Расщепление космических лучей , также известное как x-процесс , представляет собой набор естественных ядерных реакций, вызывающих нуклеосинтез ; он относится к образованию химических элементов при воздействии космических лучей на объект. Космические лучи — это высокоэнергетические заряженные частицы из-за пределов Земли , в диапазоне от протонов , альфа-частиц и ядер многих более тяжелых элементов. Около 1% космических лучей также состоят из свободных электронов. [ требуется цитата ]
Космические лучи вызывают расщепление , когда частица луча (например, протон) сталкивается с материей , включая другие космические лучи. Результатом столкновения является выталкивание частиц (протонов, нейтронов и альфа-частиц ) из объекта, в который попало. Этот процесс происходит не только в глубоком космосе, но и в верхних слоях атмосферы Земли и на поверхности земной коры (обычно в верхних десяти метрах) из-за постоянного 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 в некоторой степени случайно в 1970-х годах: модели нуклеосинтеза Большого взрыва предполагали, что количество дейтерия слишком велико, чтобы соответствовать скорости расширения Вселенной, и поэтому возник большой интерес к процессам, которые могли бы генерировать дейтерий после нуклеосинтеза Большого взрыва. Расщепление космических лучей исследовалось как возможный процесс генерации дейтерия. Как оказалось, расщепление не могло генерировать много дейтерия, но новые исследования расщепления показали, что этот процесс мог генерировать литий, бериллий и бор; Действительно, изотопы этих элементов чрезмерно представлены в ядрах космических лучей по сравнению с солнечной атмосферой (тогда как водород и гелий присутствуют в космических лучах примерно в первичных соотношениях).
Примером расщепления космических лучей является удар нейтрона по ядру азота-14 в атмосфере Земли, в результате чего образуются протон, альфа-частица и ядро бериллия-10 , которое в конечном итоге распадается на бор-10. В качестве альтернативы протон может ударить кислород-16, в результате чего образуются два протона, нейтрон и снова альфа-частица и ядро бериллия-10. Бор также может быть создан напрямую. Бериллий и бор выпадают на землю с дождем. [1] См. Космогенный нуклид для списка нуклидов, образующихся при расщеплении космических лучей.
X-процесс в космических лучах является основным средством нуклеосинтеза для пяти стабильных изотопов лития, бериллия и бора. [2] Поскольку цепная реакция протон-протон не может протекать за пределами 4 He из-за несвязанной природы 5 He и 5 Li, [3] а тройной альфа-процесс пропускает все виды между 4 He и 12 C, эти элементы не производятся 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 и отсутствию значительного накопления, хотя новая теория предполагает, что 7 Li образуется в основном при извержениях новых звезд . [4] Таким образом, было постулировано, 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 благоприятствуют реакциям, приводящим 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 посредством 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 датирования космогенными радионуклидами , 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 материалах Земли, таких как скалы 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 известных природных радиоизотопов — это тритий , углерод-14 и фосфор-32 .
Время их образования определяет, будут ли нуклиды, образованные 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, были образованы тем же процессом, что и космогенные нуклиды, но в более раннее время в процессе расщепления космических лучей, преимущественно до образования Солнечной системы, и, таким образом, они по определению являются первичными нуклидами , а не космогенными. Напротив, радиоактивный нуклид бериллий-7 попадает в тот же диапазон легких элементов, но имеет слишком короткий период полураспада, чтобы он мог образоваться 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.
