元素合成 既存の原子核、陽子、中性子から新しい原子核を作るプロセスです。本質的に、それは周期表の要素の作成です。原子核が形成される 2 つの大まかな方法は、小さな原子核と核子 (陽子と中性子) を融合させることによるものと、核分裂、放射性崩壊、およびその他のプロセスによって大きな原子核を分解することによるものです。
ビッグバン元素合成の過程でビッグバン中に形成された最初のいくつかの軽元素.その後、新しい元素が星の中で形成され、星の元素合成での爆発から形成されました。 rプロセス、宇宙線破砕、核分裂、および放射線発生における中性子星の合体からさらに多くの元素が形成されました。超重合成元素は、既存の超重原子核と他の原子核または核子の間の核反応によって形成されます。
元素合成プロセス
ビッグバン元素合成と恒星元素合成は、ほとんどの元素の作成を説明していますが、実際にはいくつかのプロセスが発生しています.
- ビッグバン元素合成 :ビッグバンは、今日の宇宙で見つかったプロチウム (水素 1)、重水素 (水素 2)、ヘリウム 3、およびヘリウム 4 のほとんどを生成します。ビッグバン後の最初の 100 ～ 300 秒で、少量のリチウム 7 とベリリウム 7 が形成されました。おそらく、いくらかのホウ素が形成された。しかし、最初の 20 分後、最初の星が誕生するまで新しい元素は形成されませんでした。現在、これらの同位体の一部は他のプロセスを介して形成されています。
- 恒星元素合成 :恒星元素合成は、恒星による新しい原子核の形成です。星は水素とヘリウムを融合させてより重い原子核にします。すべての星は、トリプルアルファプロセスを介して炭素を生成します。炭素は中性子を放出し、それが低速中性子捕獲または s プロセスに供給されます。 s プロセスは、ニッケルや鉄よりも重い元素を生成します。
- 超新星元素合成 :超新星は、酸素とルビジウムの間の多くの中間質量元素を生成します。急速な陽子捕獲 (rp プロセス) も発生する可能性がありますが、主に、これには急速な中性子捕獲が含まれます。
- 中性子星衝突 :連星中性子星の衝突は、急速な中性子捕獲または r プロセス要素の主な発生源です。これらの要素には、金と重金属が含まれます。鉄よりも重い原子核の約半分は、r プロセスによって形成されます。
- ブラック ホール降着円盤 :ブラック ホールの強力な重力によって原子核と核子が結合し、元素が形成されます。
- 宇宙線破砕 :宇宙線 (主に陽子) は、星間媒体および惑星大気と相互作用します。このプロセスでは、He、Li、Be、B などの軽元素と、衝撃破片としての炭素、窒素、酸素が生成されます。
- 放射性崩壊 :放射性崩壊または放射性崩壊により、娘核種が形成されます。これらの核種の一部は、最終的に安定同位体になる前に、いくつかの中間元素に崩壊します。地球上では、ラドン、ポロニウム、ヘリウム 4、アルゴン 40 は主に重い元素の崩壊によって生成されます。
- 自然分裂 :トリウム 232、ウラン 235、およびウラン 238 が自発的に分裂し、天然のテクネチウムとプロメチウムを形成します。
- その他の核反応 :宇宙線による中性子捕獲と反応により、ある原子核が別の原子核に変化します。これらの反応から、いくつかのネオン 21、ネオン 22、炭素 14、およびヨウ素 129 が形成されます。熱核兵器の爆発は、アインスタイニウムやフェルミウムなどの重元素を形成する限られた r プロセスを生成します。
要素形成のタイムライン
- 138 億年前 :水素、ヘリウム、リチウム、ベリリウム、およびおそらくホウ素が、ビッグバン後の最初の 20 分間に形成されました。これらは基本的な要素です。
- 137.95 億年前から現在まで ：星はビッグバンから約5億年後に形成され始めました。炭素および原子番号 90 までの最も重い元素は、星の中で、星の爆発や宇宙線の分裂によって形成されました。ニオブと原子番号 94 までの重元素は、中性子星の合体から形成されます。放射性崩壊と核分裂により、重い原子核から軽い元素が継続的に形成されます。
- 20 世紀から現在まで ：テクネチウムと原子番号95（アメリシウム）から118（オガネソン）までの元素は研究室で合成されています。星に注意 する テクネチウムとより重い放射性元素を生成しますが、惑星が形成される前に崩壊します。
発見の歴史
19 世紀後半から 20 世紀初頭にかけて、科学者たちは宇宙の始まりに元素が形成されたと信じていました。徐々に、研究者は元素存在量に関するデータを収集しました。水素とヘリウムは最も豊富な元素で、物質の約 98% を占めています。次の 2 つの豊富な元素は、酸素と炭素です。
1920 年、アーサー・スタンリー・エディントンは、星が水素を融合してヘリウムを作ることを提案しました。彼は、このプロセスが他の元素の形成を説明している可能性があると示唆した.しかし、核物理学は非常に新しい分野だったため、この考えは一般的ではありませんでした。第一次世界大戦の前に、ハンス・ベーテは水素がヘリウムに核融合するメカニズムを説明しました。 Georges Lemaître は 1931 年にビッグバンを提案しました。 Hans Seuss と Harold Urey は、Oddo-Harkins ルールを表示する元素存在量のグラフを作成しました。基本的に、原子番号が偶数の元素の存在量は、周期表のいずれかの側にある奇数の元素の存在量よりも大きくなります。ビッグバン元素合成と恒星核合成の理論は、経験的データを支持しました。
しかし、元素合成は依然として非常に活発な研究分野です。科学者は元素形成の自然なプロセスを解明しようとし、新しい元素を合成し続けています。
参考文献
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