Происхождение стабильных элементов

Введение

По современным представлениям физиков наша Вселенная возникла в результате Большого Взрыва. Общепринято считать, что внезапно из ничего возник огненный шар с температурой 10 32 K. В течение 10—43 – 10—35 секунды после Взрыва наступила планковская эпоха, при которой не действовал ни один из известных физических законов. Когда возраст Вселенной достиг 10—35 секунд, в ней произошел экспоненциальный (инфляционный) взрыв, в результате которого её первоначальный размер увеличился 1050 раз. В этот период во Вселенной доминировали колоссальные значения температуры и плотности энергии излучения. После окончания этого периода в течение 10—35—10—4 секунды, в результате значительного снижения температуры начался период образования кварков и антикварков (кварко-глюонной плазмы). По истечение времени с 10—4 по 100 секунды, температура во Вселенной упала до значений, позволяющей кваркам и антикваркам объединятся в протоны и антипртоны. Дальнейшее снижение температуры и плотности излучения энергии, произошедшее в течение 3-х минут сделало возможным действие фундаментальных физических сил и образование элементарных частиц (электронов и позитронов) в современной форме, а затем ядер водорода, гелия, лития и других легких атомов химических элементов. Через 3 105 лет, когда Вселенная, последовательно расширяясь, охладилась до температуры 30000 К, электроны начали соединяться с протонами и ядрами гелия, и образовывать атомы водорода и гелия. В результате материя во Вселенной стала прозрачной для прохождения световых волн, а через миллионы последующих лет космическая материя локализовалась (скучилась) и уплотнилась до такого состояния, что появились звезды и галактики. Таков общепризнанный в настоящее время сценарий рождения и развития Вселенной, хотя его окончательный вариант не разработан ещё до сих пор. В нем осталось ещё много вопросов, на которые ведущие физики теоретики пытаются ответить, используя современные технологии при наблюдении за астрофизическими объектами.

Одним из самых дискуссионных вопросов в этом сценарии является образование ядер химических элементов всей периодической системы Менделеева, за исключением ядер водорода и гелия, которые в основном образовались в первые минуты жизни Вселенной. Согласно доктрине современной физической науки общепринято считать, что источником образлвания ядер большинства химических элементов является последовательность протекания термоядерных реакций, Первым элементом нуклеосинтеза в ядерных топках звезд является гелий. Его ядра образуются в центральной части звезды при достижении температуры 107 С. Происходит это в результате слияния четырех протонов с выделением 12,85 Мэ

Затем, при достижении температуры 108 С ядра гелия набирают скорость, позволяющую им сблизиться на расстояние достаточное для слияния их в ядра более тяжелых химических элементов (углерод, кислород, неон и др.). Так называемые четные элементы, у которых заряд ядра сразу повышается на две единицы. Нечетные элементы образуются другим способом. В начале ядро захватывает нейтрон, в результате его масса увеличивается на единицу, а заряд остается прежним. При этом, если образовавшееся ядро окажется не стабильным, то произойдет бета-распад, нейтрон превратится в протон. Заряд у такого ядра вырастет на единицу и оно превратится в ядро следующего более тяжелого элемента.

Ядра тяжелее железа в термоядерных реакциях не образуются. Механизм их образования другой. Ученые предполагают, что они образуются в двух видах ядерных реакциях, сопровождающихся захватом одного или нескольких нейтронов. В первом случае ядерная реакция осуществляется медленно движущимися нейтронами. Такой процесс называется s-процессом (медленный процесс). Таким способом синтезируются тяжелые элементы после железа вплоть до золота. Во втором случае ядерные реакции происходят в результате быстрого захвата нейтронов, так называемого – r-процесса. Его суть заключается в захвате ядром не одного, а нескольких нейтронов сразу. Тогда при бета-распаде синтезируются ядра тяжелых и самых тяжелых элементов от золота вплоть до тория и урана. Но, где такие процессы могут идти, у физиков теоретиков на этот счет нет единого мнения. Для поддержания этого процесса в недрах звезды необходимо наличие большого количества свободных нейтронов. Оно может проявиться при вспышке сверхновой звезды в конце эволюции массивной звезды, когда электроны сливаются с протонами и в результате образуется большое количество свободных нейтронов. Кроме того, также много свободных нейтронов получается при слиянии двух нейтронных звезд.

