Кіріспе
Нуклеосинтез жолы
Ауалы нейтронды ұстау процесі, немесе s процесі – жұлдыздарда, әсіресе асимптотикалық алып тармақ жұлдыздарында болатын ядролық астрофизикадағы реакциялар тізбегі. s процесі темірден ауыр атом ядроларының шамамен жартысын құруға (нуклеосинтез) жауапты. s процесінде бастапқы ядро нейтронды ұстап алып, бір атомдық массасы жоғары изотопты түзеді. Егер жаңа изотоп тұрақты болса, массаның бірнеше рет артуы мүмкін, ал егер тұрақсыз болса, бета ыдырауы болып, келесі атомдық нөмірдегі элемент пайда болады. Процесс баяу (сондықтан осылай аталады) – яғни, келесі нейтрон ұсталар алдында радиоактивті ыдырауға жеткілікті уақыт бар. Мұндай реакциялар тізбегі нуклидтер кестесіндегі бета ыдырауының тұрақты изобарлар аңғарымен қозғалып, тұрақты изотоптарды тудырады. s процесі арқылы түрлі элементтер мен изотоптарды өндіруге болады, себебі реакция тізбегі бойында альфа ыдырау кезеңдері араласады. Элементтер мен изотоптардың салыстырмалы мөлшері нейтрондардың көзіне және олардың уақыт өте келегі ағынының өзгеруіне байланысты. s процесінің реакция тізбегінің әр тармағы ақырында қорғасын, висмут және полонийді қамтитын циклмен аяқталады. s процесі r процесінен өзгеше, онда нейтрондарды тікелей ұстау жылдам өтеді: олар бета ыдырауынан тез жүреді. r процесі бос нейтрондардың ағыны жоғары жағдайларда басым; ол s процесіне қарағанда ауыр элементтер мен нейтронға бай изотоптарды өндіреді. Екі процесс темірден ауыр химиялық элементтердің көп бөлігін құрайды.
The slow neutron capture process, or s process, is a series of reactions in nuclear astrophysics that occur in stars, particularly asymptotic giant branch stars. The s process is responsible for the creation (nucleosynthesis) of approximately half the atomic nuclei heavier than iron. In the s process, a seed nucleus undergoes neutron capture to form an isotope with one higher atomic mass. If the new isotope is stable, a series of increases in mass can occur, but if it is unstable, then beta decay will occur, producing an element of the next higher atomic number. The process is slow (hence the name) in the sense that there is sufficient time for this radioactive decay to occur before another neutron is captured. A series of these reactions produces stable isotopes by moving along the valley of beta decay stable isobars in the table of nuclides. A range of elements and isotopes can be produced by the s process, because of the intervention of alpha decay steps along the reaction chain. The relative abundances of elements and isotopes produced depends on the source of the neutrons and how their flux changes over time. Each branch of the s process reaction chain eventually terminates at a cycle involving lead, bismuth, and polonium. The s process contrasts with the r process, in which successive neutron captures are rapid: they happen more quickly than the beta decay can occur. The r process dominates in environments with higher fluxes of free neutrons; it produces heavier elements and more neutron rich isotopes than the s process. Together the two processes account for most of the relative abundance of chemical elements heavier than iron.
Тарих
S процесі ауыр элементтердің изотоптарының салыстырмалы мөлшерінен және Ханс Сьюсс пен Гарольд Юридің 1956 жылы жариялаған жаңа мөлшер кестесінен қажеттілік туды. Бұл деректерде стронций, барий және қорғасынның мөлшерінің ең жоғары деңгейі байқалды, олар кванттық механика мен ядролық қабық моделіне сәйкес, химиялық жағынан инертті асыл газдар сияқты өте тұрақты ядролар болып табылады. Бұл, кейбір мөлшерлі ядролар баяу нейтронды ұстау арқылы пайда болуы керек екенін көрсетті, ал мәселе басқа ядроларды осы процесс арқылы қалай есепке алуға болатынын анықтау болып тұрды. 