این مقاله دربارهٔ مطالعهٔ هستههای اتم است. برای دیگر کاربردها، به فیزیک هستهای (ابهامزدایی) مراجعه کنید .
| فیزیک هستهای |
|---|
 |
طبقهبندی نوکلیدها |
پایداری هستهای |
ثبت فرآیندها |
فرآیندهای پرانرژی |
فیزیک هستهای شاخهای از فیزیک است که علاوه بر مطالعه سایر اشکال ماده هستهای، هستههای اتمی و اجزای تشکیلدهنده و برهمکنشهای آنها را نیز مطالعه میکند .
فیزیک هستهای را نباید با فیزیک اتمی که به مطالعه اتم به عنوان یک کل، از جمله الکترونهای آن میپردازد، اشتباه گرفت .
اکتشافات در فیزیک هستهای منجر به کاربردهایی در زمینههای بسیاری مانند انرژی هستهای ، سلاحهای هستهای ، پزشکی هستهای و تصویربرداری تشدید مغناطیسی ، ایزوتوپهای صنعتی و کشاورزی، کاشت یون در مهندسی مواد و تاریخگذاری رادیوکربن در زمینشناسی و باستانشناسی شده است. چنین کاربردهایی در حوزه مهندسی هستهای مورد مطالعه قرار میگیرند .
فیزیک ذرات از فیزیک هستهای تکامل یافته و این دو رشته معمولاً در ارتباط نزدیک با هم تدریس میشوند. اخترفیزیک هستهای ، کاربرد فیزیک هستهای در اخترفیزیک ، در توضیح سازوکار درونی ستارگان و منشأ عناصر شیمیایی بسیار مهم است .
تاریخچه
از دهه ۱۹۲۰، اتاقکهای ابر نقش مهمی در آشکارسازهای ذرات ایفا کردند و در نهایت منجر به کشف پوزیترون ، میون و کائون شدند .
تاریخچه فیزیک هستهای به عنوان یک رشته علمی متمایز از فیزیک اتمی ، با کشف رادیواکتیویته توسط هنری بکرل در سال 1896 آغاز میشود، [ 1 ] که هنگام بررسی فسفرسانس در نمکهای اورانیوم انجام شد . [ 2 ] کشف الکترون توسط جی . جی. تامسون [ 3 ] یک سال بعد نشانهای از ساختار داخلی اتم بود. در آغاز قرن بیستم، مدل پذیرفته شده اتم، مدل "پودینگ آلو" جی. جی. تامسون بود که در آن اتم یک توپ با بار مثبت بود که الکترونهای کوچکتر با بار منفی در داخل آن قرار داشتند.
در سالهای پس از آن، رادیواکتیویته به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفت، به ویژه توسط ماری کوری ، فیزیکدان لهستانی که نام خانوادگی قبلیاش اسکلودوسکا بود، پیر کوری ، ارنست رادرفورد و دیگران. با آغاز قرن بیستم، فیزیکدانان همچنین سه نوع تابش ساطع شده از اتمها را کشف کردند که آنها را تابش آلفا ، بتا و گاما نامیدند . آزمایشهای اتو هان در سال ۱۹۱۱ و جیمز چادویک در سال ۱۹۱۴ نشان داد که طیف واپاشی بتا پیوسته است و نه گسسته. یعنی الکترونها با طیف پیوستهای از انرژی از اتم خارج میشوند، نه با مقادیر گسسته انرژی که در واپاشیهای گاما و آلفا مشاهده میشود. این موضوع در آن زمان برای فیزیک هستهای یک مشکل بود، زیرا به نظر میرسید نشان میدهد که انرژی در این واپاشیها پایسته نمیماند .
جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۰۳ به طور مشترک به بکرل، به خاطر کشفش و به ماری و پیر کوری به خاطر تحقیقات بعدیشان در مورد رادیواکتیویته اهدا شد. رادرفورد در سال ۱۹۰۸ به خاطر «تحقیقاتش در مورد تجزیه عناصر و شیمی مواد رادیواکتیو» جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد.