Обзор различных способов образования ядер химических элементов свидетельствует о том, что все они в основном сводятся к слиянию α -частиц и захвату нейтронов ядрами, их «вдавливания» в ядра, с последующим β—распадом ядер переполненных нейтронами. В результате β—распада

нейтроны распадаются на протоны и электроны, которые затем вылетают из ядер. В итоге у ядер увеличивается заряд и они превращаются в ядра более тяжелых элементов. При этом какое местоположение займет новая частица в ядре не учитывается. В тоже время следует отметить, что атомное ядро представляет собой сложную многочастичную систему с сильным взаимодействием и большим набором свойств. И от того к какой части ядра присоединится новая частица, будет зависеть в основном или в возбужденном состоянии будет находиться новое ядро. Такой подход к изучению происхождения ядер химических элементов, находящихся в стабильном (основном) состоянии не дает полной картины механизма их рождения. Много неясностей также оставляют существующие способы описания внутреннего устройства ядра, ибо до сих пор не существует последовательной теории способной воспроизвести в полном объеме поведение нуклонов внутри ядра, из-за отсутствия знаний о свойствах ядерных сил. В данной статье сделана попытка дать новое физическое осмысление приведенных выше вопросов и получить на них определенные ответы с помощью смоделированной системы взаимодействия материи и пространства, базирующейся на следующих принципах

Методика моделирования

где W – материя, P – пространство

Т – время форма взаимодействия материи и пространства.

Е – энергия форма взаимосвязи материи и пространств

Формулировка основных постулатов

1. Реалии (R) окружающего мира являются результатом взаимодействия материи и пространства Последней неделимой частицей материи является положительно заряженный гравитон, а пространства отрицательный простон.

2. Формой их взаимосвязи является энергия, которая здесь выступает в двух ипостасях: энергии материи (Em) и энергии пространства ( – Ep.), которые взаимно переходят друг в друга.

3. Пространство в смоделированной системе представлено совокупностями простонов, собранных в «силовые нити», которые, в свою очередь, образуют своеобразную «сеть», равномерно напряженную во всех направлениях за счет сил отталкивания одноименных зарядов.

4 Материя в смоделированной системе представляет собой совокупность гравитонов, размещенных определенным образом между силовыми нитями пространства.

Гравитон (g) это сгусток энергии материи, а простон это (q) сгусток энергии пространства. Сгустки образовались в начальной стадии образования Вселенной. Частицы одинаковы по модулю и обратны по знаку

Все материальные тела (от частиц до галактик) движутся в силовых нитях пространства и деформируют их. Протон сжимает, а электрон расширяет силовые нити пространства, в этом их фундаментальное сходство и различие. Несмотря на то, что протон тяжелее электрона в 1840 раз, у частиц одинаковые по величине, но разные по знаку заряды.

В современном мире все физические, химические, биологические, ядерные процессы, явления, взаимодействия происходят при непосредственном участии энергии материи и энергии пространства. Они взаимно переходят друг в друга и служат основой для формирования всего многообразия различных видов материальной энергии и способов их перехода одного вида в другой.

Результаты исследований

Согласно базовым принципам смоделированной системы все частицы, из которых состоят атома и молекулы представляют собой совокупности гравитонов, определенным образом расположенных в силовых нитях пространства. Двигаясь, гравитоны сжимают силовые нити в направлении движения. При этом выделяется энергия материи, законсервированная в силовых нитях в результате Большого взрыва. Эта энергия и разгоняет молекулы звездного газа, увеличивает степень сжатия силовых нитей пространства и повышает температуру внутри звезды.

В инфляционный период развития Вселенной в ней сформировалась Мировая сеть из силовых нитей пространства. Тогда же температура и связанная с нею степень сжатия силовых нитей достигли своего максимума. Затем Вселенная начала остывать, а степень сжатия уменьшаться. Когда Вселенная, охладилась до температуры 30000 К, она стала прозрачной для прохождения световых волн, Степень сжатия при этом снизилась до 10—18м и больше не увеличивалась и остается постоянной в пределах от 00 до 30000 К.

