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 в звездном нуклеосинтезе , поскольку создает узкое место в создании более тяжелых химических элементов . Свойства 8 Be также привели к предположениям о тонкой настройке Вселенной , и теоретические исследования космологической эволюции, если бы 8 Be был стабильным.

Открытие

Открытие бериллия-8 произошло вскоре после создания первого ускорителя частиц в 1932 году. Физики Джон Дуглас Кокрофт и Эрнест Уолтон провели свой первый эксперимент со своим ускорителем в Кавендишской лаборатории в Кембридже , в котором они облучали 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 было сделано предположение, что она исходит от 8 Be. [3]

Характеристики

Тройной альфа-процесс

Бериллий-8 не связан относительно альфа-излучения на 92 кэВ; это резонанс шириной 6 эВ. [4] Ядро гелия-4 особенно стабильно, имеет дважды магическую конфигурацию и большую энергию связи на нуклон, чем 8Be . Поскольку полная энергия 8Be больше, чем у двух альфа-частиц , распад на две альфа-частицы энергетически выгоден, [5] а синтез 8Be из двух ядер 4He является эндотермическим. Распад 8Be облегчается структурой ядра 8Be ; оно сильно деформировано и, как полагают, представляет собой молекулярный кластер из двух альфа-частиц, которые очень легко разделяются. [6] [7] Кроме того, в то время как другие альфа-нуклиды имеют подобные короткоживущие резонансы, 8Be в исключительных случаях уже находится в основном состоянии . Несвязанная система из двух α-частиц имеет низкую энергию кулоновского барьера , что позволяет ей существовать в течение любого значительного периода времени. [ 8] А именно, 8Be распадается с периодом полураспада 8,19 × 10−17  секунд. [9]

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

Существует также несколько возбужденных состояний 8Be , все из которых являются короткоживущими резонансами – с шириной до нескольких МэВ и различными изоспинами – которые быстро распадаются до основного состояния или на две альфа-частицы. [10]

Аномалия распада и возможная пятая сила

Эксперимент 2015 года Аттилы Краснахоркай и др. в Институте ядерных исследований Венгерской академии наук обнаружил аномальные распады в возбужденных состояниях 17,64 и 18,15 МэВ 8 Be, заселенных протонным облучением 7 Li. Наблюдался избыток распадов, создающих электронно - позитронные пары под углом 140° с общей энергией 17 МэВ. Джонатан Фэн и др. приписывают эту аномалию 6,8- σ 17 МэВ протофобному X- бозону , названному частицей X17 . Этот бозон будет посредником пятой фундаментальной силы, действующей на коротком расстоянии (12  фм ), и, возможно, объяснит распад этих возбужденных состояний 8 Be. [10] Повтор этого эксперимента в 2018 году обнаружил то же самое аномальное рассеяние частиц и установил более узкий диапазон масс предполагаемого пятого бозона,17,01 ± 0,16 МэВ/c2 . [ 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 5He и 5Li , 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 бериллий-8 сталкивается с ядром гелия-4 до распада, они могут слиться в ядро ​​углерода-12 . Эта реакция была впервые теоретически обоснована независимо друг от друга Эпиком [14] и Солпитером [15] в начале 1950-х годов.

Из-за нестабильности 8 Be, тройной альфа-процесс является единственной реакцией, в которой 12 C и более тяжелые элементы могут быть получены в наблюдаемых количествах. Тройной альфа-процесс, несмотря на то, что является реакцией трех тел, облегчается, когда производство 8 Be увеличивается таким образом, что его концентрация составляет приблизительно 10 −8 относительно 4 He; [16] это происходит, когда 8 Be производится быстрее, чем распадается. [17] Однако этого одного недостаточно, поскольку столкновение между 8 Be и 4 He, скорее всего, разрушит систему, а не обеспечит синтез; [18] скорость реакции все равно не будет достаточно высокой, чтобы объяснить наблюдаемое обилие 12 C. [1] Таким образом , в 1954 году Фред Хойл постулировал существование резонанса в углероде-12 в пределах звездной энергетической области тройного альфа-процесса, усиливая создание углерода-12, несмотря на чрезвычайно короткий период полураспада бериллия-8. [19] Существование этого резонанса ( состояния Хойла ) было подтверждено экспериментально вскоре после этого; его открытие было упомянуто в формулировках антропного принципа и гипотезы тонко настроенной Вселенной. [20] [21]

Гипотетические вселенные со стабильными8Быть

Поскольку бериллий-8 не связан всего лишь 92 кэВ, предполагается, что очень небольшие изменения ядерного потенциала и тонкая настройка определенных констант (таких как α, постоянная тонкой структуры ), могут достаточно увеличить энергию связи 8Be , чтобы предотвратить его альфа-распад, тем самым сделав его стабильным . Это привело к исследованиям гипотетических сценариев, в которых 8Be стабилен, и предположениям о других вселенных с другими фундаментальными константами. [1] Эти исследования предполагают, что исчезновение узкого места [20], созданного 8Be , приведет к совершенно иному механизму реакции в нуклеосинтезе Большого взрыва и процессе тройной альфа, а также изменит распространенность 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 значительной разницы в производстве углерода, даже если бы 8Be был стабилен. [8] Однако стабильный 8 Be позволил бы альтернативным путям реакции в горении гелия (таким как 8 Be + 4 He и 8 Be + 8 Be; составляя фазу «горения бериллия») и, возможно, повлиял бы на распространенность результирующих 12 C, 16 O и более тяжелых ядер, хотя 1 H и 4 He остались бы наиболее распространенными нуклидами. Это также повлияло бы на звездную эволюцию через более раннее начало и более высокую скорость горения гелия (и горения бериллия), и привело бы к другой главной последовательности, чем наша Вселенная. [1]

