stringtranslate.com

Бериллий-8

Бериллий-8 ( 8 Be , Be-8 ) — радионуклид с 4 нейтронами и 4 протонами . Это несвязанный резонанс и номинально изотоп бериллия . Он распадается на две альфа-частицы с периодом полураспада порядка 8,19 × 10-17 секунд  . Это имеет важные последствия для звездного нуклеосинтеза , поскольку создает узкое место в создании более тяжелых химических элементов . Свойства 8 Be также привели к предположениям о тонкой настройке Вселенной , а теоретические исследования космологической эволюции показали, что 8 Be стабилен.

Открытие

Открытие бериллия-8 произошло вскоре после постройки первого ускорителя частиц в 1932 году. Физики Джон Дуглас Кокрофт и Эрнест Уолтон провели свой первый эксперимент на своем ускорителе в Кавендишской лаборатории в Кембридже , в котором они облучили литий-7 протонами . Они сообщили, что это заселило ядро ​​с A  = 8, которое почти мгновенно распадается на две альфа-частицы. Эта активность наблюдалась снова несколько месяцев спустя и, как предполагалось, возникла из-за 8 Be. [3]

Характеристики

Тройной альфа-процесс

Бериллий-8 несвязан по альфа-излучению на 92 кэВ; это резонанс шириной 6 эВ. [4] Ядро гелия-4 особенно стабильно: оно имеет двойную магическую конфигурацию и большую энергию связи на нуклон , чем 8 Be. Поскольку полная энергия 8 Be больше, чем у двух альфа-частиц , распад на две альфа-частицы энергетически выгоден [5] , а синтез 8 Be из двух ядер 4 He является эндотермическим. Распаду 8 Be способствует структура ядра 8 Be; он сильно деформирован и, как полагают, представляет собой молекулообразный кластер из двух альфа-частиц, которые очень легко разделяются. [6] [7] Кроме того, в то время как другие альфа-нуклиды имеют подобные кратковременные резонансы, 8 Be исключительно уже находится в основном состоянии . Несвязанная система двух α-частиц имеет низкую энергию кулоновского барьера , что обеспечивает ее существование сколь угодно значительное время. [8] А именно, 8 Be распадается с периодом полураспада 8,19 × 10 −17  секунд. [9]

Бериллий-8 — единственный нестабильный нуклид с одинаковым четным числом протонов и нейтронов ≤ 20 . Это также один из двух нестабильных нуклидов (второй — гелий-5 ) с массовым числом ≤ 143, которые устойчивы как к бета-распаду , так и к двойному бета-распаду .

Есть также несколько возбужденных состояний 8 Be, все из которых являются короткоживущими резонансами, имеющими ширину до нескольких МэВ и изменяющиеся изоспины , которые быстро распадаются на основное состояние или на две альфа-частицы. [10]

Аномалия распада и возможная пятая сила

Эксперимент 2015 года, проведенный Аттилой Красзнахоркаем и др. в Институте ядерных исследований Венгерской академии наук обнаружили аномальные распады в возбужденных состояниях 8 Be с энергией 17,64 и 18,15 МэВ, заселенных протонным облучением 7 Li. Наблюдался избыток распадов с образованием электрон - позитронных пар под углом 140° с суммарной энергией 17 МэВ. Джонатан Фенг и др. приписывают эту аномалию 6,8- σ протофобному Х- бозону с энергией 17 МэВ , получившему название частицы X17 . Этот бозон будет опосредовать пятую фундаментальную силу , действующую на коротком расстоянии (12  фм ), и, возможно, объяснит распад этих возбужденных состояний 8 Be. [10] Повторный эксперимент в 2018 году обнаружил такое же аномальное рассеяние частиц и установил более узкий диапазон масс предполагаемого пятого бозона:17,01 ± 0,16 МэВ/c 2 . [11] Хотя для подтверждения этих наблюдений необходимы дальнейшие эксперименты, влияние пятого бозона было предложено как «наиболее простая возможность». [12]

Роль в звездном нуклеосинтезе

В звездном нуклеосинтезе два ядра гелия-4 могут столкнуться и слиться в одно ядро ​​бериллия-8. Бериллий-8 имеет чрезвычайно короткий период полураспада (8,19 × 10-17  секунд) и распадается обратно на два ядра гелия-4. Это, наряду с несвязанной природой 5 He и 5 Li, создает узкое место в нуклеосинтезе Большого взрыва и звездном нуклеосинтезе [8] , поскольку это требует очень высокой скорости реакции. [13] Это препятствует образованию более тяжелых элементов в первом и ограничивает выход во втором процессе. Если перед распадом бериллий-8 сталкивается с ядром гелия-4, они могут слиться с ядром углерода-12 . Эта реакция была впервые независимо теоретизирована Опиком [14] и Солпитером [15] в начале 1950-х годов.