در سال ۱۹۰۵، آلبرت انیشتین ایده همارزی جرم و انرژی را فرمولبندی کرد . در حالی که کار بکرل و ماری کوری روی رادیواکتیویته پیش از این انجام شده بود، توضیح منبع انرژی رادیواکتیویته باید منتظر کشف این موضوع میبود که خود هسته از اجزای کوچکتری به نام نوکلئونها تشکیل شده است .
رادرفورد هسته را کشف کرد
در سال 1906، ارنست رادرفورد مقالهای با عنوان «کندی ذره آلفا از رادیوم در عبور از ماده» منتشر کرد. [ 4 ] هانس گایگر در نامهای به انجمن سلطنتی [ 5 ] این کار را با آزمایشهایی که او و رادرفورد انجام داده بودند، گسترش داد و ذرات آلفا را از هوا، فویل آلومینیومی و ورق طلا عبور داد. کارهای بیشتری در سال 1909 توسط گایگر و ارنست مارسدن منتشر شد ، [ 6 ] و کارهای بسیار گستردهتری در سال 1910 توسط گایگر منتشر شد . [ 7 ] در سالهای 1911-1912، رادرفورد برای توضیح آزمایشها و ارائه نظریه جدید هسته اتم، آنطور که اکنون آن را درک میکنیم، به انجمن سلطنتی مراجعه کرد.
این مقاله که در سال 1909 منتشر شد، [ 8 ] و در نهایت تحلیل کلاسیک آن توسط رادرفورد در ماه مه 1911 منتشر شد، [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] ، آزمایش کلیدی پیشگیرانه در سال 1909 انجام شد، [ 9 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] در دانشگاه منچستر . دستیار ارنست رادرفورد، پروفسور [ 15 ] یوهانس [ 14 ] "هانس" گایگر، و دانشجوی کارشناسی، مارسدن، [ 15 ] آزمایشی انجام دادند که در آن گایگر و مارسدن تحت نظارت رادرفورد ذرات آلفا ( هستههای هلیوم 4 [ 16 ] ) را به یک لایه نازک از فویل طلا شلیک کردند . مدل پودینگ آلو پیشبینی کرده بود که ذرات آلفا باید از فویل خارج شوند و مسیر آنها حداکثر کمی خمیده باشد. اما رادرفورد به تیمش دستور داد تا به دنبال چیزی بگردند که مشاهده آن او را شوکه کرد: چند ذره در زوایای بزرگ، حتی در برخی موارد کاملاً به عقب، پراکنده شدند. او این را به شلیک گلوله به دستمال کاغذی و برگشت آن تشبیه کرد. این کشف، با تجزیه و تحلیل رادرفورد از دادهها در سال ۱۹۱۱، منجر به مدل رادرفورد از اتم شد که در آن اتم دارای یک هسته بسیار کوچک و بسیار متراکم بود که بیشتر جرم آن را تشکیل میداد و از ذرات سنگین با بار مثبت با الکترونهای جاسازیشده برای متعادل کردن بار تشکیل شده بود (زیرا نوترون ناشناخته بود). به عنوان مثال، در این مدل (که مدل مدرن نیست) نیتروژن-۱۴ از هستهای با ۱۴ پروتون و ۷ الکترون (۲۱ ذره در مجموع) تشکیل شده بود و هسته توسط ۷ الکترون در حال چرخش دیگر احاطه شده بود.
ادینگتون و همجوشی هستهای ستارهای
حدود سال ۱۹۲۰، آرتور ادینگتون در مقاله خود با عنوان «ساختار داخلی ستارگان» ، کشف و مکانیسم فرآیندهای همجوشی هستهای در ستارگان را پیشبینی کرد . [ 17 ] [ 18 ] در آن زمان، منبع انرژی ستارگان یک راز کامل بود؛ ادینگتون به درستی حدس زد که منبع، همجوشی هیدروژن به هلیوم است که طبق معادله E = mc^ 2 انیشتین، انرژی عظیمی آزاد میکند. این یک پیشرفت بسیار قابل توجه بود، زیرا در آن زمان، همجوشی و انرژی گرماهستهای، و حتی اینکه ستارگان عمدتاً از هیدروژن تشکیل شدهاند ( به فلزی بودن مراجعه کنید )، هنوز کشف نشده بودند.
