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.

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.