Sunday Science: нейтронный захват и порядок во вселенной

Если вы когда-нибудь внимательно разглядывали периодическую таблицу элементов, то скорее всего заметили, что в ней не так уж много "провалов". По мере движения по таблице, вы должны были заметить, что количество протонов, которые определяют элемент начинается с одного, потом 2, 3 и так далее. Подобная упорядоченность не может быть создана одним лишь слиянием в чреве звезд. Вселенная с ее упорядоченными элементами появилась благодаря феномену известному под названием Нейтронный Захват.

Большинство студентов научных областей так или иначе, но слышат речь о том, что мы все сделаны из звезд. Звезды сияют благодаря реакциям слияния в своих ядрах. Гравитация сталкивает атомы водорода настолько плотно, что они больше не могут противостоять и сливаются в гелий. Этот процесс продолжается до тех пор, пока звезда почти полностью не состоит из атомов гелия. Если звезда достаточно массивна, то гелий начнет сливаться в более тяжелые элементы до тех пор, пока звезда не превратится в сверхновую и раскидает куски элементов по вселенной. Каждый атом, помимо водорода, был рожден в звездах. А все мы состоим из звездной пыли.

И это правда. Ну почти. Два атома водорода, каждый с одним протоном, создают гелий, который имеет два протона. Когда звезда переходит в новое состояние, два атома гелия могут слиться и создать бериллий, с четырьмя протонами. Но стоп! Что же с литием, номером три в периодической таблице? И что с номерами 5, 6 и 7, так как два атома бериллия создадут один атом водорода? Разве эти элементы не были бы пропущены? Дело в том что в каждый момент времени звезда состоит из множества элементов, и то какие будут сливаться зависит от ряда факторов. В зависимости от массы, температуры, состава звезды, существует множество способов как более легкие элементы создают более тяжелые. Но простое слияние определенно не создало бы ту вселенную, в которой живем мы. Если бы не другие, менее известные процесс, то у нас было бы значительно меньше элементов.

Одним из самых важных процессов является нейтронный захват. Протоны удерживаются друг с другом благодаря своему заряду. То, что притягивает электроны к протонам, так же и держит протоны раздельно. Протоны вступают в связь только тогда, когда они находятся очень близко друг с другом. Но чтобы поместить их настолько близко необходима огромная масса и температура. Однако не стоит забывать о нейтронах, у которых нет заряда. Они могут проникнуть в ядро полное протонов относительно свободно. Но нейтроны не могут сделать из одного элемента другой – для этого нужен протон. К счастью, нейтроны являются нестабильными частицами. Они могут внезапно распадаться в протоны, выделяя электрон. Электрон покидает ядро, а протон меняет элемент, повышая его на одну ступень в таблице. Внутренности звезд имеют достаточное количество нейтронов, позволяя создавать знакомую нам вселенную.

Один из примеров нейтронного захвата – это количество золота. Золото – это тяжелый элемент с атомным номером 79. Очень непросто получить такой элемент при помощи слияния, как в связи с нечетным количеством протонов, так и общим весом элемента. Но звезды не только сливают протоны, сверхновые способны и разрывать их. В частности, они разрывают железное ядро, которое имеет больше нейтронов, чем протонов. Эти нейтроны пролетают через другие элемент, создавая запас нейтронов в них. Когда эти нейтроны распадаются в протоны, они и создают элементы врое золота, свинца и урана. Если у вас есть изделия из золота, то по крайне мере часть их была сформирована благодаря нейтронному захвату в сверхновой.