مطالعات اسپین هستهای
مدل رادرفورد تا زمانی که مطالعات اسپین هستهای توسط فرانکو راستتی در موسسه فناوری کالیفرنیا در سال ۱۹۲۹ انجام شد، کاملاً خوب عمل میکرد . تا سال ۱۹۲۵ مشخص شده بود که پروتونها و الکترونها هر کدام اسپینی برابر با ± دارند.+۱⁄۲ . در مدل رادرفورد از نیتروژن-۱۴، ۲۰ ذره از مجموع ۲۱ ذره هستهای باید با هم جفت شده و اسپین یکدیگر را خنثی کنند و ذره فرد نهایی باید با اسپین خالص ۱⁄۲ از هسته خارج شده باشد . با این حال ، راستی کشف کرد که نیتروژن-۱۴ اسپین ۱ دارد.
جیمز چادویک نوترون را کشف کرد
نوشتار اصلی: کشف نوترون
در سال ۱۹۳۲، چادویک متوجه شد که تابشی که توسط والتر بوته ، هربرت بکر ، ایرن و فردریک ژولیو-کوری مشاهده شده بود ، در واقع ناشی از یک ذره خنثی با جرم تقریباً مشابه پروتون است که او آن را نوترون نامید (به دنبال پیشنهادی از رادرفورد در مورد نیاز به چنین ذرهای). [ 19 ] در همان سال ، دیمیتری ایواننکو پیشنهاد کرد که هیچ الکترونی در هسته وجود ندارد - فقط پروتون و نوترون - و نوترونها ذراتی با اسپین ۱⁄۲ هستند که جرم ناشی از پروتونها را توضیح نمیدهد. اسپین نوترون بلافاصله مشکل اسپین نیتروژن-۱۴ را حل کرد، زیرا یک پروتون جفت نشده و یک نوترون جفت نشده در این مدل ، هر کدام اسپین ۱⁄۲ را در یک جهت ایجاد میکنند و اسپین کل نهایی ۱ میشود.
با کشف نوترون، دانشمندان بالاخره توانستند با مقایسه جرم هسته با جرم پروتونها و نوترونهای تشکیلدهنده آن، کسری از انرژی پیوندی هر هسته را محاسبه کنند. تفاوت بین جرمهای هسته به این روش محاسبه شد. هنگامی که واکنشهای هستهای اندازهگیری شدند، مشخص شد که این واکنشها با محاسبه همارزی جرم و انرژی اینشتین در سال ۱۹۳۴ با دقت ۱٪ مطابقت دارند.
معادلات پروکا برای میدان بوزون برداری عظیم
الکساندرو پروکا اولین کسی بود که معادلات میدان بوزون برداری عظیم و نظریهای در مورد میدان مزونی نیروهای هستهای را توسعه و گزارش داد . معادلات پروکا برای ولفگانگ پائولی [ 20 ] که در سخنرانی نوبل خود به این معادلات اشاره کرد، شناخته شده بود و همچنین برای یوکاوا، ونتزل، تاکتانی، ساکاتا، کمر، هایتلر و فرولیچ که از محتوای معادلات پروکا برای توسعه نظریهای در مورد هستههای اتمی در فیزیک هستهای قدردانی میکردند، شناخته شده بود. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]
مزون یوکاوا، فرض بر این بود که هستهها را به هم متصل میکند
در سال 1935، هیدکی یوکاوا [ 26 ] اولین نظریه مهم نیروی قوی را برای توضیح چگونگی حفظ انسجام هسته ارائه داد. در برهمکنش یوکاوا ، یک ذره مجازی که بعدها مزون نامیده شد ، واسطه نیرویی بین همه نوکلئونها، از جمله پروتونها و نوترونها، بود. این نیرو توضیح داد که چرا هستهها تحت تأثیر دافعه پروتون از هم نمیپاشند و همچنین توضیح داد که چرا نیروی قوی جاذبه برد محدودتری نسبت به دافعه الکترومغناطیسی بین پروتونها دارد. بعدها، کشف مزون پی نشان داد که این ذره خواص ذره یوکاوا را دارد.
