Nukleosynteza Mirosław Kwiatek Skrót ewolucji materii we Wszechświecie: Dominacja promieniowania: Wg. Gamowa (1948) Wszechświat powstał jako 10-wymiarowy i po 10-43 sekundy rozpadł się na 4- i 6-wymiarowy. Nasz 4-wymiarowy zaczął się gwałtownie rozszerzad (a 6-wymiarowy zapadł się, do 10-32 cm) Od czasu 10-44 sekundy do czasu 10-4 sekundy (od temperatury 10 32 10 14 K do temperatury 10 12 K czyli do biliona kelwinów) z fotonów energii (wysokoenergetycznych) powstawały (z kwarków /i gluonów/) nukleony czyli: protony (jądra protu czyli najlżejszego izotopu wodoru) i neutrony (w wyniku niewielkiej asymetrii była ich nadwyżka nad antynukleonami dzięki czemu ta nadwyżka nie uległa anihilacji ). Powstawały też z fotonów elektrony ale do czasu dłuższego - 10 sekund życia Wszechświata gdy temperatura jego obniżyła się do 4 mld K. (Były też neutrina już we wczesnym Wszechświecie). Od ok. 100 sekund życia Wszechświata (gdy miał on temperaturę ok. 100 mln K), przez ok. kilka kilkanaście minut powstawały z obu nukleonów (nukleosynteza pierwotna) jądra deuteru średniociężkiego izotopu wodoru a potem, m.in. z tych jąder deuteru jądra innych najlżejszych pierwiastków: berylu (najkrócej), litu i helu. Najwięcej powstało jąder wodoru bo są one przecież (w podstawowym izotopie - procie) protonami więc powstały już do 10tej sekundy istnienia Wszechświata (Jądra cięższe od berylu nie zdążyły /praktycznie/ powstad bo Wszechświat za szybko się rozszerzał - spadek gęstości materii oznaczał coraz mniejsze prawdopodobieostwo zajścia reakcji jądrowych. /Wyższe nuklidy powstały dopiero po ponownym zagęszczeniu się materii w postaci gwiazd; A najwyższe w równie krótkim czasie rzędu minut/). Po 10 tysiącach lat skooczyła się dominacja promieniowania (Temperatura Wszechświata: 8 tys. K). (Spadająca) gęstośd masy 10-20 kg/m 3 powstającej z energii zrównoważyła (spadającą) gęstośd promieniowania Dominacja materii: Od 1 mln lat istnienia Wszechświata gdy prawie ostygł do temperatury tysiąca K jądra przechwytują elektrony (era rekombinacji) i powstają atomy H (ok. 75%), He (ok. 25%), Li, Be. Po 1 mld lat (temperatura Wszechświata ok. 10 K) powstają pierwsze gwiazdy. Dziś T=3K Podczas nukleosyntezy pierwotnej, najprostsze jądro złożone (z protonu i neutronu, czyli jądro deuteru) mogło powstad dopiero wtedy, gdy średnia energia promieniowania tła we Wszechświecie spadła poniżej dośd małej wartości energii wiązania tego jądra (ok. 2,2 MeV w porównaniu do 200 MeV dla uranu 235 ), gdyż inaczej proces rozpadu jądra pod wpływem promieniowania przeważałby nad procesem jego kreacji.