Степень сжатия силовых нитей пространства (R) это расстояние между двумя соседними силовыми нитями. С ростом температуры (Т) вещества оно уменьшается, а при охлаждении, наоборот возрастает.

где ks – коэффициент связи между степенью сжатия и температурой, и он равен 0,3310—21

С ростом гравитационного сжатия в недрах звезд увеличивается температура звездного вещества и степень деформации (сжатия) силовых нитей внутри звездного пространства. При повышении в центральной части звезды температуры около 107 K степень сжатия силовых нитей составит 0,33 10—25 м (таблица1). Это несколько превышает степени сжатия их во внутриатомном пространстве атома водорода, в результате электрон преодолевает притяжение ядра и вылетает из атома. Образуется « бульон « из высоко энергичных и высоко скоростных протонов и электронов. Дальнейшее повышение температуры до 107 K и связанного с ней увеличения степеии сжатия силовых нитей до 0,22 10—25 м приводит к следующим процессам. Протоны поглощают электроны и превращаются в нейтроны. Затем протоны объединяются с нейтронами и образуют дейтроны. Как только степень сжатия достигнет величины равной таковой в ядре гелия, два дейтрона сливаются и образуют ядро гелия. Законсервированная в связях протон – нейтрон энергия пространства переходит в энергию материи и выделяется в виде ядерной энергии. Ядро гелия представляет собой первую энергетическую оболочку (q), входящую в состав ядер всех химических элементов (Рис.1a). Каждый нуклон в ядре находится в квантовом состоянии, обладает определённым количеством энергии и моментом вращения. Согласно принципа Паули, в одном состоянии могут находиться не более одного протона и одного нейтрона. Оболочка состоит из двух энергетических уровней: уровень протонов и уровень нейтронов. Она полностью заполнена нуклонами. Изотоп атома гелия с ядром 4He стабилен и имеет повышенную устойчивость. Вокруг ядра обращаются два электрона с антипаралельными спинами. Оба электрона находятся на самой низшей по энергии орбитали 1s2, граничная поверхность которой является симметрично-сферической. Внутри этой поверхности силы сжатия уравновешиваются силами расширения. Здесь электронная плотность достигает своего максимального значения. Степень деформации (сжатие) силовых нитей пространства до граничной поверхности высока и однородна, а за ней, то есть вокруг эффективного радиуса атома) очень незначительна, что делает химическую связь гелия с другими элементами трудно доступной.

По мере выгорания водорода в центре звезды усиливается гравитационное сжатие и при достижении степени сжатия силовых нитей до 0,16 10—25 м два ядра гелия начинают сближение и сливаются в определенном положении, образуя ядро изотопа бериллия 8Be. У изотопа атома бериллия две энергетические оболочки q и f. (Рис.1.b). В каждой оболочке находится по два протона и по два нейтрона, которые взаимодействуют с электронами, находящимися на орбиталях с различными энергетическими показателями. Электроны, управляемые протонами второй оболочки, находятся на орбитали 1s2 2s2 и обладают большей энергией, чем два других электрона. Они имеют высокую валентную способность, поэтому бериллий химически активный элемент. Из всех изотопов 8Be один стабилен. Его распространенность составляет 100%.

Когда в центре звезды температура достигнет 108 К, а степень сжатия силовых нитей составит 10—26 м, начинается сближение ядер бериллия

ядрами гелия. Сливаются ядра гелия в определенной последовательности и в результате три ядра гелия превращаются в одно ядро углерода 12C. Ядро этого изотопа углерода, как и ядро изотопа бериллия имеет две ядерные оболочки, но у него в этой оболочке находятся не два, а четыре протона (Рис.1.c). Изотоп стабилен и имеет большое распространение. Внешние электроны атома углерода занимают электронную орбиталь 2p, но пространственная ориентация внешнего электронного слоя при возбуждении атома делает возможным промотирование одного из спаренных электронов с орбитали 2s на орбиталь 2 p. В результате углерод образует обширные химические связи.