با مقالات یوکاوا، مدل مدرن اتم کامل شد. مرکز اتم شامل یک توپ محکم از نوترونها و پروتونها است که توسط نیروی هستهای قوی در کنار هم نگه داشته میشود، مگر اینکه خیلی بزرگ باشد. هستههای ناپایدار ممکن است دچار واپاشی آلفا شوند که در آن یک هسته هلیوم پرانرژی ساطع میکنند، یا دچار واپاشی بتا شوند که در آن یک الکترون (یا پوزیترون ) را خارج میکنند. پس از یکی از این واپاشیها، هسته حاصل ممکن است در حالت برانگیخته باقی بماند و در این حالت با انتشار فوتونهای پرانرژی (واپاشی گاما) به حالت پایه خود واپاشی میکند.
مطالعه نیروهای هستهای قوی و ضعیف (که دومی توسط انریکو فرمی از طریق برهمکنش فرمی در سال ۱۹۳۴ توضیح داده شد) فیزیکدانان را به سمت برخورد هستهها و الکترونها در انرژیهای بالاتر سوق داد. این تحقیق به علم فیزیک ذرات تبدیل شد که گوهر تاج آن مدل استاندارد فیزیک ذرات است که نیروهای قوی، ضعیف و الکترومغناطیسی را توصیف میکند .
فیزیک هستهای مدرن
مقالات اصلی: مدل قطره مایع ، مدل پوسته هستهای و ساختار هستهای
یک هسته سنگین میتواند شامل صدها نوکلئون باشد . این بدان معناست که با کمی تقریب میتوان آن را به عنوان یک سیستم کلاسیکی ، نه یک سیستم کوانتومی-مکانیکی ، در نظر گرفت . در مدل قطره مایع حاصل ، [ 27 ] هسته دارای انرژیای است که بخشی از آن از کشش سطحی و بخشی از آن از دافعه الکتریکی پروتونها ناشی میشود. مدل قطره مایع قادر به بازتولید بسیاری از ویژگیهای هستهها، از جمله روند کلی انرژی پیوند نسبت به عدد جرمی، و همچنین پدیده شکافت هستهای است .
با این حال، اثرات مکانیک کوانتومی بر این تصویر کلاسیک افزوده میشوند که میتوان آنها را با استفاده از مدل پوسته هستهای توصیف کرد ، که عمدتاً توسط ماریا گوپرت مایر [ 28 ] و جی. هانس دی. جنسن توسعه داده شده است . [ 29 ] هستههایی با تعداد " جادویی " مشخصی از نوترونها و پروتونها به طور ویژه پایدار هستند، زیرا پوستههای آنها پر شده است.
مدلهای پیچیدهتری نیز برای هسته پیشنهاد شدهاند، مانند مدل بوزون برهمکنشی ، که در آن جفتهای نوترون و پروتون به عنوان بوزون با هم برهمکنش میکنند .
روشهای Ab initio سعی میکنند مسئلهی بسذرهای هستهای را از پایه حل کنند و از نوکلئونها و برهمکنشهای آنها شروع کنند. [ 30 ]
بخش عمدهای از تحقیقات فعلی در فیزیک هستهای مربوط به مطالعه هستهها در شرایط شدید مانند اسپین بالا و انرژی برانگیختگی است. هستهها همچنین ممکن است شکلهای شدید (شبیه به توپهای راگبی یا حتی گلابی ) یا نسبتهای شدید نوترون به پروتون داشته باشند. آزمایشگران میتوانند چنین هستههایی را با استفاده از واکنشهای همجوشی یا انتقال نوکلئون که به صورت مصنوعی القا میشوند، با استفاده از پرتوهای یونی از یک شتابدهنده، ایجاد کنند . پرتوهایی با انرژیهای حتی بالاتر میتوانند برای ایجاد هستهها در دماهای بسیار بالا استفاده شوند و نشانههایی وجود دارد که این آزمایشها یک گذار فاز از ماده هستهای معمولی به حالت جدیدی، پلاسمای کوارک-گلوئون ، ایجاد کردهاند که در آن کوارکها به جای اینکه مانند نوترونها و پروتونها به صورت سهتایی از هم جدا شوند، با یکدیگر در میآمیزند.