Из-за нестабильности 8 Be процесс тройного альфа является единственной реакцией, в которой 12 C и более тяжелые элементы могут образовываться в наблюдаемых количествах. Процесс тройного альфа, несмотря на то, что он является трехчастичной реакцией, облегчается, когда производство 8 Be увеличивается до такой степени, что его концентрация составляет примерно 10 -8 по сравнению с 4 He; В [16] это происходит, когда 8 Be образуется быстрее, чем распадается. [17] Однако одного этого недостаточно, поскольку столкновение между 8 Be и 4 He, скорее всего, приведет к разрушению системы, а не к возможности термоядерного синтеза; [18] скорость реакции все равно не была бы достаточно высокой, чтобы объяснить наблюдаемое содержание 12 C. [1] Таким образом , в 1954 году Фред Хойл постулировал существование резонанса в углероде-12 в звездной энергетической области тройного альфа процесс, ускоряющий образование углерода-12, несмотря на чрезвычайно короткий период полураспада бериллия-8. [19] Вскоре после этого существование этого резонанса ( состояния Хойла ) было подтверждено экспериментально; его открытие упоминалось в формулировках антропного принципа и гипотезы точной настройки Вселенной. [20] [21]

Гипотетические вселенные со стабильным 8 Be

Поскольку бериллий-8 несвязан только с энергией 92 кэВ, предполагается, что очень небольшие изменения ядерного потенциала и точная настройка некоторых констант (таких как α, константа тонкой структуры ) могут достаточно увеличить энергию связи 8 Be, чтобы предотвратить его альфа-распад, что делает его стабильным . Это привело к исследованию гипотетических сценариев, в которых 8 Be стабилен, и к предположениям о других вселенных с другими фундаментальными константами. [1] Эти исследования предполагают, что исчезновение узкого места [20], созданного 8 Be, приведет к совершенно другому механизму реакции в нуклеосинтезе Большого взрыва и тройному альфа-процессу, а также к изменению содержания более тяжелых химических элементов. [4] Поскольку нуклеосинтез Большого взрыва произошел только в течение короткого периода времени при наличии необходимых условий, считается, что не было бы существенной разницы в производстве углерода, даже если бы 8 Be был стабильным. [8] Однако стабильный 8 Be может открыть альтернативные пути реакции при горении гелия (например, 8 Be + 4 He и 8 Be + 8 Be; составляющие фазу «горения бериллия») и, возможно, повлиять на содержание образующегося 12 C, 16 O и более тяжелые ядра, хотя 1 H и 4 He останутся наиболее распространенными нуклидами. Это также повлияет на эволюцию звезд из-за более раннего начала и более высокой скорости горения гелия (и горения бериллия) и приведет к иной главной последовательности , чем в нашей Вселенной. [1]

Примечания

  1. ^ Он не встречается в природе на Земле, но существует в вековом равновесии в ядрах звезд, горящих гелием. [1]

