Tổng hợp hạt nhân theo quá trình s và quá trình r

Các nguyên tố nặng hơn sắt không thể được tạo ra bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân; thay vào đó, chúng được hình thành thông qua việc các hạt nhân bắt giữ neutron tự do, một quá trình diễn ra chậm trong các ngôi sao đã tiến hóa và nhanh chóng trong các sự kiện thảm khốc như sự hợp nhất sao neutron.

Definition

Quá trình s và quá trình r là các con đường tổng hợp hạt nhân bắt giữ neutron chậm và nhanh, tương ứng, tạo ra các nguyên tố nặng hơn sắt thông qua các lần bắt giữ neutron và phân rã beta liên tiếp dưới mật độ neutron thấp và cao.

Scope

Chủ đề này bao gồm hai quá trình bắt giữ neutron chính: quá trình s chậm, trong đó việc bắt giữ neutron diễn ra chậm so với phân rã beta và hoạt động trong các sao nhánh khổng lồ tiệm cận và các sao khối lượng lớn, và quá trình r nhanh, trong đó việc bắt giữ vượt xa phân rã beta trong môi trường giàu neutron như sự hợp nhất sao neutron và một số siêu tân tinh, cùng với các đỉnh phong phú mà mỗi quá trình để lại.

Core questions

• Các nguyên tố nặng hơn sắt được tạo ra như thế nào?
• Điều gì phân biệt quá trình bắt giữ neutron chậm với quá trình nhanh?
• Quá trình nào xảy ra ở đâu trong vũ trụ?
• Tại sao sự phong phú của các nguyên tố lại cho thấy các đỉnh đặc trưng của quá trình s và quá trình r?

Key concepts

• bắt giữ neutron
• phân rã beta
• quá trình s
• quá trình r
• số ma thuật
• nhánh khổng lồ tiệm cận
• sự hợp nhất sao neutron

Key theories

Quá trình bắt giữ neutron chậm

Khi việc bắt giữ neutron diễn ra chậm so với phân rã beta của các hạt nhân không ổn định, sự hình thành đi theo thung lũng ổn định từng bước một; quá trình s này hoạt động trong các sao nhánh khổng lồ tiệm cận đốt cháy vỏ heli và tạo ra khoảng một nửa các nguyên tố ngoài sắt.

Quá trình bắt giữ neutron nhanh

Dưới mật độ neutron rất cao, các hạt nhân bắt giữ nhiều neutron trước khi chúng có thể phân rã, đẩy vật chất sang phía giàu neutron của sự ổn định; quá trình r này, xảy ra trong các sự hợp nhất sao neutron và các siêu tân tinh hiếm gặp, tạo ra các nguyên tố nặng nhất bao gồm các actinide.

Mechanisms

Một hạt nhân mầm bắt giữ một neutron tự do để trở thành một đồng vị nặng hơn; nếu đồng vị mới không ổn định, cuối cùng nó sẽ phân rã beta thành nguyên tố tiếp theo. Khi việc bắt giữ diễn ra chậm, con đường bám sát sự ổn định, nhưng khi neutron dồi dào, hạt nhân bắt giữ nhiều neutron trước khi phân rã, đạt đến các đồng vị rất giàu neutron mà sau đó phân rã trở lại trạng thái ổn định sau khi dòng neutron kết thúc, để lại các đỉnh phong phú đặc trưng tại các số ma thuật hạt nhân.

Clinical relevance

Các quá trình bắt giữ neutron giải thích nguồn gốc của khoảng một nửa các nguyên tố nặng hơn sắt, bao gồm vàng, bạch kim và uranium; việc xác định các vị trí của chúng, đã được xác nhận đối với quá trình r bằng sự hợp nhất sao neutron năm 2017, là trung tâm để hiểu sự tiến hóa hóa học thiên hà và sự phong phú được đo trong các ngôi sao già.

History

Quá trình s và quá trình r đã được phân biệt trong bài đánh giá B2FH năm 1957 và công trình độc lập của Cameron; vị trí của quá trình s trong các sao nhánh khổng lồ tiệm cận đã được thiết lập thông qua mô hình hóa sau này, và vị trí của quá trình r đã được gắn chặt với sự hợp nhất sao neutron sau phát hiện sóng hấp dẫn và điện từ năm 2017 về một sự hợp nhất như vậy.

Debates

Vị trí vật lý thiên văn chủ yếu của quá trình r

Việc liệu sự hợp nhất sao neutron có tự mình tạo ra phần lớn các nguyên tố của quá trình r hay liệu các siêu tân tinh hiếm gặp như các vụ nổ từ quay cũng đóng góp đáng kể, vẫn đang được nghiên cứu; các mô hình phong phú trong các ngôi sao già và thời điểm làm giàu cung cấp các ràng buộc cạnh tranh.

Key figures

• Margaret Burbidge
• Alastair Cameron
• Friedrich-Karl Thielemann
• John Cowan

Seminal works

• b2fh1957
• cowan2021

Frequently asked questions

Vàng đến từ đâu?

Vàng và các nguyên tố ổn định nặng nhất khác được tạo ra bởi quá trình bắt giữ neutron nhanh, đòi hỏi mật độ neutron cực lớn; vị trí hàng đầu là sự hợp nhất của hai sao neutron, một mối liên hệ được hỗ trợ bởi quan sát đa thông điệp năm 2017 về một sự kiện như vậy.

Sự khác biệt giữa quá trình s và quá trình r là gì?

Cả hai đều tạo ra các nguyên tố nặng bằng cách bắt giữ neutron, nhưng quá trình s bắt giữ neutron chậm nên các hạt nhân không ổn định phân rã giữa các lần bắt giữ, trong khi quá trình r bắt giữ chúng nhanh đến mức các hạt nhân trở nên rất giàu neutron trước khi phân rã, đạt đến các nguyên tố mà quá trình s không thể tạo ra.