Расщепление космических лучей , также известное как x-процесс , представляет собой набор естественных ядерных реакций, вызывающих нуклеосинтез ; это относится к образованию химических элементов в результате воздействия космических лучей на объект. Космические лучи — это высокоэнергетические заряженные частицы из-за пределов Земли , начиная от протонов , альфа-частиц и ядер многих более тяжелых элементов. Около 1% космических лучей также состоят из свободных электронов.
Космические лучи вызывают расщепление, когда лучевая частица (например, протон) сталкивается с веществом , включая другие космические лучи. Результатом столкновения является выброс частиц (протонов, нейтронов и альфа-частиц ) из объекта столкновения. Этот процесс происходит не только в глубоком космосе, но и в верхних слоях атмосферы и поверхности земной коры (обычно в верхних десяти метрах) из-за продолжающегося воздействия космических лучей.
Считается, что расщепление космических лучей ответственно за обилие во Вселенной некоторых легких элементов — лития , бериллия и бора , а также изотопа гелия-3 . Этот процесс (космогенный нуклеосинтез ) был открыт несколько случайно в 1970-х годах: модели нуклеосинтеза Большого взрыва предполагали, что количество дейтерия было слишком велико, чтобы соответствовать скорости расширения Вселенной, и поэтому существовал большой интерес к процессам, которые могли бы генерировать дейтерий после нуклеосинтеза Большого взрыва. Расщепление космическими лучами исследовалось как возможный процесс образования дейтерия. Как оказалось, расщепление не могло генерировать много дейтерия, но новые исследования расщепления показали, что этот процесс может генерировать литий, бериллий и бор; действительно, изотопы этих элементов чрезмерно представлены в ядрах космических лучей по сравнению с солнечными атмосферами (тогда как водород и гелий присутствуют в космических лучах примерно в первоначальных соотношениях).
Примером расщепления космических лучей является нейтрон, поражающий ядро азота-14 в атмосфере Земли, в результате чего образуются протон, альфа-частица и ядро бериллия-10 , которое в конечном итоге распадается на бор-10. Альтернативно, протон может столкнуться с кислородом-16, давая два протона, нейтрон, а затем снова альфа-частицу и ядро бериллия-10. Бор также может быть создан напрямую. Бериллий и бор выносятся на землю дождем. [1] Список нуклидов, образующихся в результате расщепления космических лучей, см . в разделе « Космогенный нуклид» .
Х-процесс в космических лучах является основным средством нуклеосинтеза пяти стабильных изотопов лития, бериллия и бора. [2] Поскольку протон-протонная цепная реакция не может протекать за пределами 4 He из-за несвязанной природы 5 He и 5 Li, [3] и тройной альфа-процесс пропускает все виды между 4 He и 12 C, эти элементы не образуется в основных реакциях звездного нуклеосинтеза . Кроме того, ядра этих элементов (таких как 7 Li) относительно слабо связаны , что приводит к их быстрому разрушению в звездах без значительного накопления, хотя новая теория предполагает, что 7 Li генерируется в основном при извержениях новых звезд. [4] Таким образом, было высказано предположение, что для объяснения их существования во Вселенной необходим другой процесс нуклеосинтеза, происходящий вне звезд. Теперь известно, что этот процесс происходит в космических лучах, где более низкая температура и плотность частиц способствуют реакциям, ведущим к синтезу лития, бериллия и бора. [2]
В дополнение к вышеупомянутым легким элементам, тритий и изотопы алюминия , углерода ( углерод -14 ), фосфора ( фосфор-32 ), хлора , йода и неона образуются в материалах Солнечной системы в результате расщепления космических лучей и называются космогенными нуклидами . Поскольку они остаются в атмосфере или породе, в которой они образовались, некоторые из них могут быть очень полезны при датировании материалов методом космогенного радионуклидного датирования , особенно в геологической области. При образовании космогенного нуклида космический луч взаимодействует с ядром атома Солнечной системы in situ , вызывая расщепление космических лучей. Эти изотопы производятся в земных материалах, таких как камни или почва , в атмосфере Земли и во внеземных объектах, таких как метеориты . Измеряя космогенные изотопы, ученые могут получить представление о ряде геологических и астрономических процессов. Существуют как радиоактивные , так и стабильные космогенные изотопы. Некоторые из хорошо известных природных радиоизотопов — это тритий , углерод-14 и фосфор-32 .
Время их образования определяет, будут ли нуклиды, образовавшиеся в результате расщепления космических лучей, называться первичными или космогенными (нуклид не может принадлежать к обоим классам). Считается, что стабильные нуклиды лития, бериллия и бора, обнаруженные на Земле, образовались в результате того же процесса, что и космогенные нуклиды, но в более раннее время в результате расщепления космических лучей, преимущественно до образования Солнечной системы, и, таким образом, они по определению являются первичными. нуклиды и не космогенны. Напротив, радиоактивный нуклид бериллий-7 попадает в тот же диапазон легких элементов, но имеет период полураспада, слишком короткий для того, чтобы он образовался до образования Солнечной системы, поэтому он не может быть первичным нуклидом. Поскольку путь расщепления космических лучей является наиболее вероятным источником бериллия-7 в окружающей среде, этот изотоп, таким образом, является космогенным.
