منشأ سنگین ترین عناصر جهان - طلایی، پلاتین، اورانیوم و دیگران - مدت ها است که یکی از جذاب ترین پازل های آسترفیزیک بوده است.برای دهه ها، دانشمندان داستان این عناصر را که برای تکنولوژی مدرن و زندگی ضروری است، در کیهان ساخته شده اند، به این روایت یک نوع خاص از زوال رادیواکتیو شناخته شده به عنوان زوال تدریجی، بدون تجزیه و تحلیل فیزیکی پیچیده، و جزئیات این ماده هسته های هسته ای و تجزیه و تحلیل می شود.

بتا Decay چیست؟

فروپاشی بتا یک فرایند بنیادی در فیزیک هسته ای است که توسط نیروی هسته ای ضعیف اداره می شود، زمانی رخ می دهد که یک هسته اتمی ناپایدار با تبدیل یک نوترون به پروتون (یا پروتون به یک نوترون) تغییر می کند، در حالی که یک ذره بتا (یک الکترون یا مثبت) و یک نوتروینو یا ضد نوترینو را انتشار می دهد، این فرآیند تعداد اتمی عنصر را تغییر می دهد، به طور موثر یک عنصر اولیه وجود دارد:

  • Beta-minus ( ⁇ ) پوسیدگی: یک نوترون به پروتون تبدیل می شود، انتشار یک الکترون و یک ضد نوترینو الکترون، این افزایش تعداد اتمی توسط یک در حالی که تعداد توده باقی مانده است بدون تغییر در هسته های غنی از نوترون تولید شده در محیط های انفجاری.
  • Beta-plus (β+) پوسیدگی: A پروتون به یک نوترون تبدیل می شود، یک مثبت و یک نوترینو الکترون را منتشر می کند، این عدد اتمی را به یک کاهش می دهد. Occurs در هسته های پروتون غنی، اغلب در سوزاندن هیدروژن ستاره ای یا انفجار nucleosynthesis.
  • ثبت الکترون: یک الکترون اتمی داخلی توسط پروتون در هسته اسیر شده است، تبدیل آن به یک نوترون و انتشار یک نوترینو.این فرایند با β + فروپاشی رقابت می کند و در هسته های سنگین و پررونق غالب است.

نیمه عمر هسته های بتا-ناقابل تحمل از میلی ثانیه تا میلیاردها سال است که آنها را ساعت های حیاتی برای زمان بندی وقایع اخترفیزیک و ردیابی مسیرهای نوکلئوزینوز است که تعامل ضعیف تنها نیرویی است که می تواند نسبت نوترون به پروتون را تغییر دهد، و بتا کلید را که باز کردن درب به عناصر آهن فراتر از آن، جایی که دیگر همجوش نیست.

نقش بتا Decay در Nucleosynthesis

Nucleosynthesis - تشکیل هسته های اتمی جدید - در درجه اول در ستاره ها و انفجار ستاره ای قرار می گیرد، در حالی که عناصر نور به آهن توسط واکنش های همجوشی ساخته شده اند که انرژی را آزاد می کنند، عناصر سنگین تر نیاز به فرآیندهای نوترونی دارند که به دنبال آن دو فرآیند اصلی بتا می شوند: روند آهسته (فرآیند) و روند سریع تر تخریب (در نهایت، تعیین کننده نهایی).

فرآیند آهسته Neutron-Capture (s-Process)

فرآیند s- Process در ستاره های غول آسا (AGB) رخ می دهد که در آن پروتزهای نوترونی کوچک هستند (105-1011 نوترون در هر سانتی متر3)، نوترونهای نوترونی به آرامی اسیر شده اند و هسته های ناپایدار تقریبا همیشه قبل از گرفتن نوترون دیگر زمان دارند.این عناصر را در امتداد دره ثبات بتا تولید می کند، تا الگوهای تولید نیمه عمر را به همراه عناصر نیمه عمری که به طور طولانی منجر می شوند، به سرعت نیمه عمر می کنند؛ این عناصر نیمه عمر می کنند.

فرآیند سریع Neutron-Capture (r-Process)

فرآیند r نیاز به شرایط شدید دارد: شارهای نوترونی بالا (1020 تا 1030 نوترون در هر سانتی متر3) و دما در حدود 109 K، که معمولا در ابرنواخترها و ادغام ستاره های نوترونی یافت می شود، نوترون ها به سرعت جذب می شوند که هسته های رادیواکتیو به دور از ثبات مشاهده شده اند قبل از اینکه آنها بتوانند بتا را تشخیص دهند، این هسته های غنی از نوترونی سپس به عنوان محیط سرد، تخریب شده اند (به ویژه در انتظار مقدار زیادی از حد انفجار) و بی اندازه مقدار بسیار زیاد است.

