О происхождении тяжёлых элементов
В аспекте рождественнско-новогодних праздников, когда обычно дарят друг другу подарки, возможно даже ювелирные, стало актуально осветить новую статью о возникновении серебра и других благородных металлов.
Из курса (астро-)физики известно, что звёзды массой больше Солнца и звёзды-гиганты проживают несколько этапов "горения", последним из которых является "горение" кремния, которые, через реакции с возникновением никеля и кобальта оканчивается возникновением самого стабильного элемента - железа.
В таком случае, откуда взялись все элементы Периодической таблицы тяжелее железа?
Тяжелые элементы, например как золото, платина, редкоземельные металлы могли возникнуть только в чрезвычайно высокоэнергетических и нейтронно-богатых средах - например, при столкновении двух нейтроных звёзд или суперновых. Происходит посредством так называемого r-процесса.
Казалось бы, мы открыли всё, но нет.
Недавно астрономы впервые обнаружили доказательства того, что в космосе также есть сверхтяжелые атомы, которые совершенно неизвестны на Земле. Это связано с тем, что эти короткоживущие, сверхтяжелые изотопы содержат более 260-ти "компонентов" ядра – больше, чем любой природный изотоп или изотоп, который может быть искусственно получен в лаборатории. Ян Рёдерер (Ian Roederer) из Мичиганского университета и его коллеги обнаружили это, когда более детально проанализировали распределение элементов 42 старых звезд в Млечном Пути.
«Мы выбрали звезды, которые, как известно, содержат тяжелые элементы, образовавшиеся в результате r-процесса, и чей состав не был загрязнен другими процессами», — объясняют астрономы.
Учёные обнаружили, что существовали две группы элементов, соотношение которых было связано во всех изученных звездах. Пропорция четырех элементов рутения, родия, палладия и серебра (атомные номера от 44 до 47) была прямо пропорциональна доле некоторых более тяжелых элементов, таких как платина и некоторые редкоземельные металлы с атомными номерами от 63 до 78. Однако, в случае элементов, непосредственно примыкающих друг к другу в периодической таблице, эта связь не была обнаружена.
«Эти две группы элементов движутся, так сказать, синхронно», — объясняет соавтор Мэтью Мампауэр из Лос-Аламосской национальной лаборатории: «Каждый раз, когда природа создает атом серебра, также создается один из этих более тяжелых атомов».
Следовательно, некоторые из тяжелых элементов, образующихся во время r-процесса, каким-то образом связаны с этой небольшой группой более легких элементов.
Такая история может возникнуть с наибольшей долей вероятности лишь при наличии радиоактивного распада после r-процесса.
По мнению астрономов, этому есть только одно возможное объяснение: эти пары, каждая из которых состоит из более легкого и более тяжелого элемента, должны были возникнуть в результате радиоактивного распада еще более тяжелого элемента. «Теоретические модели предсказывают, что такие трансурановые ядра распадаются на асимметричные фрагменты с более легким и тяжелым компонентом», — объясняют Рёдерер и его коллеги.
Согласно исследованию учёных, ни один другой известный процесс не может объяснить, почему серебро (и пр.) всегда появляются в этих звездах одновременно с платиной и другими тяжелыми элементами. Эту связь мог бы объяснить только радиоактивный распад сверхтяжелых атомных ядер, образующихся при r-процессе.
«Это первое свидетельство деления ядра как космического процесса», — говорит Мампауэр. «Давно подозревали, что подобные распады имеют место в космосе, но до сих пор никому не удалось это доказать».
Так же свидетельством того, что существуют сверхмассивные трансурановые ядра, является редкоземельный тяжелый Европий. Исходные атомы для его производства, согласно расчётам, должны достигать массового числа минимум в 260 и больше.
«Массовое число 260 интересно, потому что мы никогда нигде не находили таких тяжелых атомных ядер – ни в космосе, ни в природе», – объясняет Рёдерер. Такие тяжелые изотопы еще не были обнаружены и не произведены в лабораториях или во время испытаний ядерного оружия. «Однако модели нуклеосинтеза предсказывают, что такие трансурановые элементы могут образовываться в космических событиях r-процесса, когда высвобождается очень богатый нейтронами материал».
«Возможное существование сверхтяжелых атомов в космосе дает нам новые идеи об образовании элементов и делении ядер, а также о том, как возникло богатое разнообразие элементов во Вселенной», — Рёдерер.
Element abundance patterns in stars indicate fission of nuclei heavier than uranium | Science