Примечания

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

Ссылки

  1. ^ abcd Адамс, FC; Грохс, E. (2017). «Звездное горение гелия в других вселенных: решение проблемы тонкой настройки тройной альфа». Astroparticle Physics . 7 : 40–54. arXiv : 1608.04690 . Bibcode : 2017APh....87...40A. doi : 10.1016/j.astropartphys.2016.12.002. S2CID  119287629.
  2. ^ Ван, М.; Ауди, Г.; Кондев, Ф.Г.; Хуан, В.Дж.; Наими, С.; Сюй, Х. (2017). «Оценка атомной массы AME2016 (II). Таблицы, графики и ссылки» (PDF) . Chinese Physics C. 41 ( 3): 030003-1–030003-442. doi :10.1088/1674-1137/41/3/030003.
  3. ^ Thoennessen, M. (2016). Открытие изотопов: Полная компиляция . Springer. стр. 45–48. doi :10.1007/978-3-319-31763-2. ISBN 978-3-319-31761-8. LCCN  2016935977.
  4. ^ ab Coc, A.; Olive, KA; Uzan, J.-P.; Vangioni, E. (2012). "Изменение фундаментальных констант и роль ядер A  = 5 и A  = 8 в первичном нуклеосинтезе". Physical Review D. 86 ( 4): 043529. arXiv : 1206.1139 . Bibcode : 2012PhRvD..86d3529C. doi : 10.1103/PhysRevD.86.043529. S2CID  119230483.
  5. ^ Schatz, H.; Blaum, K. (2006). "Ядерные массы и происхождение элементов" (PDF) . Europhysics News . 37 (5): 16–21. Bibcode :2006ENews..37e..16S. doi : 10.1051/epn:2006502 .
  6. ^ Freer, M. (2014). «Кластеризация в легких ядрах; от стабильного к экзотическому» (PDF) . В Scheidenberger, C.; Pfützner, M. (ред.). Европейская школа по экзотическим пучкам: заметки лекций по физике. Заметки лекций по физике. Том 4. Springer. стр. 1–37. doi :10.1007/978-3-642-45141-6. ISBN 978-3-642-45140-9. ISSN  0075-8450.
  7. ^ Чжоу, Б.; Жэнь, З. (2017). «Нелокализованная кластеризация в ядрах». Успехи в физике . 2 (2): 359–372. Bibcode :2017AdPhX...2..359Z. doi : 10.1080/23746149.2017.1294033 .
  8. ^ abc Coc, A.; Vangioni, E. (2014). «Тройная альфа-реакция и разрыв A = 8 в звездах BBN и населения III» (PDF) . Memorie della Società Astronomica Italiana . 85 : 124–129. Bibcode : 2014MmSAI..85..124C.
  9. ^ Audi, G.; Kondev, FG; Wang, M.; Huang, WJ; Naimi, S. (2017). "Оценка ядерных свойств с помощью NUBASE2016" (PDF) . Chinese Physics C. 41 ( 3): 030001. Bibcode : 2017ChPhC..41c0001A. doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001.
  10. ^ ab Feng, JL; Fornal, B.; Galon, I.; et al. (2016). «Доказательства протофобной пятой силы из ядерных переходов 8 Be». Physical Review Letters . 117 (7): 071803. arXiv : 1604.07411 . doi :10.1103/PhysRevLett.117.071803. PMID  27563952. S2CID  206279817.
  11. ^ Краснахоркай, AJ; Чатлос, М.; Циге, Л.; и др. (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.). «Нашла ли венгерская физическая лаборатория пятую силу природы?». Nature . Получено 14 июля 2019 г. .
  13. ^ Ландсман, К. (2015). «Аргумент тонкой настройки». arXiv : 1505.05359 [physics.hist-ph].
  14. ^ Öpik, EJ (1951). «Звездные модели с переменным составом. II. Последовательности моделей с генерацией энергии, пропорциональной пятнадцатой степени температуры». Труды Королевской Ирландской академии, раздел A. 54 : 49–77. JSTOR  20488524.
  15. ^ Солпитер, Э. Э. (1952). «Ядерные реакции в звездах. I. Протон-протонная цепочка»". Physical Review . 88 (3): 547–553. Bibcode : 1952PhRv...88..547S. doi : 10.1103/PhysRev.88.547.
  16. ^ Piekarewicz, J. (2014). "Рождение, жизнь и смерть звезд" (PDF) . Университет штата Флорида . Получено 13 июля 2019 .
  17. ^ Садеги, Х.; Пуримани, Р.; Могадаси, А. (2014). «Процесс радиационного захвата двух гелия и ядро ​​8Be при энергиях поселенца». Астрофизика и космическая наука . 350 (2): 707–712. Bibcode :2014Ap&SS.350..707S. doi :10.1007/s10509-014-1806-1. S2CID  123444620.
  18. ^ Инглис-Аркелл, Э. «Это невероятное совпадение ответственно за жизнь во Вселенной». Gizmodo . Получено 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 Astrophysical Journal . 1 : 121–146, doi :10.1086/190005
  20. ^ ab Эпельбаум, Э.; Кребс, Х.; Ли, Д.; Мейсснер, Ульф-Г. (2011). «Вычисление состояния Хойла из первых принципов». Physical Review Letters . 106 (19): 192501–1–192501–4. arXiv : 1101.2547 . Bibcode : 2011PhRvL.106s2501E. doi : 10.1103/PhysRevLett.106.192501 . PMID  21668146. S2CID  33827991.
  21. ^ Дженкинс, Дэвид; Кирсебом, Оливер (2013-02-07). "Секрет жизни". Physics World . Архивировано из оригинала 2021-02-13 . Получено 2021-08-21 .