Введение
Относительное содержание химических элементов
Правило Оддо — Харкинса утверждает, что элемент с четным атомным номером встречается чаще, чем элементы с непосредственно соседними атомными номерами. Например, углерод с атомным номером 6 более распространен, чем бор (5) и азот (7). Как правило, относительное содержание элемента с четным атомным номером примерно на два порядка величины превышает относительное содержание непосредственно прилегающих элементов с нечетными атомными номерами с обеих сторон. Эта закономерность была впервые отмечена Джузеппе Оддо в 1914 году и Уильямом Дрейпером Харкинсом в 1917 году. Правило Оддо — Харкинса справедливо для всех элементов, начиная с углерода, образованных в результате звездного нуклеосинтеза, но не для самых легких элементов, расположенных ниже углерода, образованных в результате нуклеосинтеза Большого взрыва и при фрагментации космических лучей.
The Oddo–Harkins rule holds that an element with an even atomic number is more abundant than the elements with immediately adjacent atomic numbers. For example, carbon, with atomic number 6, is more abundant than boron (5) and nitrogen (7). Generally, the relative abundance of an even atomic numbered element is roughly two orders of magnitude greater than the relative abundances of the immediately adjacent odd atomic numbered elements to either side. This pattern was first reported by Giuseppe Oddo in 1914 and William Draper Harkins in 1917. The Oddo–Harkins rule is true for all elements beginning with carbon produced by stellar nucleosynthesis but not true for the lightest elements below carbon produced by big bang nucleosynthesis and cosmic ray spallation.
Определения
Все атомы, превышающие по размеру атом водорода, формируются в звездах или сверхновых в результате нуклеосинтеза, когда гравитация, температура и давление достигают уровней, достаточных для слияния протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны составляют атомное ядро, которое, накапливая электроны, образует атомы. Количество протонов в ядре, называемое атомным номером, однозначно идентифицирует химический элемент.
Правило
Ранняя форма этого правила была выведена из исследования метеоритов, проведенного Харкином в 1917 году. Он, как и другие ученые того времени, полагал, что метеориты лучше отражают космологическую распространенность элементов. Харкинс заметил, что элементы с четным атомным номером (Z) примерно в 70 раз чаще встречаются, чем элементы с нечетным Z. Первые семь элементов, составляющие почти 99% материала метеорита, имели все четные атомные номера Z. Кроме того, он установил, что 90% материала состоит всего из 15 различных изотопов, с атомными массами, кратными четырем – приблизительному весу альфа-частиц. За три года до этого Оддо сделал аналогичное наблюдение для элементов в земной коре, предположив, что элементы являются продуктами конденсации гелия. Ядро гелия идентично альфа-частице. Эта ранняя работа, связавшая геохимию с ядерной физикой и космологией, была значительно расширена норвежской группой под руководством Виктора Голдшмидта. Процесс включает в себя слияние альфа-частиц (ядер гелия-4) при высоких температурах и давлениях в недрах звезд. На каждом этапе альфа-процесса добавляются два протона (и два нейтрона), что благоприятствует синтезу элементов с четным атомным номером. Сам углерод является продуктом тройного альфа-процесса из гелия, который обходит литий, бериллий и бор. Эти нуклиды (включая гелий-3) образуются в результате расщепления космических лучей – типа ядерного деления, при котором космические лучи сталкиваются с более крупными изотопами и разрушают их. Спалляция не требует высоких температур и давлений, характерных для звездной среды, но может происходить и на Земле. Хотя более легкие продукты спалляции встречаются относительно редко, изотопы с нечетной массой в этой группе встречаются в большем относительном количестве по сравнению с изотопами с четной массой, что противоречит правилу Оддо–Харкинса.
Исключения из правила
Однако этот постулат не применим к самому распространенному и простому элементу во Вселенной – водороду, атомный номер которого равен 1. Это может быть связано с тем, что в ионизированном состоянии атом водорода превращается в одиночный протон, который, согласно теории, был одним из первых крупных скоплений кварков в течение первой секунды периода инфляции Вселенной после Большого взрыва. В этот период, когда инфляция расширила Вселенную от бесконечно малой точки примерно до размеров современной галактики, температура в частичной плазме упала с более чем триллиона кельвинов до нескольких миллионов. Этот период позволил объединиться отдельным протонам и ядрам дейтерия, образовав ядра гелия и лития, но был слишком коротким для того, чтобы каждый ион H+ мог рекомбинировать в более тяжелые элементы. В этом случае гелий, атомный номер 2, остается четным аналогом водорода. Таким образом, нейтральный водород – или водород, связанный с электроном, единственным стабильным лептоном – составлял подавляющее большинство оставшихся неаннигилировавших частей материи после завершения инфляции. Другим исключением из правила является бериллий, который, несмотря на четное атомное число (4), встречается реже, чем соседние элементы (литий и бор). Это объясняется тем, что большая часть лития, бериллия и бора во Вселенной образуется в результате осколочного распада космических лучей, а не обычного звездного нуклеосинтеза, и бериллий имеет только один стабильный изотоп, что приводит к его меньшей распространенности по сравнению с соседями, каждый из которых имеет два стабильных изотопа.
Изотопная изобилие
Элементарная основа правила Оддо — Харкинса имеет прямые корни в изотопном составе элементов. Правило Оддо — Харкинса предполагает, что элементы с нечетными атомными номерами имеют один неспаренный протон и могут быстро захватить еще один, чтобы достичь четного атомного числа и четного паритета протонов. В элементах с четным атомным номером протоны образуют пары, где каждый протон в паре компенсирует спин другого, тем самым повышая стабильность нуклонов. Однако этому объяснению противоречит изотоп ^{14}_{7}N, который встречается в природе в большом количестве, несмотря на наличие неспаренного протона. Кроме того, изотопы с четным паритетом, содержащие ровно на два нейтрона больше, чем протонов, не отличаются особой распространенностью, несмотря на свой четный паритет. Каждый из легких элементов — кислород, неон, магний, кремний и сера — имеет два изотопа с одинаковым изоспинным (нуклонным) паритетом. Как показано на графике выше, изотоп с равным числом протонов и нейтронов встречается на один-два порядка чаще, чем изотоп с четным паритетом, но с двумя дополнительными нейтронами. Это оставляет открытым вопрос о роли паритета в определении изотопного состава. Структурная или субатомная причина необычного изобилия эквинуклеонных изотопов в барионной материи является одной из самых простых и фундаментальных нерешенных загадок атомного ядра.
Отношение к синтезу
В зависимости от массы звезды, закономерность Оддо-Харкинса возникает в результате последовательного сжигания все более тяжелых элементов внутри коллапсирующей, умирающей звезды посредством процессов ядерного синтеза, таких как протон-протонный цикл, CNO-цикл и тройной альфа-процесс. Новые элементы медленно выбрасываются в виде звездного ветра или при взрыве сверхновой и в конечном итоге обогащают межзвездную среду галактики.