Материя — всё, что нас окружает, и мы сами — состоит из множества атомов, именуемых химическими элементами. Чтобы понять происхождение этого разнообразия, придётся заглянуть в далёкое прошлое — на 14 млрд лет назад.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №1(29). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная возникла 13,7 млрд лет назад из крошечной точки, именуемой сингулярностью. Расчёты показывают, что её плотность и температура были бесконечно высокими. В какой-то момент точка стала увеличиваться и охлаждаться — её энергия стала рассеиваться по расширяющейся с огромной скоростью Вселенной.

В начале расширения температура была очень высокой, и вещество Вселенной представляло собой однородную кварк-глюонную плазму. Охлаждение привело к образованию электронов и протонов. Но ещё долгое время они находились в нестабильном состоянии. 

Лишь спустя 379 тыс. лет после Большого взрыва Вселенная остыла до 10 тыс. кельвинов, а замедлившиеся к тому времени электроны и протоны стали объединяться в стабильные изотопы водорода — первого химического элемента. Ядро водорода содержит один протон и один электрон, его обозначают символом 1Н или­­­­ p. Четверть существовавших на тот момент электронов и протонов образовала нейтроны, которые вошли в состав ядер гелия (4He) и дейтерия (2Н, изотоп водорода). В период между 380 тыс. и 550 млн лет после Большого взрыва Вселенная состояла только из водорода и гелия. Процесс образования этих элементов называют первичным нуклеосинтезом. 

Сегодня 99% всех ядер во Вселенной приходится на водород и гелий. Их соотношение позволило смоделировать характер и скорость расширения Вселенной. Другая скорость привела бы к другой пропорции.

Итак, водород и гелий остались самыми распространёнными элементами во Вселенной: понижение температуры привело к остановке ядерных реакций, а эти два элемента не успели превратиться в более тяжёлые. Преобразование ядер возобновилось позже, внутри звёзд.

С появлением звёзд начинается эпоха последовательного образования остальных химических элементов. Под действием гравитационных сил молекулярные облака собираются в сгустки массы, состоящие преимущественно из ядер водорода с небольшой примесью ядер гелия. Гравитационная сила сближает атомы так, что сгустки становятся меньше и плотнее, температура повышается. В центре звезды она достигает 1 млн кельвинов — начинается термоядерный синтез новых элементов.

Этапы образования химических элементов можно поставить в соответствие с эволюцией звезды

1. Горение водорода в звёздах, также называемое протон-протонным циклом, приводит к образованию гелия. В звёздах с массой равной или меньше солнечной 98% энергии, выделяющейся в результате термоядерных реакций, приходится на протон-протонный цикл. Он включает в себя три стадии. Вначале два протона (атома водорода) сливаются и образуют дейтрон, позитрон и электронный нейтрино. Затем дейтрон присоединяет ещё один протон и превращается в нестабильное ядро ³He. Наконец два атома ³He сливаются — образуется ⁴He и высвобождаются два протона.

Ганс Бете и Чарльз Критчфильд установили, что именно протон-протонный цикл термоядерных реакций является источником энергии звёзд 

Позже всё тот же Ганс Бете и Карл фон Вайцзеккер открыли углеродно-азотный цикл термоядерных реакций.

2. Тройная гелиевая реакция — цепочка термоядерных реакций слияния ядер ⁴He в недрах звёзд. Она начинается при температуре около 1,5•10 ⁸ К и плотности порядка 5•10⁷ кг/м³. Идёт в два этапа.

Образование нестабильного ядра бериллия-8:

Образование возбуждённого ядра углерода-12:

Продуктом цепочки является ядро ¹²C.

3. Цикл CNO — процесс горения водорода в звёздах больше Солнца. Особенность цикла в том, что он начинается с углерода и в результате последовательного прибавления четырёх протонов приводит к образованию атома гелия. Углерод высвобождается в самом конце.

Цикл начинается с реакции между ядрами водорода ( ¹H) и углерода (¹²C). Образующийся радиоактивный изотоп ¹³N в результате β⁺-распада становится изотопом ¹³C. Последовательно захватывая два протона, изотоп превращается в ¹⁴N, а затем в ¹⁵O. Радиоактивное ядро ¹⁵O в результате β⁺-распада становится изотопом ¹⁵N. В конце цикла ядро ¹⁵N захватывает протон — образуются ядра ¹²C и ⁴He. Таким образом, ядра углерода играют роль катализаторов. Их количество на протяжении цикла не меняется.

Наряду с углеродом роль катализаторов в реакциях горения водорода выполняют также азот, кислород и неон. Все эти элементы содержатся в веществе звёзд второго поколения, куда попадают после распада массивных звёзд первого поколения, в которых и образовались когда-то в результате термоядерных реакций.

4. Ядерное горение углерода — условное название ядерной реакции слияния ядер углерода-12 в недрах звёзд с массой более 5–6 солнечных. Процесс начинается при температуре около 8 •10 ⁸К и плотности порядка 10⁸кг/м³. Основные реакции:

5. S-процесс (slow — медленный). Элементы тяжелее железа получаются в результате ядерного синтеза с поглощением энергии. На этом этапе реакция происходит с захватом нейтронов, поэтому образование новых элементов занимает больше времени, чем при реакциях с участием ядер гелия. Цепная реакция продолжается до образования ядер ²⁰⁰Bi.

После некоторого количества нейтронных захватов происходит реакция с отщеплением β-частиц. Это могут быть заряженные частицы: позитрон (β ⁺) с положительным зарядом, электрон (β^-) — с отрицательным. В нашем случае реакция происходит с отщеплением электрона. Дальнейшее увеличение атомного ядра — после железа — приводит к образованию менее стабильных изотопов. Происходит β^--отщепление: так синтезированному атому легче существовать.

6. R-процесс (rapid — быстрый). Хотя r-процесс тоже включает в себя захват нейтрона, он является быстрым: ядра на данном этапе успевают захватить много нейтронов, прежде чем потребуется β^--распад. В результате получаются сверхтяжёлые ядра.

7. P-процесс (proton — протон). Формирование редких, богатых протонами ядер происходит путём захвата протонов: с помощью нейтронного захвата эти ядра созданы быть не могут. Пример — изотопы олова ¹¹¹Sn, ¹¹²Sn, ¹¹⁵Sn. Точная физическая модель этих реакций пока неизвестна, предложен лишь принцип.

8. В результате x-процесса формируются ядра дейтерия, лития, бериллия и бора. Ядра этих элементов неустойчивы: они легко разрушаются под воздействием протонов — образуются более стабильные ядра гелия:

Здесь p — это протон, то есть ядро водорода.

Подтверждением может служить разница в содержании Li, B, Be в космических лучах и недрах звёзд.

Образование химических элементов тесно связано с эволюцией звёзд. Элементарные частицы и атомы, разлетающиеся по космосу после взрыва звёзд, когда-то послужили материалом для нашей планеты, гораздо позже — материалом для наших домов и нас самих. Углерод в теле человека появился в результате термоядерных реакций внутри звёзд, как и кислород. Большая часть железа родилась при взрывах сверхновых, вспыхнувших далеко-далеко отсюда много миллионов лет назад. Золото в украшениях, скорее всего, образовалось в моменты столкновений нейтронных звёзд, которые мы фиксируем как короткие гамма-всплески.

Все мы дети звёзд.