18. Фізична модель Всесвіту. Великий вибух та еволюція Всесвіту.Утворення елементарних частинок та хімічних елементів.

Науковим світом вважається, що наш Всесвіт виник після Великого Вибуху близько 20 млрд. років тому (Гіпотеза Великого Вибуху – 1948 р., Г. Гамов). В моделі Великого Вибуху відбувається синтез елементів, як наслідок нерівноважного захоплення ядрами нейтронів з випроміненням γ-квантів та наступним β-розпадом. Але така модель не пояснила виникнення елементів важче Li. Згідно з сучасними уявленнями, утворення важких ядер на цьому етапі (~100 с після Вибуху) є неможливим. Вони утворилися через мільярди років після Вибуху в процесі еволюції зірок. За теорією Великого Вибуху Гамова (народження Всесвіту з гарячої фази) водень та (частково) гелій утворилися на ранніх стадіях еволюції Всесвіту з первинної речовини (фотонно-баріонна плазма) під час рекомбінації (370 тис років після Великого Вибуху).

Всі інші елементи утворились на більш пізніх етапах в зорях. Перші ядерні реакції синтезу Не з Н починаються в зорях, коли в результаті гравітаційного стискання температура в її ядрі досягає 10-14 млрд К. Відомі 8 основних ядерних процесів синтезу елементів в зірках:

1. вигорання водню:

а) p-p-цикл (ланцюжок Лауріцена-Шацмана – 80% ядер гелія утворюються в ньому):

або ; ;

б) CNO-цикл (синтез Не⁴ з водню через 3 (p,γ)-реакції та 2 β-розпади, С¹² виступає лише як каталізатор, процес йде при більш високих температурах і коли вже є вуглець), за таких умов отримаїмо ланцюг:

¹²C (p, γ) ¹³N(β⁺,ν) ¹³C(p, γ) ¹⁴N(p, γ) ¹⁵O(β⁺,ν) ¹⁵N(p, α) ¹²C

Всі реакції протікають з виділенням енергії ( порядку 10 )

2. вигорання гелію:

; і т.д.

3. вигорання вуглецю:

і т.д.

4. α-процес: (фотодисоціація ядер з виділенням α-частинки)

5. e-процес (β-розпад); 6) s-процес ; 7) r-процес;

8)p-процес (захоплення ядрами протонів, що виникають в 4), 6), 7))(грає незначну роль)

S-і R- процеси

s-процес (slow) та r-процес (rapid) це захоплення нейтронів “зародковими” ядрами ⁵⁶Fe та деякими іншими ядрами залізного піку (на малюнку- Iron Group). Важчі ізотопи одного і того ж елементу утворюються лише в r-процесі (при вибуху наднових), легші ізотопи – лише в s-процесі (йде в надрах зір на певних етапах еволюції, наприклад, в червоних гігантах), а найлегші ізотопи утворюються в результаті p-процесу. Результатом цих процесів на кривій росповсюдженості є r- та s-піки біля магічних числел нейтронів.

Ядра Li, Be, B руйнуються в термоядерних реакціях (p, α) та (p,D ), що протікають в надрах зір. За рахунок цього їх розповсюдженість має бути в 100 разів менше за спостережувану. Таку спостережувану розповсюдженість пояснюють реакціями сколювання (реакція часткового руйнування складного ядра при зіткненні з легким, наприклад Н або Не) під дією потоків галактичних космічних променів. В зірках ядра Li, Be, B повинні під дією протонів інтенсивно руйнуватися, тому вважається, що ці ядра утворилися в результаті взаємодії космічних променів з космічним пилом.