К.т.н Сушко Т.И., Есипов
Д.В., к.ф-м. н. Пашнева Т.В.,
Воронежский государственный технический университет
ВГМА им имени Н.Н.Бурденко
ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБРАЗОВАНИЯ ЧЕРНЫХ ДЫР И
СВЕРХТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ
При создании периодической системы Д. И.
Менделеев предсказал существование многих еще не открытых элементов, оставив
для них свободные ячейки, и описал их свойства. При Менделееве было известно 64
элемента. Сегодня их уже 119 и наука
столкнулась со сложностью при открытии последних элементов. Оказалось, что
жизнь синтезированных атомов очень скоротечна…
Тяжелое атомное ядро существует только до тех
пор, пока ядерная короткодействующая сила между протонами и нейтронами ядра
преодолевает отталкивающее воздействие электромагнитной силы между положительно
заряженными протонами в ядре. Нейтроны можно сравнить с клеем, который удерживает
ядра вместе. Но только до определенного предела. Если нейтронов будет слишком
много, то ядро мгновенно распадется.
Предположительно при наличии определенного количества ядерных частиц (например,
114 протонов и 184 нейтрона) химический элемент будет стабилен. Если удастся
обнаружить причины и условия возникновения таких «островов стабильности» в
веренице короткоживущих элементов, то можно синтезировать сверхтяжелые стабильные
элементы со сроком жизни в сотни или миллионы лет [1,2]. На основе таких элементов можно будет производить
новые материалы с уникальными свойствами,
что в настоящее время является актуальным с точки зрения развития и осуществления новых технологий. Цель данной работы, поиск условий реализации их
стабильного зарождения из анализа публикаций, существующих на сегодняшний
момент времени.
Если предположить, что «Черная Дыра» -
космическое тело, которое создаёт такие уникальные условия, в которых
сверхтяжёлые элементы могут находиться в состоянии так называемого «острова стабильности»?
Почти все атомы тяжелее железа образовались именно в результате взрыва, которым заканчивают свою жизнь
большие звезды. Повторить в земных условиях такой взрыв невозможно в виду громадности объекта. Энергия,
выделившаяся в момент такого взрыва, огромна и поэтому часть частиц
устремляется к периферийной области, получив ускорение, а часть, получив такое
же ускорение, но уже центробежное по отношению к поверхности или
центростремительное, начинает участвовать
в процессе образования нового звездного тела Черной Дыры. Этой энергии так много, что становится
возможным такой процесс - электроны
устремляются к протонам, преодолевая
отталкивающее воздействие электромагнитной силы между положительно заряженными
протонами в ядре. Происходит слипание ядер, термоядерная реакция с возникшей
изначально центробежной силой.
Возможно, это и есть одно из уникальных условий существования этого «острова
стабильности» - взрыв сверхмассивной
большой звезды, не меньше чем в 5-10 раз тяжелее Солнца, который приводит к
высвобождению колоссальной энергии с образованием, центроускоренных частиц и началу процесса образования на
периферийной области внешней коры новых сверхтяжёлых элементов, обладающих
уникальными свойствами и находящихся в состоянии «острова стабильности». Этот
процесс становится устойчивым благодаря огромному гравитационному давлению. При
этом присутствует подозрение насчет внутренней области образующегося нового
тела. Существует вероятность, что нейтронная звезда практически не отличается
от «Черной Дыры» разве только массой и всем, что с ней связано. На сегодняшний
день существуют признанные теории и гипотезы, которые говорят нам, что
нейтронная звезда состоит из нейтронной жидкости с примесью протонов и
электронов [3]. Хотя нейтронные звезды интенсивно изучаются уже около трех десятилетий,
их внутренняя структура доподлинно неизвестна. Более того, нет твердой уверенности
и в том, что они действительно состоят в основном из нейтронов. «Ядерная жидкость», очень напоминающая
вещество из атомных ядер, в 1014 раз плотнее обычной воды [4].
Экстремальные силы, возникающие при формировании нейтронной звезды, так сжимают
атомы, что электроны, вдавленные в ядра, объединяются с протонами, образуя нейтроны.
При этом сама звезда становится
устойчива как тело благодаря огромному гравитационному давлению. Таким
образом, рождается звезда, почти
полностью
состоящая
из
нейтронов.