Ядра атома кислорода начинают формироваться в ядерной топке звезд, когда температура превысит 108 К, а степень сжатия силовых нитей составит 0,31 10—27 м. Образовываться они будут путем присоединения ядер гелия к ядрам углерода. Присоединение будет происходить направленно с образованием определенной формы ядра, при которой каждый протон будет взаимодействовать только с соседними нуклидами и с электронами определенной орбитали. Итогом этого процесса будет синтез изотопа кислорода 16O. Он стабилен и широко представлен в природе. после водорода и гелия. У него две ядерных оболочки. Во второй оболочке изотопа функционируют шесть протонов. (Рис.1. d). Четыре из них деформируют (сжимают) силовые нити пространства внешнего электронного слоя и создают пространственную направленность действия валентной орбитали 2p. Все это в совокупности делает кислород одним из самых агрессивных химических элементов. По химической активности кислород уступает только фтору.

Рис. 1. Схема образования ядер бериллия, углерода и кислорода путем слияния ядер гелия, b – ядро бериллия, с – ядро углерода, d – ядро кислорода

Истощение запасов атомов гелия и углеродв внутри звезды вызывает её гравитационное сжатие, что приводит к дальнейшему росту температуры и степени сжатия силовых нитей в её центре. При достижении степени сжатия 0.24 10—27 м начинается слияние ядер кислорода и ядер гелия. Ядра гелия присоединяются к ядрам кислорода таким образом, что в результате синтезируются ядра изотопа неона со своеобразной, только им присущей конфигурацией. У ядра атома неона 20Ne имеется две ядерных оболочки, но в отличие от ядер атомов других элементов, его вторая атомная оболочка полностью заполнена нуклидами (Рис.2.e), поэтому ядро неона обладает повышенной устойчивостью. У атома неона на внешней электронной валентной орбитали 2p нет свободных электронов, они все спаренные, поэтому атом неона химически инертен.

С выгоранием углеродно – кислородного ядра в центре звезды продолжается рост температуры и степени сжатия силовых нитей и при достижении ею величины 0,24 10—27м начинается горение ядер неона. Оно сопровождается отрывом от ядер неона α -частиц (ядер гелия) и последующим присоединением их к другим ядрам неона. В результате присоединения одной α -частицы образуется ядро магния, двух ядро кремния. Присоединение происходит также, как и в предыдущих синтезах новых элементов, направлено с образованием определенной конфигурацией ядра. Изотоп ядра кремния 28Si имеет три энергетические оболочки (Рис.2.k) В третьей (y) оболочке находятся 4протона и 4 нейтрона. Протоны взаимодействуют с двумя электронами внешней валентной орбитали 3p, а также у него два спаренных электрона на орбитали3s промотируют на вакантную орбиталь 3d, потому кремний четырехвалентен. Это дает возможность атому кремния проявлять себя как химически активный элемент. Кремний является одним из широко распространен ным элементом в природе.

Кремний является последним элементом способным к термоядерным экзотермическим реакциям. Термосинтез с его участием начинается при температуре 109 K и степени сжатия силовых нитей 0,21 10—27 м. Из за высокой температуры часть ядер кремния подвергается фотодиссоциации с выделением α -частиц. Затем свободные α -частицы последовательно присоединяются к оставшимся ядрам кремния. Присоединение α -частиц к ядру кремния происходит направлено с образованием определенной конфигурацией ядер промежуточных элементов и так вплоть до ядер железа. Изотоп ядра железа 56Fe имеет 4 ядерные оболочки (Рис.2.u). В четвертой (j) оболочке находятся 8 протонов и 8 нейтронов. Протоны взаимодействуют с электронами внешней валентной орбитали 4s2,, на которой находятся 3 валентных электрона, поэтому железо трехвалентное, но за счет промотирования количество валентных электронов может увеличится до 8.Железо средней активности металл. На кривой распространенности химических элементов оно входит в пятерку лидеров: водород, гелий, кислород, неон, железо, Но, первые четыре элемента газы, а железо металл, следовательно оно является самым распространенным металлом в Солнечной системе.

Рис. 2. Схема образования ядер неона, кремния и железа.

e – неон, k – кремний, u – железо

Ядра гелия и свободные нейтроны в больших количествах всегда присутствуют в ядерных топках звезд. Эти частицы являются основными компонентами образования новых химических элементов в недрах звезд. Если из α -частиц (ядер гелия) образуются четные элементы периодической системы, то для формирования новых нечетных элементов необходимо участие дейтронов. Так, образование ядра стабильного нечетного атома лития 7