Формирование химических элементов тяжелее железа определяется
ядерными процессами, протекающими в экстремальных астрофизических
условиях. Центральное место среди них занимают процессы захвата
нейтронов, приводящие к синтезу широкого спектра нуклидов, наблюдаемых в
составе звезд, метеоритов и межзвездной среды. В космохимии выделяют три
фундаментальных механизма: s-процесс (медленный захват
нейтронов), r-процесс (быстрый захват
нейтронов) и p-процесс (образование протон-избыточных
ядер).
Нейтроны, не обладая электрическим зарядом, способны проникать в
атомные ядра без кулоновского барьера. Вероятность захвата
определяется:
- сечением реакции (зависит от энергии нейтронов и структуры
ядра),
- плотностью нейтронов,
- температурой и временем существования нейтронного потока.
После захвата нейтрона ядро переходит в возбужденное состояние и, как
правило, стабилизируется путем γ-излучения. Если образовавшийся изотоп
радиоактивен, возможен β⁻-распад, приводящий к увеличению атомного
номера на единицу. Конкуренция между захватом нейтрона и β-распадом
лежит в основе различий между s- и r-процессами.
s-процесс (slow neutron
capture)
s-процесс протекает при относительно низкой
плотности нейтронов (≈10⁶–10¹¹ см⁻³) и умеренных температурах (≈1–3·10⁸
К).
Основные характеристики
- Время между последовательными захватами нейтронов значительно больше
периода β-распада нестабильных ядер.
- Ядерная цепочка движется вдоль долины β-стабильности.
- Образуются в основном стабильные и долгоживущие изотопы.
Астрофизические условия
s-процесс реализуется преимущественно:
- в асимптотических гигантских ветвях (AGB-звезды),
- в оболочках красных гигантов.
Основные источники нейтронов:
- реакция ¹³C(α,n)¹⁶O — доминирует при низких
температурах,
- реакция ²²Ne(α,n)²⁵Mg — активна при более высоких
температурах.
Космохимическое значение
- Формирует элементы от Sr, Y, Zr до Pb и Bi.
- Объясняет изотопные аномалии в метеоритных включениях
(SiC-зерна).
- Обуславливает характерные «s-пики» в распределении солнечных
изотопов, соответствующие магическим числам нейтронов (N = 50, 82,
126).
r-процесс (rapid neutron
capture)
r-процесс протекает при экстремально высокой
плотности нейтронов (>10²⁰ см⁻³) и высоких температурах (≈10⁹ К).
Ключевые особенности
- Захват нейтронов происходит быстрее, чем β-распад.
- Ядра смещаются далеко в область нейтронно-избыточных, сильно
нестабильных изотопов.
- После прекращения нейтронного потока следует каскад β-распадов,
формирующий стабильные тяжелые элементы.
Астрофизические источники
Современные данные указывают на несколько возможных сред:
- слияния нейтронных звезд,
- коллапсирующие ядра массивных звезд (часть сверхновых типа II),
- магнито-ротационные сверхновые.
Наблюдения гравитационных волн и электромагнитных килоновых
подтверждают интенсивный r-нуклеосинтез в системах двойных нейтронных
звезд.
Продукты r-процесса
- Основной источник элементов тяжелее бария.
- Формирует уран, торий, платину, золото.
- Объясняет наличие короткоживущих радионуклидов в ранней Солнечной
системе.
Изотопные распределения r-процесса демонстрируют пики, смещенные
относительно s-пиков, что отражает различие в ядерных путях синтеза.
p-процесс (proton-rich
nuclei production)
p-процесс отвечает за образование редких,
протон-избыточных стабильных изотопов, которые не могут быть
синтезированы ни s-, ни r-процессами.
Механизм
Вопреки названию, p-процесс редко включает прямой захват протонов.
Основные реакции:
- фотоядерные реакции типа (γ,n),
(γ,p) и (γ,α),
- переработка ранее синтезированных s- и r-ядер.
Высокоэнергетическое γ-излучение выбивает нейтроны или альфа-частицы,
сдвигая ядра в сторону протонного избытка.
Условия реализации
- температуры порядка 2–3·10⁹ К,
- кратковременные, но интенсивные вспышки излучения.
Такие условия достигаются:
- в оболочках массивных звезд во время взрыва сверхновой,
- в кислородно-неоновых слоях перед коллапсом ядра.
Космохимическая роль
- Формирование ~35 редких p-нуклидов (¹⁹⁶Hg, ⁹²Mo, ¹³⁸La и др.),
- объяснение изотопного состава молибдена и рутения в метеоритах,
- важный индикатор термодинамических условий взрывного
нуклеосинтеза.
Взаимосвязь
процессов и изотопная картина Вселенной
s-, r- и p-процессы не существуют изолированно. Их продукты
переплетаются, формируя наблюдаемое распределение изотопов:
- одни и те же элементы могут иметь изотопы различного
происхождения,
- химический состав планетного вещества отражает суммарный вклад
нескольких поколений звезд,
- изотопные аномалии служат маркерами конкретных астрофизических
событий.
Космохимия, опираясь на данные ядерной физики, астрофизики и анализа
внеземного вещества, рассматривает захват нейтронов как ключевой
механизм химической эволюции материи от звездных недр до планетных
систем.