واپاشی هستهای
مقالات اصلی: رادیواکتیویته و دره پایداری
هشتاد عنصر حداقل یک ایزوتوپ پایدار دارند که هرگز واپاشی آن مشاهده نشده است، که در مجموع حدود ۲۵۱ نوکلئید پایدار را تشکیل میدهد. با این حال، هزاران ایزوتوپ به عنوان ناپایدار شناخته شدهاند. این "رادیوایزوتوپها" در مقیاسهای زمانی از کسری از ثانیه تا تریلیونها سال واپاشی میکنند. انرژی اتصال نوکلئیدها که بر روی نمودار به عنوان تابعی از اعداد اتمی و نوترونی رسم شده است، چیزی را تشکیل میدهد که به عنوان دره پایداری شناخته میشود . نوکلئیدهای پایدار در امتداد کف این دره انرژی قرار دارند، در حالی که نوکلئیدهای به طور فزایندهای ناپایدار در دیوارههای دره قرار دارند، یعنی انرژی اتصال ضعیفتری دارند.
پایدارترین هستهها در محدودهها یا تعادلهای خاصی از ترکیب نوترونها و پروتونها قرار میگیرند: تعداد خیلی کم یا خیلی زیاد نوترونها (نسبت به تعداد پروتونها) باعث واپاشی آن میشود. به عنوان مثال، در واپاشی بتا ، یک اتم نیتروژن -16 (7 پروتون، 9 نوترون) ظرف چند ثانیه پس از ایجاد شدن به یک اتم اکسیژن -16 (8 پروتون، 8 نوترون) [ 31 ] تبدیل میشود. در این واپاشی، یک نوترون در هسته نیتروژن توسط برهمکنش ضعیف به یک پروتون، یک الکترون و یک آنتینوترینو تبدیل میشود . عنصر به عنصر دیگری با تعداد پروتونهای متفاوت تبدیل میشود.
در واپاشی آلفا ، که معمولاً در سنگینترین هستهها رخ میدهد، عنصر رادیواکتیو با انتشار یک هسته هلیوم (۲ پروتون و ۲ نوترون) واپاشی میکند و عنصر دیگری به علاوه هلیوم-۴ تولید میکند. در بسیاری از موارد، این فرآیند از طریق چندین مرحله از این نوع، از جمله انواع دیگر واپاشیها (معمولاً واپاشی بتا) تا تشکیل یک عنصر پایدار ادامه مییابد .
در واپاشی گاما ، یک هسته با انتشار پرتو گاما از حالت برانگیخته به حالت انرژی پایینتر واپاشی میکند . در این فرآیند، عنصر به عنصر دیگری تبدیل نمیشود (هیچ تبدیل هستهای در کار نیست).
واپاشیهای عجیب و غریب دیگری نیز امکانپذیر است (به اولین مقاله اصلی مراجعه کنید). برای مثال، در واپاشی تبدیل داخلی ، انرژی حاصل از یک هسته برانگیخته ممکن است یکی از الکترونهای مداری داخلی را از اتم خارج کند، در فرآیندی که الکترونهای پرسرعت تولید میکند اما واپاشی بتا نیست و (برخلاف واپاشی بتا) یک عنصر را به عنصر دیگر تبدیل نمیکند.
