Учебные материалы по ядерной физике, курс физика атомного ядра и частиц

Распространенность элементов

    Распространенностью элементов называется число ядер данного элемента в веществе, приходящееся на определенное число ядер эталонного элемента. В качестве эталонного элемента обычно выбирают водород или кремний. Экспериментальные данные о распространенности различных элементов получают путем анализа элементного состава Земли, Луны и других планет, метеоритов, на основе спектрального анализа Солнца и других звезд межзвездной среды, а также из содержания различных ядер в составе космических лучей. Имеются сложности как в реализации различных методов определения распространенности химических элементов, так и в интерпретации результатов наблюдений. Все это приводит к погрешностям в определении распространенности элементов.

Рис. 1. Распространенность нуклидов относительно Si в зависимости от массового числа (выбраны такие единицы, в которых распространенность Si равна 106)

    Распространенность элементов как функция массового числа, построенная на основе анализа информации о распространенности элементов на Земле, в метеоритах, на Солнце и в звездах, схематически показана на рис. 1. Указаны процессы, ответственные за формирование различных участков кривой распространенности.
    Среди наиболее существенных особенностей распространенно-сти элементов можно выделить следующие:

1. Вещество во Вселенной в основном состоит из водорода - 90% всех атомов.
2. По распространенности гелий занимает второе место, составляя ~ 10% от числа атомов водорода.
3. Существует глубокий минимум, соответствующий литию, бериллию и бору.
4. Сразу за этим глубоким минимумом следует максимум, обусловленный повышенной распространенностью углерода и кислорода.
5. Вслед за кислородным максимумом идет скачкообразное падение вплоть до скандия (Z=21, A=45).
6. Наблюдается резкое повышение распространенности элементов в районе железа (“железный пик”).
7. После A ~ 60 уменьшение распространенности происходит более плавно.
8. Наблюдается заметное различие между элементами с четным и нечетным Z. Как правило, элементы с четным Z являются более распространенными.
9. Ряд ядер, так называемые обойденные ядра - ⁷⁴Se, ⁷⁸Kr, ⁹²Mo, ⁹⁶Ru и др., имеют распространенность на два порядка меньшую, чем соседние ядра. Эти особенности распространенности элементов и должны быть объяснены в теории образования элементов.

    Для объяснения образования химических элементов в 1948 году Г. Гамовым была выдвинута теория Большого взрыва. Согласно модели Гамова синтез всех элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием -квантов и последующим -распадом тяжелых ядер. Однако детальные расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование элементов тяжелее Li. На начальном этапе эволюции Вселенной, примерно через 100 с после Взрыва, при температуре ~ 10⁹ K в термоядерных реакциях образовались лишь самые легкие атомные ядра - изотопы водорода и гелия.

n + p d + ,	d + n t + ,	t + p 4He + ,
	d + d t + p,
	d + p 3He + ,	3He + n  4He + .
	d + d 3He + n,

Согласно современным представлениям образование более тяжелых ядер на этом этапе оказывается невозможным. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции.

6 декабря 1939 – письменный доклад Гейзенберга отделу вооружения армии «О возможности технического получения энергии при расщеплении урана». Огромное энергетическое преимущество ускорителей на встречных пучках сделало их совершенно необходимым атрибутом ведущих современных центров исследования физики элементарных частиц. Есть две основные схемы реализации коллайдеров Второе начало термодинамики Основы молекулярной физики и термодинамики
Ядерная физика. Физика атомного ядра и частиц Физика для студентов технических университетов