Рекомендации

  1. ^ abcd Адамс, ФК; Грос, Э. (2017). «Звездный гелий, горящий в других вселенных: решение проблемы точной настройки тройного альфа». Астрофизика частиц . 7 : 40–54. arXiv : 1608.04690 . Бибкод : 2017APh....87...40A. doi :10.1016/j.astropartphys.2016.12.002. S2CID  119287629.
  2. ^ Ван, М.; Ауди, Г.; Кондев, ФГ; Хуанг, WJ; Наими, С.; Сюй, X. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030003-1–030003-442. дои : 10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  3. ^ Тённессен, М. (2016). Открытие изотопов: полный сборник . Спрингер. стр. 45–48. дои : 10.1007/978-3-319-31763-2. ISBN 978-3-319-31761-8. LCCN  2016935977.
  4. ^ Аб Кок, А.; Олив, Калифорния; Узан, Ж.-П.; Ванджиони, Э. (2012). «Изменение фундаментальных констант и роль ядер A = 5 и A = 8 в первичном нуклеосинтезе». Физический обзор D . 86 (4): 043529. arXiv : 1206.1139 . Бибкод : 2012PhRvD..86d3529C. doi : 10.1103/PhysRevD.86.043529. S2CID  119230483.
  5. ^ Шац, Х.; Блаум, К. (2006). «Ядерные массы и происхождение элементов» (PDF) . Новости еврофизики . 37 (5): 16–21. Бибкод : 2006ENews..37e..16S. дои : 10.1051/эпн:2006502 .
  6. ^ Фрир, М. (2014). «Кластеризация в легких ядрах: от стабильного к экзотическому» (PDF) . В Шайденбергере, К.; Пфюцнер, М. (ред.). Еврошкола по экзотическим пучкам: конспекты лекций по физике. Конспект лекций по физике. Том. 4. Спрингер. стр. 1–37. дои : 10.1007/978-3-642-45141-6. ISBN 978-3-642-45140-9. ISSN  0075-8450.
  7. ^ Чжоу, Б.; Рен, З. (2017). «Нелокализованная кластеризация в ядрах». Достижения физики . 2 (2): 359–372. Бибкод : 2017AdPhX...2..359Z. дои : 10.1080/23746149.2017.1294033 .
  8. ^ abc Кок, А.; Ванджиони, Э. (2014). «Реакция тройного альфа и разрыв A = 8 в звездах BBN и населения III» (PDF) . Память итальянского астрономического общества . 85 : 124–129. Бибкод : 2014MmSAI..85..124C.
  9. ^ Ауди, Г.; Кондев, ФГ; Ван, М.; Хуанг, WJ; Наими, С. (2017). «Оценка ядерных свойств NUBASE2016» (PDF) . Китайская физика C . 41 (3): 030001. Бибкод : 2017ChPhC..41c0001A. дои : 10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  10. ^ Аб Фэн, JL; Форнал, Б.; Галон, И.; и другие. (2016). «Доказательства протофобной пятой силы в результате ядерных переходов 8 Be». Письма о физических отзывах . 117 (7): 071803. arXiv : 1604.07411 . doi : 10.1103/PhysRevLett.117.071803. PMID  27563952. S2CID  206279817.
  11. ^ Краснагоркай, AJ; Чатлос, М.; Циге, Л.; и другие. (2018). «Новые результаты по аномалии 8Be» (PDF) . Физический журнал: серия конференций . 1056 (1): 012028. Бибкод : 2018JPhCS1056a2028K. дои : 10.1088/1742-6596/1056/1/012028 .
  12. ^ Картлидж, Э. (25 мая 2016 г.). «Обнаружила ли венгерская физическая лаборатория пятую силу природы?». Природа . Проверено 14 июля 2019 г.
  13. ^ Ландсман, К. (2015). «Аргумент тонкой настройки». arXiv : 1505.05359 [Physics.hist-ph].
  14. ^ Эпик, Э.Дж. (1951). «Модели звезд переменного состава. II. Последовательности моделей с выработкой энергии, пропорциональной пятнадцатой степени температуры». Труды Королевской Ирландской академии, раздел А. 54 : 49–77. JSTOR  20488524.
  15. ^ Солпитер, Э.Э. (1952). «Ядерные реакции в звездах. I. Протон-протонная цепочка»". Physical Review . 88 (3): 547–553. Бибкод : 1952PhRv...88..547S. doi : 10.1103/PhysRev.88.547.
  16. ^ Пекаревич, Дж. (2014). «Рождение, жизнь и смерть звезд» (PDF) . Университет штата Флорида . Проверено 13 июля 2019 г.
  17. ^ Садеги, Х.; Пуримани, Р.; Могадаси, А. (2014). «Процесс радиационного захвата двух гелия и ядро ​​8Be при энергиях поселенцев». Астрофизика и космическая наука . 350 (2): 707–712. Бибкод : 2014Ap&SS.350..707S. дои : 10.1007/s10509-014-1806-1. S2CID  123444620.
  18. ^ Инглис-Аркелл, Э. «Это невероятное совпадение ответственно за жизнь во Вселенной». Гизмодо . Проверено 14 июля 2019 г.
  19. ^ Хойл, Ф. (1954). «О ядерных реакциях, происходящих в очень горячих звездах. I. Синтез элементов от углерода до никеля». Приложение к астрофизическому журналу . 1 : 121–146, дои : 10.1086/190005.
  20. ^ аб Эпельбаум, Э.; Кребс, Х.; Ли, Д.; Мейснер, Ульф-Г. (2011). «Ab initio расчет состояния Хойла». Письма о физических отзывах . 106 (19): 192501–1–192501–4. arXiv : 1101.2547 . Бибкод : 2011PhRvL.106s2501E. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.192501 . PMID  21668146. S2CID  33827991.
  21. ^ Дженкинс, Дэвид; Кирсебом, Оливер (7 февраля 2013 г.). «Тайна жизни». Мир физики . Архивировано из оригинала 13 февраля 2021 г. Проверено 21 августа 2021 г.