1957 жылы жарияланған белгілі B2FH шолу мақаласында s және r процестері арасындағы ауыр изотоптарды бөлу кестесі келтірілді. Сондай-ақ, онда s процесінің қызыл алып жұлдыздарда жүретіні айтылды. Әсіресе, 4,2 миллион жылдық ең ұзақ жартылай өмірге ие техеций элементі 1952 жылы Пол В. Мерриллдің s, M және N типті жұлдыздарда табылды. Бұл жұлдыздардың жасы миллиардтаған жылдарға жететіні ескерілгенде, олардың сыртқы атмосферасында техецийдің болуы оның жақында пайда болғанын көрсетеді, бұл жұлдыздың терең ішкі бөлігіндегі ядролық синтезбен байланысты емес, оның қуатын қамтамасыз етеді. 1961 жылға дейін темір ядроларынан ауыр изотоптарды уақытқа байланысты түрде жасауға арналған есептеу моделі ұсынылмады. Бұл жұмыс, астрономдардың кейбір қызыл алып жұлдыздарда байқаған барийдің жоғары мөлшерін, егер жалпы нейтрондық ағын (бірлік ауданға шаққандағы нейтрондар саны) тиісті болса, темір ядроларынан пайда болуы мүмкін екенін көрсетті. Сондай-ақ, байқалған s процесінің мөлшерін түсіндіру үшін нейтрондық ағынның бір ғана мәні жеткіліксіз екені, ал кең ауқым қажеттігі анықталды. Белгілі бір ағынға ұшыраған темір ядроларының саны ағын күшейген сайын азаюы керек. Бұл зерттеу сонымен қатар нейтронды ұстау қимасы мен мөлшерінің көбейтіндісінің қисығы B2FH-тың салған тегіс төмендейтін қисық емес, керісінше, тік құлаумен сипатталатын құрылымға ие екенін көрсетті. 1970 жылдардағы Дональд Д. Клейтонның бірқатар мақалалары, нейтрондық ағынды экспоненциалды түрде төмендетуді, темір ядроларының санының функциясы ретінде пайдаланды, s процесінің стандартты моделіне айналды және AGB жұлдыздық нуклеосинтезі туралы мәліметтер жеткілікті деңгейге жеткенше, жұлдыздық құрылым модельдеріне негізделген s процесі элементтерінің қалыптасуының стандартты моделі болып қала берді. Нейтронды ұстау қимасының маңызды өлшемдері сериясы 1965 жылы Оук Ридж Ұлттық зертханасынан және 1982 жылы Карлсруэ ядролық физика орталығынан жарияланды, содан кейін бұл s процесін қазіргі күні қолданылатын берік сандық негізге қойды.
Жұлдыз шаңымен өлшенген s-процесс
Жұлдыз шаңы – ғарыш шаңының бір құрауы. Жұлдыз шаңы – бұл ұзақ уақыт бұрын өлген жұлдыздардың массасы азайған кезде конденсатталған жеке қатты түйіршіктер. Жұлдыз шаңы Күн жүйесінің тууына дейін жұлдызаралық газдың барлық бөлігінде болды және Күн жүйесінің ерте кезеңдеріндегі планеталық аккрециялық дискідегі жұлдызаралық материядан жиналған метеориттерде тұтқындалды. Бүгінде олар метеориттерде табылады, онда олар сақталған. Метеориттер зерттеушілері оларды әдетте Күн алды тұқымдары деп атайды. S-процесімен байытылған түйіршіктердің көпшілігі кремний карбидінен (SiC) тұрады. Бұл түйіршіктердің пайда болуы зертханалық өлшемдер арқылы расталды, олар түйіршіктер ішіндегі өте ерекше изотоптық қатынастарды көрсетті. S-процесінің ксенон изотоптарын алғашқы рет тәжірибелік жолмен 1978 жылы анықтады, бұл s-процесінің изотоптары қызыл алып жұлдыздардың жұлдыз шаңында байытылып, тазаға жуық болатыны туралы бұрынғы болжамдарды растады. Бұл жаңалықтар астрофизика және Күн жүйесіндегі метеориттердің пайда болуы туралы жаңа түсініктерге жол ашты. Кремний карбиді (SiC) түйіршіктері AGB жұлдыздарының атмосферасында конденсатталады, соның салдарынан сол жұлдызда болған изотоптық қатынастарды сақтайды. AGB жұлдыздары галактикадағы s-процесінің негізгі орны болғандықтан, SiC түйіршіктеріндегі ауыр элементтер темірден ауыр элементтерде s-процесінің таза изотоптарын қамтиды. Бұл факт осы жұлдыз шаңының Күн алды тұқымдарының иондық массалық спектрометриялық зерттеулерімен бірнеше рет дәлелденді. Бірнеше күтпеген нәтижелер көрсеткендей, олардың ішінде s-процесі мен r-процесінің молдықтары арақатынасы бұрынғы есептеулерден біршама өзгеше. Криптон мен ксенонның тұтқындалған изотоптары арқылы AGB жұлдыздарының атмосферасындағы s-процесінің молдығы уақыт өте келе немесе жұлдыздан жұлдызға өзгеретіні көрсетілді, бұл сол жұлдыздағы нейтрондық ағын күшіне немесе температураға байланысты болуы мүмкін. Бұл 2000-ші жылдардағы s-процесін зерттеудің шекарасы болып табылады.