике (81-е изд.). CRC Press. ISBN  978-0-8493-0485-9.
  3. ^ Мур, К. Э. (1951). «Технеций на Солнце». Наука. 114 (2951): 59–61. Bibcode:1951Научный ... 114 ... 59М. Дои:10.1126 / science.114.2951.59. PMID  17782983.
  4. ^ Меррилл, П. У. (1952). «Технеций в звездах». Наука. 115 (2992): 484.
  5. ^ Георгий Сивулка (8 марта 2017 г.). "Введение в доказательства звездного нуклеосинтеза". Стэндфордский Университет. Получено 3 мая 2018.
  6. ^ Clayton, D. D .; Fowler, W.A .; Hull, T. E .; Циммерман, Б.А. (1961). «Цепи нейтронного захвата в синтезе тяжелых элементов». Анналы физики. 12 (3): 331–408. Bibcode:1961AnPhy..12..331C. Дои:10.1016/0003-4916(61)90067-7.
  7. ^ Clayton, D. D .; Рассбах, М. Э. (1967). "Прекращение действия s-процесс". Астрофизический журнал. 148: 69. Bibcode:1967ApJ ... 148 ... 69C. Дои:10.1086/149128.
  8. ^ Клейтон, Д. Д. (1968). «Распределение мощностей нейтронных источников для s-процесс ». В Arnett, W.D .; Hansen, C.J .; Truran, J.W .; Cameron, A.G.W. (ред.). Нуклеосинтез. Гордон и Брич. С. 225–240.
  9. ^ Peters, J. G .; Fowler, W.A .; Клейтон, Д. Д. (1972). "Слабый s-процесс облучения ». Астрофизический журнал. 173: 637. Bibcode:1972ApJ ... 173..637P. Дои:10.1086/151450.
  10. ^ Clayton, D. D .; Ньюман, М. Дж. (1974). "s-Исследования процессов: точное решение цепи, имеющей два различных значения поперечного сечения ». Астрофизический журнал. 192: 501. Bibcode:1974ApJ ... 192..501C. Дои:10.1086/153082.
  11. ^ Clayton, D. D .; Уорд, Р. А. (1974). "s-процессные исследования: точная оценка экспоненциального распределения воздействий ». Астрофизический журнал. 193: 397. Bibcode:1974ApJ ... 193..397C. Дои:10.1086/153175.
  12. ^ Ward, R.A .; Newman, M. J .; Клейтон, Д. Д. (1976). "s-процессные исследования: ветвление и временная шкала ». Серия дополнений к астрофизическому журналу. 31: 33. Bibcode:1976ApJS ... 31 ... 33 Вт. Дои:10.1086/190373.
  13. ^ Macklin, R.L .; Гиббонс, Дж. Х. (1965). «Данные захвата нейтронов при звездных температурах». Обзоры современной физики. 37 (1): 166–176. Bibcode:1965РвМП ... 37..166М. Дои:10.1103 / RevModPhys.37.166.
  14. ^ Kaeppeler, F .; Пиво, H .; Wisshak, K .; Clayton, D. D .; Macklin, R.L .; Уорд, Р. А. (1982). "s-исследования процессов в свете новых экспериментальных сечений ». Астрофизический журнал. 257: 821–846. Bibcode:1982ApJ ... 257..821K. Дои:10.1086/160033.
  15. ^ Бутройд, А. И. (2006). «Тяжелая стихия в звездах». Наука. 314 (5806): 1690–1691. Дои:10.1126 / science.1136842. PMID  17170281.
  16. ^ Буссо, М .; Галлино, Р .; Вассербург, Г. Дж. (1999). "Нуклеосинтез в асимптотических звездах-гигантах: актуальность для обогащения галактики и формирования Солнечной системы" (PDF). Ежегодный обзор астрономии и астрофизики. 37 (1): 239–309. Bibcode:1999ARA & A..37..239B. Дои:10.1146 / annurev.astro.37.1.239.
  17. ^ Srinivasan, B .; Андерс, Э. (1978). "Благородные газы в метеорите Мерчисон: возможные реликвии s-процесс "Нуклеосинтез". Наука. 201 (4350): 51–56. Bibcode:1978Sci ... 201 ... 51S. Дои:10.1126 / science.201.4350.51. PMID  17777755.
  18. ^ Clayton, D. D .; Уорд, Р. А. (1978). "s-Исследование процессов: содержание изотопов ксенона и криптона ». Астрофизический журнал. 224: 1000. Bibcode:1978ApJ ... 224,1000C. Дои:10.1086/156449.
  19. ^ а б Clayton, D. D .; Ниттлер, Л. Р. (2004). «Астрофизика с досолярной звездной пылью» (PDF). Ежегодный обзор астрономии и астрофизики. 42 (1): 39–78. Bibcode:2004ARA & A..42 ... 39C. Дои:10.1146 / annurev.astro.42.053102.134022.