Формирование элементного состава вещества материи

На основе достижений ядерной физики в первой половине прошлого века удалось понять механизм образования химических элементов в природе.

Согласно этой теории существующие в природе химические элементы образовались в результате длительной эволюции от Большого взрыва до наших дней. Эволюция химического состава в природе связана со звездообразованием и эволюцией звезд.

На первом этапе происходило образование атомов нейтрального водорода из возникших во время Большого взрыва электронов и протонов — первых частиц вещественной материи. Второй этап — это образование из рассеянного в космосе водородного газа под действием гравитации все более уплотняющихся сгустков водородного вещества.

Постепенное возрастание давления внутри сжимающегося облака в соответствии с физическими законами приводит к росту температуры. И при температуре порядка 10⁷ К происходит термоядерный водородный синтез.

Еще в 1939 г. физик-теоретик Ганс Бете (1906–2005 гг.) разработал теорию двух циклов ядерных реакций, идущих в недрах звезд: протон-протонный и углеродный цикл.

Первый цикл идет по схеме: р + р → D; D + р = 3Не; 3Не + 3Не → 4Не + 2р, где р — протон; D — ядро изотопа водорода — дейтерия; 3Не — ядро изотопа гелия; 4Не — ядро атома гелия.

Конечным результатом этой последовательности реакций, которая называется протон-протонной цепочкой, или водородным циклом, является превращение четырех ядер атомов водорода в одно ядро атома гелия. То есть в этом случае для протекания реакции требуется только водород.

Другой цикл ядерных реакций — углеродный — требует наличия еще и углерода, служащего катализатором процессов всего дальнейшего ядерного синтеза.

Углерод в звездах образуется следующим образом. После того как в результате слияния четырех ядер водорода и образования одного ядра атома гелия постепенно “выгорает” весь водород, ядро звезды составляет один гелий.

Затем сжатие гелиевого ядра звезды приводит к дальнейшему повышению его температуры. С повышением внутренней температуры в термоядерные реакции включаются все более тяжелые ядра, и в результате реализуется синтез всех химических элементов.

После водородных реакций начинается реакция слияния ядер гелия, которая происходит при температурах свыше 150 млн К.

Изучение реакций синтеза ядер гелия показало, что слияние двух ядер 4Не приводит к появлению неустойчивых ядер изотопа бериллия 8Ве, а слияние трех ядер 4Не ведет к появлению устойчивого ядра изотопа углерода 12С.

На следующем этапе в результате слияния ядер изотопов 12С и 4Не образуется ядро изотопа кислорода 16О, который, присоединяя ядро 4Не, образует ядро изотопа неона 20Nе, и т. д.

Таким образом при ядерных реакциях в звездах за время их жизни нарабатывается определенное количество различных элементов.

Эти элементы в ряде случаев после угасания звезд рассеиваются в пространстве и тем самым изменяют состав межзвездного газа.

Современные астрофизические исследования спектров звезд позволили установить их химический состав.

Оказалось, что полученные временные ряды звезд разных поколений и разного элементного состава согласуются с рассмотренной теорией.

Имеются звезды, состоящие в основном только из водорода и гелия (где реализуется только протон-протонный термоядерный цикл), а также звезды с относительно большим содержанием более тяжелых элементов таблицы Менделеева (в соответствии с углеродным циклом).