W Naturze (Przyrodzie) istnieje tendencja do zmniejszania swojej energii przez układy (złożone). Stąd są takie przemiany jąder jak: > Synteza lekkich w jądro ciężkie ale lżejsze od żelaza (Fuzja) - w Słoocu (i gwiazdach /podobnych Słoocu/) - w bombie termojądrowej (wodorowej) - sztuczna promieniotwórczośd (T 1/2 >0), - sztuczna przemiana jądrowa (w przybliżeniu T 1/2 =0) = bo uwalnia się energia wiązania (W Supernowych następuje synteza cięższych od żelaza ale powoduje to uwalnianie energii wiązania /coraz to/ mniejszej od energii wiązao jąder początkowych; Energii trzeba dostarczad /z kolapsu grawitacyjnego/)
> Rozszczepienie ciężkich w lżejsze jądro ale cięższe od żelaza - w reaktorze elektrowni nuklearnej - w bombie atomowej - samorzutne - rozpad alfa = bo też uwalnia się energia wiązania (W Supernowych przechodzących do neutronowych jest rozszczepienie Fe do lżejszych od żelaza jąder He (i dalej do neutronów ) ale jest to dezintegracja powodująca uwalnianie się (znów) mniejszych energii wiązao /od energii wiązania jądra wyjściowego/. Energii trzeba dostarczad z fali uderzeniowej grawitacyjnego zapadania się). Im jądro ma więcej nukleonów tym jego całkowita energia wiązania jest większa ale na jeden nukleon energia wiązania wzrasta tylko do jądra o granicznie dużej wielkości (żelazo) >Przemiana beta (minus i plus oraz wychwyt K) a potem maleje. (Dalsza rodzina słabsze więzy :) = bo emitowane są cząstki unoszące energie (elektrony, pozytony, neutrina i antyneutrina) (Przemiana beta minus zwiększa Z, przemiana beta plus i wychwyt K zmniejszają Z; Obie dla jąder lżejszych i cięższych od żelaza) Gwiazdy syntetyzujące do żelaza muszą dysponowad coraz większymi energiami aktywacji (z energii potencjalnej grawitacji podczas kolapsu) aby pokonad na początku syntezy każdego jądra do danego, cięższego pierwiastka coraz większe odpychanie jądra aktualnego (coraz większą barierę kulombowską)
Podczas rozszczepienia jądro bardzo ciężkie np. uranu A=235 tylko się przepoławia czyli rozrywa się ( tylko ) na 2 fragmenty (będące więc jądrami jakichś pierwiastków lżejszych: A1 ~A/2, A2=A-A1). Te (oba) fragmenty mają swoje nukleony (już) związane (Nie trzeba już zużywad energii na ich wiązanie co byłoby ewentualnie konieczne gdyby było więcej fragmentów. Więcej fragmentów powstaje podczas fotodezintegracji (3/4 jąder!) żelaza w Supernowej: gamma + 56 Fe = 13 4 He + 4n; Dalej, w wyższych temperaturach, następuje fotodezintegracja helu: gamma + 4 He = 2n + 2p (czyli 2 1 H). /A dalej następuje dalszy wzrost neutronów w odwróconym rozpadzie beta: proton + elektron = neutron + neutrino elektronowe/). Mamy zysk energii będący różnicą bo jednostkowa energia wiązania jądra, które było cięższym uranem okazuje się mied mniejszą wartośd niż jednostkowa energia wiązania każdego z obu jąder składowych (Ciężka, podwieszona kropla wody jest mniej trwała niż mniejsza, lżejsza więc może pozbyd się nadmiaru energii potencjalnej w skali bezwzględnej (odłączyd częśd wody) chod energii na jednostkę swojej (zmniejszonej) objętości jej przybędzie): 8,3 (dla A/2) 7,5 (dla A) = 0,8 jednostek na jednym jądrze; Zysk energii jest z kolei tylko różnicą (względny) bo nie całą energię wiązania uranu odzyskujemy (przynajmniej od razu, do żelaza) gdyż to by oznaczało, że dokonała by się dezintegracjia do (najlżejszego) wodoru a odzysk całej energii wiązania nie oznaczałby zysku energii bo charakteryzowałby się dostarczaniem energii z powodu malenia energii wiązania dla jąder lżejszych od żelaza (Max zysku można by uzyskad w hipotetycznym /fantastycznym/ rozpadzie uranu na 4 jądra żelazozbliżone A/4~58:).
Analogii z kroplami wody nie można zastosowad do reakcji fuzji. (będą to krople jeszcze cięższej rtęci?). (Tzw. model kroplowy Bohra stwierdza, ze międzynukleonowe przyciąganie jądrowe tworzy równocześnie napięcie powierzchniowe pozwalające zachowad kulisty kształt jądru). Przyciągające protony (nukleony) do siebie oddziaływania jądrowe silne coraz mniej się zwiększają dla jąder cięższych od żelaza