O ściskaniu jąder

Myślę, że warto na początku uświadomić sobie jedną kwestię: większość atomów, z których składa się nasza planeta, a i my sami, zasadniczo nie zmieniła się od momentu powstania we wnętrzu gwiazdy, która wybuchając jako supernowa wzbogaciła obłok wodoru i helu w pierwiastki takie jak tlen, żelazo i inne. Gazy składające się na powietrze, którym oddychamy, żelazo, z którego budujemy i inne powstały bardzo dawno temu, we wnętrzu umierającej gwiazdy. Pewna liczba atomów, które znamy, powstała później, w wyniku naturalnych procesów, np. jeden z izotopów węgla powstaje w atmosferze w wyniku zderzeń neutronów będących częścią promieniowania kosmicznego z jądrami azotu. Naturalnie występujące na naszej planecie pluton i neptun to efekt wyłapywania neutronów przez jądra uranu. Część nowych atomów to efekt naszych zabaw reaktorami i bombami atomowymi. Pierwiastki o liczbie atomowej większej niż 92, poza wspomnianymi plutonem i neptunem, nie występują naturalnie na tej planecie.

Jeśli wierzyć, a nie mamy żadnego powodu, by nie wierzyć, w teorię Wielkiego Wybuchu, to protony i neutrony uformowały się bardzo dawno temu, bo sekundy po nim. Wszechświat w tamtym momencie był niesamowicie gorący i gęsty, czyli mieliśmy mnóstwo cząstek o ogromnych energiach upakowanych na małym obszarze. O ile zderzanie atomów w normalnych warunkach spowoduje po prostu ich odbicie, to zderzanie ich w warunkach, które z trudem staramy się odtworzyć w LHC, powoduje ich fuzję, a więc połączenie lub rozbicie na mniejsze. W tamtych czasach jedyne, co mieliśmy do dyspozycji, to „gołe”, a więc pozbawione elektronów jądra wodoru, czyli pojedyncze protony i neutrony. Ich zderzenia doprowadziły do powstania pierwszego złożonego jądra, którym było jądro jednego z izotopów wodoru, czyli deuteru. Jak pamiętamy, składa się on z jednego protonu i jednego neutronu, więc łatwo sobie wyobrazić, jak mógł powstać: p + n → D + γ. Proton w zderzeniu z neutronem formował jądro deuteru, a nadmiar energii unosił foton. Tak powstałe jądra deuteru zderzały się z protonami i neutronami, tworząc tryt i ³He. Tryt to kolejny z izotopów wodoru, posiadający w swoim jądrze aż dwa neutrony. Jest niestabilny, a więc radioaktywny.

Tak powstałe jądra deuteru, trytu i helu dalej zderzały się ze sobą, tworząc cząstki alfa, które są niczym innym, jak jądrami ⁴He. Czyli jądrami zawierającymi po dwa protony i dwa neutrony, które, zderzając się z jądrami trytu i deuteru, uformowały niewielkie ilości litu i berylu. I to koniec tego, co powstało na początku. Wszystko ponad to powstało znacznie później, w jedynych miejscach Wszechświata, gdzie warunki pozwalają na zderzanie ze sobą jąder lekkich pierwiastków z odpowiednią energią w odpowiednich gęstościach, tj. we wnętrzach gwiazd. Stało się tak, ponieważ nie istnieją np. ⁵Li czy ⁸Be ani inne izotopy o liczbach masowych 5 i 8, które mogłyby istnieć wystarczająco długo, aby być trampoliną do wyższych pozycji układu okresowego. Takie jądra nie istnieją nawet przez nanosekundę, czyli miliardową część sekundy (0,000 000 001 s), a przez trochę więcej niż attosekundę, czyli jej trylionową część (0,000 000 000 000 000 001 s). Właśnie dlatego nasz Wszechświat składa się w tak przeważającej części z wodoru i helu – zanim mogły powstać cięższe jądra, Wszechświat zdążył się na tyle ochłodzić i rozrzedzić, że nie było na to szans. Przypomnijcie sobie wspomniany w ostatnim tekście proces „trzy razy alfa”. Cząstka alfa ma zaledwie 10−16 s, aby trafić w niestabilne jądro berylu, by mógł powstać w ten sposób stabilny izotop węgla ¹²C. Dopiero gdy pojawiły się gwiazdy, pojawiły się w większych ilościach pierwiastki, które w świecie astronomii są nazywane po barbarzyńsku „metalami”, a więc wszystkie niebędące wodorem i helem.