В «Черной Дыре» возможно, происходят аналогичные процессы. Однако во
внешних слоях «Черной Дыры» и нейтронной звезды по нашему мнению происходят реакции горячего слияния и чем ближе к
нейтронной жидкости, тем больше атомная масса элементов. Происходит перемещение
конвективных потоков, которые включают огромное магнитное поле, являющееся
ловушкой и основным условием для протекания этого процесса в течение
длительного периода времени. Элементы опускаются ближе к ядру, увеличивая
атомную массу и превращаясь во всё более и более тяжёлые, а нейтронная жидкость,
поднимаясь вверх к поверхности, захватывается образующимися новыми сверхтяжёлыми
элементами и таким образом участвует в реакциях горячего слияния. В этом случае
становится возможным существование элементов с порядковым номером около 170
согласно квантовой теории.
Классическая реакция синтеза, заключается в следующем: берутся два или
больше атомных ядра и с применением некоторой силы сближаются настолько, что
силы, действующие на таких расстояниях, преобладают над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными
ядрами, в результате чего формируется новое ядро. Оно будет иметь несколько
меньшую массу, чем сумма масс исходных ядер, а разница становится энергией,
которая выделяется в процессе реакции. Порождаемый термоядерным синтезом нейтронный
поток в нашем данном случае с «Черной Дырой» или нейтронной звездой не уносится
в виде радиоактивного излучения и не приводит к потере значительной части
мощности, что обычно происходит в стандартных условиях. Чтобы реакция происходила
достаточно интенсивно, необходимы десятки или сотни миллионов градусов. Вспышка сверхновой звезды — это переход части
гравитационной энергии в тепловую. Когда в старой звезде заканчивается топливо
и термоядерная реакция уже не может разогреть ее недра до нужной температуры,
происходит как бы обрушение — коллапс газового облака на его центр тяжести.
Падение вещества к центру сопровождается весьма частыми столкновениями частиц и
переходом их кинетической энергии в тепловую,
который и
провоцирует новую термоядерную реакцию. Лишь при достаточно
высоких температурах возможны ядерные
реакции на тяжёлых элементах.
Энергии, выделяющейся при этой реакции,
хватит для поддержания реакции. А
электрическое поле, порождаемое ускоренно движущимися зарядами, возбуждает в
смежных областях пространства первичное магнитное поле. И фактически получаемый
в нашем случае «природный магнитный термоядерный реактор» не даёт нагретому веществу разлететься из зоны
реакции. Налицо соблюдение критерия Лоусона - критерия зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции, который
объясняет сложность
проведения термоядерной реакции тройным произведением pTt (плотность на
температуру и на время удержания), если
плотность на поверхности нейтронной звезды достигает 100000000 г/см 3[5], а
температура 1,2 млн F. Время
удержания должно стремиться к бесконечности [6]. Другими словами при определенном сжатии остаточного вещества
во время коллапса массивной звезды нейтроны оживляются и начинают
бомбардировать элементы оказавшиеся на их пути. А чем старее звезда, тем больше
номер, возникающего химического элемента.
Наиболее
вероятным вариантом развития протекающих процессов, представляется в виде
последовательности реакций термоядерного синтеза от более лёгких элементов к всё более и более тяжёлым , с отсутствующим
в данном случае и обязательным в стандартных условиях нейтронным выходом в условиях отсутствия гравитации и мощного
магнитного поля. Должен происходить нейтронный захват, т.е. захват недостающих
нейтронов, вследствие чего система находится в устойчивом состоянии, так как
ядро атома соединяется с одним или несколькими нейтронами и образует более
тяжелое ядро. Захват
нейтронов продолжается до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп
элемента, который участвует в последующей реакций
термоядерного синтеза.
Различают медленные процессы (s-процессы, от английского slow - медленный), когда следующий
нейтрон поглощается после того, как завершится β-распад, и быстрые процессы
(r-процессы,
от английского rapid - быстрый), в которых неустойчивые изотопы успевают
захватить следующий нейтрон. По-видимому, β-распад
не будет происходить так как нет перегруженности ядра изотопа нейтронами, т.е.
значительного превышения числа нейтронов над протонами.
Х-элемент
z- заряд
ядра
y- первоначальная
атомная масса
a –число нейтронов
Процесс
идёт до сливания протонов с электронами и их превращения в
нейтронную жидкость.
Ситуация осложняется тем, что с ростом
температуры ядра уменьшается стабилизирующий эффект оболочек, следовательно
уменьшается высота барьера деления и делимость ядра резко возрастает. Оба эти
фактора приводят к исключительно малой вероятности образования сверхтяжёлых
нуклидов[7]. Есть и другое ограничение. Компаунд ядра,
полученные в реакциях холодного слияния, имеют относительно малое число нейтронов.
В рассматриваемом выше случае образования 112-го элемента конечное ядро с Z
= 112 имеет только 165 нейтронов, в то время как подъём стабильности ожидается для
числа нейтронов N > 170 (рисунок 1).
В работе академика Ю. Ц. Оганесяна «О
сверхтяжелых элементах», предложена
«карта тяжелых элементов» (рисунок 1) из которой видно, что появление элементов, образующих «остров
стабильности «возможно при протекающей реакции горячего слияния.
Рисунок 1 - Карта тяжёлых
нуклидов. Периоды полураспада ядер представлены различным цветом (правая
шкала). Чёрные квадраты - изотопы стабильных элементов обнаруженных в земной
коре (Т1/2 ≥ 109 лет). Темно-синий цвет -
«море нестабильности», где ядра живут менее 10-6 секунды. Жёлтые линии
соответствуют замкнутым оболочкам с указанием магических чисел протонов и
нейтронов. «Острова стабильности» следующие за «полуостровом» тория, урана и
трансурановых элементов - предсказания микроскопической теории ядра. Два ядра с
Z = 112 и 116, полученные в различных ядерных реакциях и их последовательный
распад, показывают насколько близко можно подойти к «островам стабильности» при
искусственном синтезе сверхтяжёлых элементов».
Вероятность
возникновения «острова стабильности» становится реальной при очень высокой
температуре и колоссальном давлении, вызванном гравитацией в условиях тела
«Черная Дыра». В нашем случае одним из
вариантов появления и существования ядер тяжелых элементов является самоподдерживающаяся
термоядерная реакция, при которой становится возможным процесс горячего слияния ядер при возникновении
изначальной центробежной силы в момент взрыва сверхмассивной большой звезды.
Одним из подтверждений этого условия мы считаем обнаруженные излучения «Черных
Дыр» в гамма диапазоне, так называемые Джеты.
Несмотря на
то, что уже несколько десятилетий ученые разных стран зажигают в реакторах «маленькие
солнца», лабораторные реакции не дают пока ни джоуля энергии, наоборот, они ее
довольно жадно поглощают. Возможно условиями
реализации проекта «создание устойчивых сверхтяжелых элементов» станут:
1)
необходимость
использования веществ с высокой плотностью p, которые смогут бомбардировать нейтроны;
2)
расчет
начальных параметров магнитного поля, обеспечивающего t время удержания этого вещества в зоне
реакции, а также его создание;
3)
наличие
сверхвысоких температур, для устойчивого протекания данного процесса;
4)
расчет
кинетических параметров процесса, при котором можно будет спрогнозировать и
получить различные сверхтяжелые
элементы;
5)
математическое
моделирование процесса горячего слияния сверхтяжелых ядер в условиях
самоподдерживающейся термоядерной реакции, удерживаемой магнитным полем.
Вся сложность заключается в создании магнитного
поля в земных условиях, которое способно было бы создать магнитные барьеры достаточной силы, причем термоядерное
горючее надо «поджечь» без взрыва, чтобы процесс не вышел из под контроля. Из
этого следует невозможность длительного поддержания высокой температуры, ограниченной
магнитным полем. Не случайно
многочисленные эксперименты по созданию
новых устойчивых сверхтяжелых элементов не принесли пока желаемого результата,
так же как и эксперименты по созданию управляемой термоядерной реакции,
возможно, это дело будущего.
Литература
1 Science illustrated №04(09) /2011.
2 http://wsyachina.narod.ru/physics/search_new_elements_2.html
3
http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/539/
4 http://secretspace.ru/index_481.html
5 А.Д. Сахаров «Теория магнитоядерного реактора» (часть II) По сб.//Физика плазмы
и проблема управляемых термоядерных реакций. Т. 1. — М.: Изд-во
АН СССР, 1958, С. 20 — 30