همجوشی هستهای
در همجوشی هستهای ، دو هسته با جرم کم در تماس بسیار نزدیکی با یکدیگر قرار میگیرند، به طوری که نیروی قوی آنها را با هم ترکیب میکند. برای غلبه بر دافعه الکتریکی بین هستهها توسط نیروهای قوی یا هستهای، به مقدار زیادی انرژی نیاز است تا آنها با هم ترکیب شوند. بنابراین همجوشی هستهای فقط در دماهای بسیار بالا یا فشارهای بالا میتواند رخ دهد. هنگامی که هستهها با هم ترکیب میشوند، مقدار بسیار زیادی انرژی آزاد میشود و هسته ترکیبی سطح انرژی پایینتری را به خود میگیرد. انرژی اتصال به ازای هر نوکلئون با عدد جرمی تا نیکل -۶۲ افزایش مییابد. ستارگانی مانند خورشید با همجوشی چهار پروتون به یک هسته هلیوم، دو پوزیترون و دو نوترینو نیرو میگیرند . همجوشی کنترل نشده هیدروژن به هلیوم به عنوان فرار گرماهستهای شناخته میشود. مرز تحقیقات فعلی در موسسات مختلف، به عنوان مثال چنبره مشترک اروپایی (JET) و ITER ، توسعه یک روش اقتصادی و مقرون به صرفه برای استفاده از انرژی حاصل از یک واکنش همجوشی کنترل شده است. همجوشی هستهای منشأ انرژی (از جمله به شکل نور و سایر تابشهای الکترومغناطیسی) تولید شده توسط هسته همه ستارگان از جمله خورشید خودمان است.
شکافت هستهای
شکافت هستهای فرآیند معکوس همجوشی است. برای هستههای سنگینتر از نیکل-۶۲، انرژی اتصال به ازای هر نوکلئون با افزایش عدد جرمی کاهش مییابد. بنابراین، اگر یک هسته سنگین به دو هسته سبکتر تجزیه شود، ممکن است انرژی آزاد شود.
فرآیند واپاشی آلفا در اصل نوع خاصی از شکافت هستهای خودبهخودی است . این یک شکافت بسیار نامتقارن است زیرا چهار ذرهای که ذره آلفا را تشکیل میدهند، به طور ویژهای به یکدیگر متصل شدهاند و تولید این هسته در شکافت را به ویژه محتمل میکنند.
از چندین هسته بسیار سنگین که شکافت آنها نوترونهای آزاد تولید میکند و همچنین به راحتی نوترونها را برای شروع شکافت جذب میکنند، میتوان نوعی شکافت خوداشتعالشونده با نوترون را در یک واکنش زنجیرهای به دست آورد . واکنشهای زنجیرهای قبل از فیزیک در شیمی شناخته شده بودند و در واقع بسیاری از فرآیندهای آشنا مانند آتشسوزیها و انفجارهای شیمیایی، واکنشهای زنجیرهای شیمیایی هستند. شکافت یا واکنش زنجیرهای "هستهای" ، با استفاده از نوترونهای تولید شده توسط شکافت، منبع انرژی نیروگاههای هستهای و بمبهای هستهای از نوع شکافت، مانند بمبهایی که در هیروشیما و ناگازاکی ژاپن در پایان جنگ جهانی دوم منفجر شدند، است . هستههای سنگین مانند اورانیوم و توریم نیز ممکن است دچار شکافت خودبهخودی شوند ، اما احتمال واپاشی آنها با واپاشی آلفا بسیار بیشتر است.
برای وقوع یک واکنش زنجیرهای آغاز شده توسط نوترون، باید جرم بحرانی از ایزوتوپ مربوطه در یک فضای خاص تحت شرایط خاص وجود داشته باشد. شرایط برای کوچکترین جرم بحرانی مستلزم حفظ نوترونهای ساطع شده و همچنین کند شدن یا تعدیل آنها است به طوری که سطح مقطع یا احتمال بیشتری برای شروع شکافت دیگر توسط آنها وجود داشته باشد. در دو منطقه اوکلو ، گابن، آفریقا، راکتورهای شکافت هستهای طبیعی بیش از 1.5 میلیارد سال پیش فعال بودند. [ 32 ] اندازهگیریهای انتشار نوترینوی طبیعی نشان داده است که حدود نیمی از گرمای ساطع شده از هسته زمین ناشی از واپاشی رادیواکتیو است. با این حال، مشخص نیست که آیا هیچ یک از این موارد ناشی از واکنشهای زنجیرهای شکافت است یا خیر. [ 33 ]
تولید عناصر "سنگین"
مقاله اصلی: نوکلئوسنتز
طبق این نظریه، با سرد شدن جهان پس از بیگ بنگ، سرانجام وجود ذرات زیر اتمی رایج (نوترون، پروتون و الکترون) به شکلی که ما میشناسیم، امکانپذیر شد. رایجترین ذرات ایجاد شده در بیگ بنگ که امروزه هنوز هم به راحتی برای ما قابل مشاهده هستند، پروتونها و الکترونها (به تعداد مساوی) بودند. پروتونها در نهایت اتمهای هیدروژن را تشکیل دادند. تقریباً تمام نوترونهای ایجاد شده در بیگ بنگ در سه دقیقه اول پس از بیگ بنگ جذب هلیوم-۴ شدند و این هلیوم بیشتر هلیوم موجود در جهان امروز را تشکیل میدهد (به هستهزایی بیگ بنگ مراجعه کنید ).
برخی از مقادیر نسبتاً کمی از عناصر فراتر از هلیوم (لیتیوم، بریلیم و شاید مقداری بور) در بیگ بنگ، با برخورد پروتونها و نوترونها با یکدیگر، ایجاد شدند، اما تمام «عناصر سنگینتر» (کربن، عنصر شماره ۶ و عناصر با عدد اتمی بیشتر) که امروزه میبینیم، در طول یک سری مراحل همجوشی، مانند زنجیره پروتون-پروتون ، چرخه CNO و فرآیند سهگانه آلفا، درون ستارگان ایجاد شدند . عناصر سنگینتر به تدریج در طول تکامل یک ستاره ایجاد میشوند .
انرژی فقط در فرآیندهای همجوشی شامل اتمهای کوچکتر از آهن آزاد میشود، زیرا انرژی اتصال به ازای هر نوکلئون در اطراف آهن (56 نوکلئون) به اوج خود میرسد. از آنجایی که ایجاد هستههای سنگینتر از طریق همجوشی نیاز به انرژی دارد، طبیعت به فرآیند جذب نوترون متوسل میشود. نوترونها (به دلیل نداشتن بار) به راحتی توسط هسته جذب میشوند. عناصر سنگین یا توسط فرآیند جذب نوترون آهسته (به اصطلاح فرآیند s ) یا فرآیند سریع یا r ایجاد میشوند . فرآیند s در ستارگان تپنده حرارتی (به نام AGB یا ستارههای شاخه غول مجانبی) رخ میدهد و صدها تا هزاران سال طول میکشد تا به سنگینترین عناصر سرب و بیسموت برسد. تصور میشود فرآیند r در انفجارهای ابرنواختری رخ میدهد که شرایط لازم برای دمای بالا، شار نوترونی بالا و ماده پرتاب شده را فراهم میکنند. این شرایط ستارهای باعث میشود که جذب نوترونهای متوالی بسیار سریع انجام شود، که شامل گونههای بسیار غنی از نوترون است که سپس به عناصر سنگینتر واپاشی بتا میکنند، به خصوص در نقاط به اصطلاح انتظار که مربوط به هستههای پایدارتر با پوستههای نوترونی بسته (اعداد جادویی) هستند.
در این وبلاگ به ریاضیات و کاربردهای آن و تحقیقات در آنها پرداخته می شود. مطالب در این وبلاگ ترجمه سطحی و اولیه است و کامل نیست.در صورتی سوال یا نظری در زمینه ریاضیات دارید مطرح نمایید .در صورت امکان به آن می پردازم. من دوست دارم برای یافتن پاسخ به سوالات و حل پروژه های علمی با دیگران همکاری نمایم.در صورتی که شما هم بامن هم عقیده هستید با من تماس بگیرید.