Co właściwie dzieje się we wnętrzu gwiazd? W ogromnym uproszczeniu są to dwa procesy: cykl protonowy i cykl CNO lub węglowo-azotowo-tlenowy. Pierwszy prowadzi do powstania jądra helu z czterech jąder wodoru (czytaj: z czterech protonów). W uproszczeniu przebiega on tak, jak na ilustracji poniżej.

Dwa protony tworzą jądro deuteru. Zderzając się z kolejnym protonem, tworzą jądro helu, które zderza się z inną cząstką tego rodzaju, aby utworzyć jądro kolejnego izotopu helu i dwa swobodne protony, które zderzając się z kolejnymi będą podtrzymywać ten cykl. O ile zamiana jednego z protonów w neutron nie powinna dziwić, bo jest konsekwencją oddziaływań słabych, które, jak pamiętamy, są zdolne do zmiany ładunku nazywanego zapachem, a więc np. kwarka w kwark, a na wyższym poziomie tworzonych przez nie neutronów w protony i na odwrót. Jednak energie, które mają takie protony we wnętrzach wielu gwiazd, i tak są zbyt niskie, aby móc przełamać opór elektromagnetyzmu. Głową muru nie przebijesz, chyba że to mechanika kwantowa, w której nie ma rzeczy niemożliwych, a jedynie mało prawdopodobne. Nie wchodząc w szczegóły – cząstki elementarne mają zdolność przenikania przez takie bariery, choć jest to bardzo rzadkie, i między innymi dlatego gwiazdy takie jak nasze Słońce istnieją tak długo, zamiast „spalać” swoje paliwo w ułamkach sekund.

Kolejny z cykli, który dotyczy głównie masywniejszych gwiazd, to wspomniany cykl CNO, który w uproszczeniu wygląda tak:

Jak łatwo zauważyć, tu również następuje przemiana czterech protonów w jądro helu, choć sam proces składa się z kilku elementów. Węgiel zmienia się w azot, następuje jego rozpad i tak dalej poprzez tlen, aż do azotu, który emituje cząstkę alfa. Węgiel jest tu jedynie katalizatorem reakcji i nie jest zużywany.

Kolejne reakcje fuzji zachodzą w cięższych gwiazdach, w których jądra bombardowane kolejnymi cząstkami alfa doprowadzają do powstania rzeczy takich jak neon, mangan, krzem itp. Fuzja jest możliwa aż do jąder żelaza. Gdybyśmy próbowali połączyć dwa atomy żelaza, zauważylibyśmy, że ten proces wymaga od nas dostarczenia energii zamiast ją wydzielać. Gwiazda to niestety ten rodzaj pieca, do którego nie ma jak i kto dorzucać, więc żelazo to jej koniec, bardzo gwałtowny koniec, w czasie którego w procesach r i s powstają jądra cięższe od żelaza. Proces r i s odnosi się do jądra, które wyłapuje w tych ostatnich momentach życia neutrony. Eksplozja kończąca życie takiej gwiazdy nie jest końcem atomów, które je budowały. Te zostaną rozrzucone po Wszechświecie, aby budować coś nowego. Patrząc w nocne niebo, pomyśl, że jesteś częścią Wszechświata. Częścią, która świadomie go obserwuje.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.

3 thoughts on “O ściskaniu jąder

  1. Hm, skoro na początku były same protony i neutrony (które zaczęły łączyć się w jądra atomowe), to skąd się wzięły elektrony? Czy o tym będzie następny tekst?

    • Szybka odpowiedź jest taka, że elektrony i pozytony powstały wraz z innymi leptonami (w tym neutrinami), gdy oddziaływania elektrosłabe rozszczepiły się na słabe i elektromagnetyczne – na kilka nanosekund przed tym, jak kwarki (tworzące pierwotnie plazmę kwarkowo-gluonową) połączyły się w nukleony (protony i neutrony). Czyli elektrony są nieco starsze od nukleonów, nie wspominając o jądrach złożonych z kilku nukleonów. Te powstały dopiero parę minut później.

      • Dodatkowo – swobodne neutrony nie żyją zbyt długo (czas półtrwania ok. 15 min.). Rozpadają się na proton i elektron (plus antyneutrino).

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *