AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie

KOSMICKÁ  JADERNÁ  ALCHYMIE
aneb
O   PŮVODU   PRVKŮ

Stavba hmoty a jaderná fyzika
Pralátka na počátku světa
Hvězdy - alchymistické kotle vesmíru
Všichni jsme potomky hvězd !

Vojtěch Ullmann
f y z i k

V přednášce o vztahu jaderné fyziky s astrofyzikou a kosmologií si
přiblížíme
úchvatný scénář vzniku prvků ve vesmíru a chemický vývoj
vesmíru v jednotlivých stádiích jeho evoluce

S y l a b u s


PŘÍRODA - PŘÍRODOVĚDA

Nejzákladnější otázky přírodovědy :
Jaká je podstata a vnitřní složení hmoty?
Jakými zákonitostmi se řídí trvání, pohyb a přeměny hmoty?

Co je podstatou vesmíru? Vznikl vesmír spontánně, nebo byl stvořen Bohem?

MAKROSVĚT 10-8 m < d < 103 svět.let
Klasická fyzika (Newtonovská mechanika, termodynamika, elektrodynamika ...)

MIKROSVĚT - nitro hmoty d < 10-8 cm
Kvantová fyzika, atomistika,
jaderná fyzika, elementární částice

MEGASVĚT - vzdálený vesmír d > 103 svět.let
Speciální teorie relativity – vysoké rychlosti ® dilatace času, kontrakce délek
Obecná teorie relativity – gravitace ® zakřivený prostoročas
Astrofyzika + Kosmologie

Hmota - látka
Základní otázka:
Jaká je podstata a vnitřní složení hmoty?

Dělitelnost látek: ě neomezeně dělitelné - kontinuum
î omezeně dělitelné - struktura - a t o m y

Co je nositelem vlastností látek?
Vlastnosti látky: alchymie ® chemie ® fyzika ; Chemické vlastnosti Ţ p r v k y

Mendělejevova periodická tabulka chemických prvků
(
červeně označené prvky jsou radioaktivní - nemají stabilní isotopy)
H
1
  He
2
Li
3
Be
4
  B
5
C
6
N
7
O
8
F
9
Ne
10
Na
11
Mg
12
  Al
13
Si
14
P
15
S
16
Cl
17
Ar
18
K
19
Ca
20
Sc
21
Ti
22
V
23
Cr
24
Mn
25
Fe
26
Co
27
Ni
28
Cu
29
Zn
30
Ga
31
Ge
32
As
33
Se
34
Br
35
Kr
36
Rb
37
Sr
38
Y
39
Zr
40
Nb
41
Mo
42
Tc
43
Ru
44
Rh
45
Pd
46
Ag
47
Cd
48
In
49
Sn
50
Sb
51
Te
52
I
53
Xe
54
Cs
55
Ba
56
La..
î
Hf
72
Ta
73
W
74
Re
75
Os
76
Ir
77
Pt
78
Au
79
Hg
80
Tl
81
Pb
82
Bi
83
Po
84
At
85
Rn
86
Fr
87
Ra
88
Ak..
î
Rf
104
Db
105
Sg
106
Bh
107
Hs
108
Mt
109
Ds
110
Rg
111
Uub
112
Uut
113
Uuq
114
Uup
115
Uuh
116
Uus
117
Uuo
118
 
Lanthanoidy :  La
57
Ce
58
Pr
59
Nd
60
Pm
61
Sm
62
Eu
63
Gd
64
Tb
65
Dy
66
Ho
67
Er
68
Tm
69
Yb
70
Lu
71
Aktinoidy :  Ac
89
Th
90
Pa
91
U
92
Np
93
Pu
94
Am
95
Cm
96
Bk
97
Cf
98
Es
99
Fm
100
Md
101
No
102
Lr
103

PŘÍNOS ATOMOVÉ A JADERNÉ FYZIKY
- hluboké proniknutí do nitra hmoty -

Poznání stavby hmoty - Co je nositelem vlastností látek? - atomy!
Atomová fyzika: struktura atomů Ţ podstata chemie

Thomsonův "pudingový" model       Ruthefordův rozptylový experiment   Ţ   Planetární model                
Bohrův model

Elektrické slučování atomů Ţ veškerá různorodost látek našeho světa

"Šéfem" atomu je atomové jádro:
Struktura a vlastnosti atomu jsou dány stavbou jeho
jádra
- počet protonů Z v jádře určuje elektronové konfigurace obalu a obsazení valenční slupky -

Rozměry jádra: »10-13cm (100 000-krát menší než atom!) , hustota r »1014g/cm3
ß
Beznadějnost snah středověké alchymie o transmutaci prvků !
(o jádře neměli tušení, "škrábali" atomy jen po valenční slupce)
Paradox: alchymisté byli často i hvězdáři - netušili, že hvězdy jež v noci pozorují umějí to,
oč se marně snaží, ve velkém měřítku již miliardy let!

Jaderná fyzika: struktura atomových jader, silné a slabé (jaderné) interakce


Veškerou různorodost druhů a stavby atomových jader, jejich excitace a vyzařování i jaderné reakce, jaderná fyzika vysvětluje představou
protonů a neutronů obsazujících určité energetické hladiny
v poli jaderných sil.

Poznání vlastností elementárních částic
- leptony, baryony, hadrony
- kvarky, gluony ...
- částice – antičástice

Unitární teorie pole
Elektroslabé interakce - GUT (grandunifikační teorie) - Supergravitace - Superstruny

Schéma jednotlivých etap a postupů sjednocování 4 základních interakcí v přírodě (porobněji viz §B.6 "Sjednocování fundamentálních interakcí. Supergravitace. Superstruny." knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu").

Radioaktivita a jaderné reakce

Reakce (n,g ) – radiační záchyt pomalého neutronu – výroba b --zářičů v reaktoru
99Mo(
® 99mTc), 131J, 59Fe, 60Co, 137Cs, 133Xe, ......

Reakce (p, g ) – výroba b +-zářičů v urychlovači (cyklotronu)
201Tl, 67Ga, 111In, 81Rb(® 81mKr), 18F, 15O, 11C ........

Průmyslové využití záření
Defektoskopie, rentgen-fluorescenční analýza, neutronová aktivační analýza ...

Biologické využití záření

Vazbová energie nukleonů v jádrech ® jaderná energetika

Zízkávání energie z atomových jader - Jaderná energetika

235U + n ® »140X + »90Y +(2-3)n (+ 200 MeV ) ; 238U + n ® 239U ® (b -) 239Pu ® štěpení .....

- uvolní se cca 0,9 MeV/nukleon Ţ účinnost: < 0,1 % E=mc2

Naše pozemské snahy o využití jaderné energie jsou jen neumělými pokusy
napodobit to, co hvězdy umějí již miliardy let !

Co nám chybí ? - Silná gravitace.


Základní otázka:
Kde se v přírodě vzaly prvky?

Možnost č.1 :
Všechny prvky Bůh stvořil "svýma rukama" zároveň se stvořením světa
neboli
Všechny prvky vznikly již při vzniku vesmíru.
(a od té doby se již jenom vzájemně slučují)
Možnost č.2 :
Při vzniku vesmíru vznikly jen nejjednodušší prvky,
složitější (těžší) prvky vznikaly postupně během vývoje vesmíru:
- kosmická nukleogeneze -

ASTROFYZIKA - fyzikální jevy ve vesmíru

Jaderná astrofyzika
Aplikace zákonů a jevů jaderné fyziky na procesy probíhající ve vesmíru

KOSMOLOGIE - stavba a evoluce vesmíru jako celku

Vznik, vývoj a konec uzavřeného vesmíru :  
Raný vesmír – “velký třesk” – hadronová éra
ß
Leptonová éra – primordiální nukleosyntéza
ß
Éra záření
ß
Éra látky – formování k
up galaxií, galaxií, hvězd
ß
Další nukleosyntéza až ve hvězdách

Konec vesmíru :
otevřený vesmír Ţ tepelná smrt
uzavřený vesmír Ţ velký krach
Skrytá hmota :
“Hnědí trpaslíci” ?
Černé díry ?
Neutrina (klidová hmotnost?) ?
Jiné “exotické” částice ?

Pre - big-bang fáze + samotný velký třesk: nukleony ani jádra atomů neexistovaly.

1. Hadronová éra
~10-6 s < t ~ 10-4 s , r > 1014 g/cm3 , T > 1012 °K
Převážná část hmoty ve vesmíru byla tvořena směsicí vznikajících a anihilujících těžkých částic a antičástic se silnou interakcí (protonů, neutronů, mezonů, hyperonů - tj. hadronů), jejichž počet byl zhruba stejný jako fotonů a neutrin; mezi všemi těmito částicemi je termodynamická rovnováha. Dominující úlohu zde hraje silná interakce mezi hadrony.
Baryonová asymetrie
: přebytek nukleonů, činící zhruba 1 baryon na 10
8 částic.
Vznik částic

H
1
- pouze protony - jádra vodíku    
                                         
                                         
                                                                                         

2. Leptonová éra
~10-4 s < t < ~10 s , ~1014 g/cm3 > r > ~104 g/cm3, ~1012 > T > ~5.109 °K
Když teplota poklesne natolik, že k.T (k je Boltzmanova konstanta) je podstatně nižší než klidová energie protonu, nukleony a antinukleony vzájemně anihilují (vlivem baryonové asymetrie až na zmíněný malý přebytek nukleonů, který vedl ke vzniku látky jež nyní ve vesmíru je); hmota vesmíru pak převážně sestávala z rovnovážné směsi lehkých částic - fotonů, elektronů, pozitronů, neutrin a antineutrin .

Leptonová éra

volné neutrony jsou
nestabilní

- “záchrana” neutronů v héliu -

ß

prvotní nukleosyntéza

H
1
75% vodíku H , 25% hélia He He
2
                                         
                                         
                                                                                         

3. Éra záření
~10 s < t < ~1013 s @ 300 000 let, ~104 g/cm3 > r > ~10-21 g/cm3, ~1010 °K > T > 3.1010 °K
Na začátku tohoto stádia (zvaného též radiačně dominující éra fotonové plasmy) se ještě ukončuje synthéza hélia a anihilace elektronů s pozitrony. Když energie prvotních fotonů klesla pod 0,5 MeV, což odpovídá klidové energii elektronu, záření přestalo mít na další vývoj prvků ve vesmíru podstatný vliv.
- z hlediska nukleosyntézy se nic neděje

4. Éra látky (postrekombinační období),
která začíná dovršením rekombinace (cca 300 00 let po velkém třesku) a pokračuje dosud. Teplota látky, která se stává hlavním nositelem energie~hmotnosti, během expanze klesá jako a-2 a v současné době by měla dosahovat pouze asi 10-2 °K; teplota odděleného "reliktového" záření, měnící se jako a-1, poklesla z původních 3000 °K na dnešních asi 2,7°K. Expanze vesmíru přeměnila to, co bylo kdysi světlem, na mikrovlny.

Formování velkorozměrové struktury vesmíru

ß

Vznik galaxií a kup galaxií

ß

Vznik hvězd


Příběh kosmické nukleogeneze pokračuje a graduje !
aneb
termonukleární reakce v nitru hvězd

Ve smršťujícím se oblaku mohou vzniknout okrsky, v nichž gravitační kontrakce probíhá rychleji než v okolí (gravitační nestability). Z těchto jednotlivých okrsků se pak formují protohvězdy a nakonec hvězdy, které vznikají zpravidla ve skupinách.

Termonukleární reakce jako zdroj energie hvězd

  • Spalování vodíku H ® He (hvězda na hlavní posloupnosti HR diag.)
  • a) přímá proton-protonová reakce ( p = 1H )

    1.dílčí reakce: 1H + 1H ® 2D + e+ + n (+ 1,44 MeV)
    2.dílčí reakce: 2D + 1H ® 3He + g (+ 5,49 MeV)
    3.dílčí reakce: 3He + 3He ® 4He + 2 1H (+ 12,85 MeV)

    Celková energetická bilance: uvolnění 26,2 MeV = 4,2.10-12 J/jádro He

    b) CNO cyklus

    1.dílčí reakce: 12C + 1H ® 13N + g (+ 1,95 MeV)
    2.d
    ílčí reakce: 13N ® 13C + e+ + n (+ 2,22 MeV)
    3.dílčí reakce: 13C + 1H ® 14N + g (+ 7,54 MeV)
    4.dílčí reakce: 14N + 1H ® 15O + g (+ 7,35 MeV)
    5.dílčí reakce: 15O ® 15N + e+ + n (+ 2,71 MeV)
    6.dílčí reakce: 15N + 1H ® 12C + 4He (+ 4,96 MeV)

    Celková energetická bilance: uvolnění 25,0 MeV = 4,0.10-12 J/jádro He

    Obecně:
    Vazbová energie každého protonu v jádře He činí 0,007 m0 c2
    Ţ Účinnost termonukleárního spalování vodíku: » 0,007 m0 c2 ( » 0,7 % )

  • Spalování hélia He ® C (reakce 3a ® 12C+g )
  • 4He + 4He ® 8Be + g
    8Be + 4He
    ® 12C + g (+ 7,4 MeV)

  • Spalování uhlíku C ® O, kyslíku , ..... (a - procesy)
  • Může pokračovat při stoupající teplotě : (pokud je ještě dost hélia)

    12C + a ® 16O + g (+ 7,15 MeV)
    16O +
    a ® 20Ne + g (+ 4,75 MeV)
    20Ne +
    a ® 24Mg + g (+ 9,31 MeV)
    e t c . ......

    ¨ a - proces: záchyt částice a , reakce (a ,g ) - typicky až do 40Ca

    ¨ záchyt neutronů ; následný b- – rozpad:
    NAZ + n0
    ® N+1BZ + g ; N+1BZ (b- N+1CZ+1 + e- + g

    pomalý záchyt n0 (probíhá pomaleji než b –rozpad) - až do N=210
    rychlý záchyt - většinou v závěrečných stádiích

    Lehké hvězdy :
    Termonukleární reakce končí u lehčích prvků (např. Mg).
    Syntetizované prvky zůstanou gravitačně uvězněny uvnitř bílého trpaslíka
    - nemá význam pro kosmickou nukleosyntézu -
    Hmotné hvězdy (M > 6M¤) :
    Proběhne celá posloupnost termonukl. reakcí až po železo.
    Výbuch supernovy Ţ vyvržení syntetizovaných prvků + vznik těžkých prvků
    - hybná síla kosmické nukleosyntézy -

    Nukleosyntéza do Fe exotermický proces
    Nukleosyntéza nad Fe – endotermické reakce – až ve finálním stádiu hvězd

    H
    1
    ß horní vrstvy hvězdy ŕ                                   He
    2
    Li
    3
    Be
    4
    ß střední vrstvy hvězdy ŕ B
    5
    C
    6
    N
    7
    O
    8
    F
    9
    Ne
    10
    Na
    11
    Mg
    12
    ĺ nitro hvězdy ć Al
    13
    Si
    14
    P
    15
    S
    16
    Cl
    17
    Ar
    18
    K
    19
    Ca
    20
    Sc
    21
    Ti
    22
    V
    23
    Cr
    24
    Mn
    25
    Fe
    26
    Co
    27
                     
                                       
     
    Hvězdy - alchymistické kotle vesmíru

    Jak se těžší prvky “uvařené” hvězdou dostanou do okolního vesmíru ?
    aneb

    Závěrečné fáze života hvězd

    Bílý trpaslík (pokud zbylá hmotnost hvězdy < 1,5 Slunce)

    Konec hmotné hvězdy: M Výbuch supernovy

    Výbuch supernovy pozorovaný v r.1054 v Číně Dnes je na tom místě pozorována Krabí mlhovina obsahující uvnitř pulsar - rychle rotující neutronovou hvězdu
     
    H
    1
    Výbuch supernovy:                                  He
    2
    Li
    3
    Be
    4
    vznik i nejtěžších prvků B
    5
    C
    6
    N
    7
    O
    8
    F
    9
    Ne
    10
    Na
    11
    Mg
    12
    (vč. transuranů a radioaktivních isotopů) Al
    13
    Si
    14
    P
    15
    S
    16
    Cl
    17
    Ar
    18
    K
    19
    Ca
    20
    Sc
    21
    Ti
    22
    V
    23
    Cr
    24
    Mn
    25
    Fe
    26
    Co
    27
    Ni
    28
    Cu
    29
    Zn
    30
    Ga
    31
    Ge
    32
    As
    33
    Se
    34
    Br
    35
    Kr
    36
    Rb
    37
    Sr
    38
    Y
    39
    Zr
    40
    Nb
    41
    Mo
    42
    Tc
    43
    Ru
    44
    Rh
    45
    Pd
    46
    Ag
    47
    Cd
    48
    In
    49
    Sn
    50
    Sb
    51
    Te
    52
    I
    53
    Xe
    54
    Cs
    55
    Ba
    56
    La..
    î
    Hf
    72
    Ta
    73
    W
    74
    Re
    75
    Os
    76
    Ir
    77
    Pt
    78
    Au
    79
    Hg
    80
    Tl
    81
    Pb
    82
    Bi
    83
    Po
    84
    At
    85
    Rn
    86
    Fr
    87
    Ra
    88
    Ak..
    î
    Rf
    104
    Db
    105
    Sg
    106
    Bh
    107
    Hs
    108
    Mt
    109
    Ds
    110
    Rg
    111
    Uub
    112
    Uut
    113
    Uuq
    114
    Uup
    115
    Uuh
    116
    Uus
    117
    Uuo
    118
    + další těžší jádra + mnoho radioaktivních isotopů všech jader
    (zachovaly se jen stabilní prvky a radioaktivní jen s T1/2 > 108 let)
     
    Lanthanoidy :  La
    57
    Ce
    58
    Pr
    59
    Nd
    60
    Pm
    61
    Sm
    62
    Eu
    63
    Gd
    64
    Tb
    65
    Dy
    66
    Ho
    67
    Er
    68
    Tm
    69
    Yb
    70
    Lu
    71
    Aktinoidy :  Ac
    89
    Th
    90
    Pa
    91
    U
    92
    Np
    93
    Pu
    94
    Am
    95
    Cm
    96
    Bk
    97
    Cf
    98
    Es
    99
    Fm
    100
    Md
    101
    No
    102
    Lr
    103

     

    Relativní zastoupení prvků v přírodě v závislosti na jejich protonovém (atomovém) čísle Z, vztažené k vodíku Z=1.
    Nahoře:
    Nynější průměrné zastoupení prvků ve vesmíru. Dole: Výskyt prvků na Zemi (v zemské kůře) a terestrických planetách.
    Vzhledem k velkému rozpětí hodnot je relativní zastoupení prvků (vztažené k vodíku Z=1) na svislé ose vyneseno v logaritmickém měřítku; to ale může zvláště na horním grafu opticky zkreslit velký rozdíl v zastoupení vodíku a hélia oproti těžším prvkům..

    Z hlediska původu lze všechny prvky rozdělit na 3 skupiny:

    Obecné rozdělení hmoty :
             Hmota : ě látka - částice, atomová struktura
    î pole - rozprostřená forma hmoty (kvantovaná)
    Hmota ve vesmíru :

    ě svítící hmota - baryonická
    î nezářící - temná (skrytá) hmota
                        
    â                           ć
              í temná hmota î temná energie ?
      baryonická           nebaryonická (nebaryonická)
    Podle nynějších odhadů je ve vesmíru:
    cca 70% temné energie ; cca 25% temné hmoty (skryté, nezářící) ;
    jen
    » 4% běžné "svítící" (či absorbující) hmoty přístupné pozorování

    My se zde zabýváme evolucí baryonické hmoty složené z protonů, neutronů a elektronů

    Evoluce hmoty :
    Fyzikální stádium Jaderně-chemické stádium Chemické stádium Biologické stádium
    Vznik vesmíru - velký třesk
    4 fyzikální interakce
    Vznik polí a částic
    Gravitace - struktura vesmíru
    Jaderné reakce částic
    Nukleosyntéza prvků
    Expanze prvků do vesmíru
    Rekombinace
    - vznik atomů -
    Vznik sloučenin
    Reakce uhlovodíků
    Pre-biotické reakce
    Vznik buněk
    Evoluce organismů
    “ Všichni jsme potomky hvězd ! “
    Každý atom uhlíku, kyslíku, dusíku, síry, ... atd., v našem těle
    vznikl kdysi v nitru dávné hvězdy -

    (nyní již vyhořelé, zčásti vybuchlé, popř. zhroucené do neutronové hvězdy nebo černé díry)

    Pozemské osudy prvků:

    Formování sluneční soustavy a planety Země
    ß
    výběrové mechanismy Ţ jiné relativní zastoupení prvků v naší přírodě

    Gravitační výběrový faktor: vyšší zastoupení těžších prvků na planetách

    | Hélium - prvek boha Slunce |
    He - druhý nejhojnější prvek ve vesmíru (25%)
    Inertní lehký plyn, gravitace Země jej neudrží
    Ţ na Zemi vzácné.
    Poprve objeveno nikoli na Zemi ale na Slunci! -
    (Hélios = starořecký bůh Slunce).
    (
    P.Janssen r.1868 - spektrální čáry slunečního světla - neznámý "sluneční" prvek)
    Veškeré hélium na Zemi má sekundární původ: vzniklo a-radioaktivitou uranu a thoria
    (shromažďuje se v podzemních prostorech, spolu se zemním plynem)

    Časový výběrový faktor: veškerá radioaktivní jádra s T1/2 < 108 let se již rozpadla
    (zachoval se draslík 40K, thorium 232Th, uran 235,238U - primární radionuklidy)

    > Vzácné a umělé prvky >
    Aktinoidy (s výjimkou thoria a uranu), především transurany ® radioaktivní Ţ nezachovaly se;
    vyrábějí se uměle pomocí jaderných reakcí.
    Objevy nových transuranů - až do Z = 118 (ununoctium).
    Výjimka ze středu Medělejevovy tabulky:
    technecium Tc43 - nemá stabilní isotop.
    Všechny tyto prvky nyní vznikají uměle - v jaderných reaktorech nebo urychlovačích.

    Kosmogenní prvky
    Interakcemi
    kosmického záření s mezihvězdnou hmotou a ze zemskou atmosférou dochází k řadě jaderných reakcí Ţ vznikají kosmogenní prvky.

    Kosmogenní prvky:
    deuterium, lithium, berilium, bór - vznikají tříštěním těžších jader tvrdým kosm.zářením
    Kosmogenní radionuklidy:
    uhlík 14C, tritium 3H (+ stopové množství 7,10Be, 32P, 35S, 36Cl)


    Dodatek 1: Černé díry
    Při M
    > 2 M¤: Úplný relativistický gravitační kolaps Ţ černá díra

    Teorém “černá díra nemá vlasy

    Kvantová evaporace černé díry ( Hawkingův proces )

    Černá díra ® zde jaderná fyzika končí !
    Fyzika černých děr je podrobně probírána v kap.4 "Černé díry" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".


    Dodatek 2: Mikrofyzika a kosmologie
    4 typy interakcí v přírodě :

    Spekulativní otázka :
    “ Co by se stalo, kdyby Bůh zrušil ("vypnul" ) jednotlivé typy interakcí? ”
    Podrobnější diskuse viz pasáž "
    4 typy interakcí v přírodě" kap.5 "Elementární částice" pojednání "Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření".

    Vztah mikrofyziky a kosmologie :
    Relativistická kosmologie je podrobně probírána v kap.4 "Kosmologie" knihy "Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu".
    Unitární teorie polí a částic je diskutována v kap.B "
    Unitární teorie pole" téže monografie.


    Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu :
    Gravitace ve fyzice Obecná teorie relativity Geometrie a topologie
    Černé díry Relativistická kosmologie Unitární teorie pole
    Antropický princip aneb kosmický Bůh
    Jaderná fyzika a fyzika ionizujícího záření
    AstroNuklFyzika ® Jaderná fyzika - Astrofyzika - Kosmologie - Filosofie

    Vojtěch Ullmann