اتصال بتا Decay به رصدهای نجومی

شواهد مستقیم اتصال بتا به تشکیل عناصر سنگین از مشاهدات از کیلوnovae - همتایان الکترون مغناطیسی به ادغام ستاره نوترونی می آید. اولین تشخیص یک کیلوnova در سال 2017 (GW1708 یک معدن طلای طیفوسکوپی 17 ارائه داد، مواد الکترونیکی، در ابتدا غنی از نوترون های آزاد، ضبط سریع نوترون و زوال بعدی، قدرت شکستن نور و تولید ویژگی های منحصر به فرد از انتقال نور و مشاهده عناصر بتای است که از سنگ شکن است.

علاوه بر این، اندازه گیری های فراوانی در ستاره های قدیمی - به ویژه در هالو راه شیری - اثر انگشت از حوادث تک تک تک فرایند را اندازه گیری می کند. یوروپویم (Eu) با نسبت آهن، به عنوان یک ردیاب غنی سازی پردازش مجدد، با مقایسه فراوانی مشاهده شده به مدل هایی که نرخ های زوال بتا را شامل می شوند، دانشمندان می توانند در شرایط از الگوهای زوال طلا (g) جلوگیری کنند.

آزمایش های آزمایشگاهی و اندازه گیری های بتا Decay

برای تفسیر مشاهدات نجومی، داده های دقیق زوال بتا برای هسته های نوترونی عجیب و غریب ضروری است. تسهیلات برای Rare Isotope Beam Beam (FRIB) در دانشگاه ایالتی میشیگان و ISOLDE در CERN [LT3] هسته های بسیار دور از ثبات تولید می کنند - بسیاری با نیمه عمر احتمال تخریب و کاهش مقدار آن (برای مثال اندازه گیری های بتا) تخمین زده شده است.

پرسش های باز: نجات دهنده ترین عناصر ساخته شده کجا هستند؟

علی رغم پیشرفت قابل توجه، سوالات عمده در مورد سایت های اخترفیزیک و نقش خاص از زوال بتا در تولید سنگین ترین عناصر، به ویژه آنهایی که فراتر از پلوتونیوم (Z> 94) باقی مانده است، هر دو ابرنواختر هسته اصلی و ادغام ستاره های نوترونی به عنوان سایت های بتا، اما سهم هر یک از آنها بحث می شود خواص زوال بتا بسیار غنی از هسته های خوراک تا حد زیادی ناشناخته است (F2) و ذرات قابل توجه هستند.

مرز دیگر نقش نوترینوها در ادغام ستاره نوترونی ejecta، نوترینوها می توانند با هسته ها ارتباط برقرار کنند، واکنش هایی مانند MAC + n - p + e - که تغییر نسبت نوترون به هورمون و بنابراین بهره وری از تعاملات r-trino را نیز تحت تاثیر قرار می دهد.

دانلود بازی Beta-Delayed Neutron Emission

یک راه خاص مهم انتشار نوترونی بتا-delayed است. پس از یک فروپاشی بتا (۱) ، هسته دختر ممکن است به اندازه کافی هیجان زده باشد تا بتواند یک نوترون را به جای انتشار گاما منتشر کند.این فرایند توزیع نهایی ایزوتروپوترو هسته را با همان تعداد توده (A) اما اندازه گیری های مختلف اتمی بتا-delayed نوترونی برای همکاری هسته ای در نزدیکی سیستم های هسته ای، تولید کند و فراوانی داده ها را به عنوان عناصر داده های مختلف (Z) و مقادیر مختلف (Z).

نتیجه گیری: بتا Decay به عنوان ساعت ساز کیهانی

فروپاشی بتا صرفاً یک اشاره در فیزیک هسته ای نیست؛ بلکه یک محرک اولیه تکامل شیمیایی جهان است.از ایجاد آهسته عناصر در ستاره های مرگ تا فرآیند انفجاری در ادغام ستاره های نوترونی، نرخ های تخریب بتا به هر عنصر سنگین که در حال حاضر در زمین و کیهان پیدا می کنیم، تفاوت بین فیزیک تجربی، به عنوان اتم های تجربی، و مدل سازی، به تأخیر می افتد؛ و تجزیه و تحلیل ستاره های آینده - به سرعت تجزیه و تحلیل می کند تا ما را به سرعت از هر مقدار زیادی از طریق انرژی های جهان ضعیف و تجزیه و تجزیه و تجزیه و تحلیل کنیم.