تخليق العناصر

تفاعل ألفا الثلاثي.

تخليق العناصر بدأ في الشمس بتحول الهيدروجين الذيقد يكون 77 % من مادتها إلى هيليوم من خلال الاندماج النووي، كما تحتوي الشمس على الهيليوم من الأصل بنسبة 23 % من كتلتها. هذا الفترة من عمر الشمس تمر بها جميع النجوم أيضا، فشمسنا ما هي إلا أحد النجوم المتوسطة الحجم. فإذا ما تحول الهيدروجين وكتلته الذرية 1 إلى الهيليوم وكتلته الذرية أربعة تعمل الجاذبية على ضغط قلب النجم إلى حيز أصغر ويصاحب ذلك ازدياد في درجة الحرارة وعندها يبدا اندماج الهيليوم.

ويتميز اندماج الهيليوم بما يسمى تفاعل ألفا الثلاثي أوبالانجليزية Triple-alpha process وهي عدة تفاعلات تندمج فيها ثلاثة من أنوية الهيليوم وهي أشعة ألفا ويكونوا الكربون الذي تبلغ كتلته 12.

مراحل التخليق

تبدأت النجوم بتكوين الهيليوم بواسطة التفاعل بروتون-بروتون التسلسلي، وتفاعلات أخرى مثل دورة الكربون والنيتروجين والأكسجين في قلبها. وهناك تفاعلات اندماجية أخرى تتم في قلب النجم، مثل التحام البروتون والهيليوم، أوهيليوم وهيليوم ونتيجتهما كتل ذرية منخمسة إلى 8، فتلك العناصر غير مستقرة وتتحلل في الحال إلى عناصر أخف. وعندما يبدأ النجم استهلاك جميع مافيه من هيدروجين، تبدأ منطقته المركزية في التقلص بعمل الجاذبية وترتفع بذلك درجة حرارته إلى 100 مليون درجة كلفن. وعندها يبدأ اندماج الهيليوم بمعدل يقاوم به معدل تحلل البيريليوم-8 إلى نواني هيليوم ثانيا.وهذا ما يفسر وجود قليل من البيريليوم في قلب النجم تستطيع الاندماج مع 1 هيليوم أخرى لتكوين الكربون ذوالكتلة الذرية 12، والكربون عنصر مستقر.

ولننطر إلى التفاعلين النوويين الخاصين بالثلاثية-ألفا:

{\displaystyle \mathrm {\ ^{4 He+\ ^{4 He\longleftrightarrow \ ^{8 Be+\gamma -\ 91,78\ keV

{\displaystyle \mathrm {\ ^{8 Be+\ ^{4 He\longrightarrow \ ^{12 C+\gamma +\ 7,367\ MeV

وكما نري ينتج عن عنهما طاقة قدرها 7.275 مليون إلكترون فولت MeV.

ونظرا لأن تفاعل ثلاثة من جسات ألفا في آن واحد، يحتاج ذلك التفاعل إلى زمن طويل جدا لكي يُنتج الكربون-12. ولهذا نجد عدم تخليق للكربون خلال الانفجار العظيم، حيث حتى درجة الحرارة تقلصت خلال بضع دقائق بعد الانفجار العظيم إلى درجة لا تكفي لتكون الكربون.

فإذا كان احتمال التفاعل الثلاثي لجسيمات ألفا ضعيف جدا، نجد حتى التفاعل ⁸Be + 8⁴He له نفس الطاقة التي يحتويها الكربون ¹²C. كمايتسم التفاعل بين البيريليوم والهيليوم بالنشاط حيث له خاصية التفاعل الرنان resonance هذا ما يعمل على زيادة إنتاج الكربون-12 منهما. وقد تنبأ العالم الفيزيائي فريد هويل بضرورة هذا التفاعل الرنان بين البريليوم والهيليوم من أجل تفسير وجود الكربون في النجوم من قبل حتى تحققه التجارب المعملية. وقد أعطت تنبؤات هويل بضرورة وجود التفاعل الرنان (ويمكن وصف التفاعل الرنان بأنه شراهة زائدة للنواة الثقيلة لابتلاع نواة أوجسيم أصغر منها) وتم اكتشاف هذا التفاعل لاحقا وكان ذلك تأييدا كبيرا لنظرية تخليق العناصر في النجوم، والتي تنادي بأن جميع العناصر الكيمائية قد تكونت من الهيدروجين، وأن الهيدروجين هوالعنصر الأصلي في الكون.

ومن نتائج ذلك حتى بعض أنوية الكربون-12 إلتحمت جميع منها بنواة هيليوم-4 لتكوين الأكسجين والمعروف حتى العدد الذري للأكسجين هو16. ومن العجيب أنه هنا أيضا يلعب تفاعل رنان آخر دوره في تخليق الأكسجين، كما ينتج عن ذلك الالتحام قدرا من الطاقة النووية.

تخليق الحديد

تتباري قوى الجاذبية التي تعمل على كبس المنطقة المركزية للنجم وتؤدي إلى ازدياد الحرارة مع التفاعلات النووية الجارية في هذا الحيز المركزي الذي يزيد ضيقا، ويؤدي ازدياد الحرارة في قلب النجم إلى بدء تفاعلات جديدة لتخليق عناصر أثقل مما سبقها، عندما تصل درجة الحرارة بين 800 - 2000 مليون درجة يبدأ تحول الكربون والهيليوم إلى أكسجين-16 ويكون مصحوبا بإنتاج الطاقة :

${\displaystyle \mathrm {\ ^{12 C+\ ^{4 He\longrightarrow \ ^{16 O+\gamma$

ويؤدي ذلك إلى تكون كميات هائلة من الكربون ووزنه الذري 12 والأكسجين ووزنه الذري 16. وعند تلك الحرارة العالية تتكون العناصر المجاورة للأكسجين في الجدول الدوري مثل الفسفور والكبريت والسيليكون، ويكاد الهليوم حتى يُستهلك بأكمله عند تلك الفترة.

سديم Messier 57 وقد طرد النجم غلافة وتحول قلبه إلى قزم أبيض

يؤدي الارتفاع المستمر في درجة الحرارة والاندماج الثلاثي للهيليوم عند 100 مليون درجة إلى انتفاخ بطيئ للطبقات السطحية من النجم ويتزايد هذا الانتفاخ بزيادة الحراره الصادرة من قلب النجم ويتحول النجم إلى عملاق أحمر . بالنسبة لشمسنا فلا يزال بها قدر كبير من الهيدروجين ، وتفاعلاتهاالنووية لا تزال في فترة تحويل الهيدروجين إلى هيليوم. ولكن من المتسقط مستقبلا بعد نحوخمسة مليارات السنين وقرب انتهاء اندماج الهيدروجين ، وبدء اندماج الهيليوم حتى يتمدد الغلاف الشمسي ويتسع حتى يصل إلى مدارات الكواكب عطارد والزهرة ثم الأرض. ويبقى قلب الشمس كقزم أبيض.

وبحسب كتلة النجم، فالنجم ذوكتلة صغيرة نسبيا مثل الشمس تكون قوى الجاذبية فيه ضعيفة نسبيا ولا تستطيع حمل درجة الحرارة بحيث يبدأ الاندماج النووي التالي لاندماج الهيليوم. وتنتهي تلك النجوم كاقزام بيضاء.

أما النجوم الأكبرعشرة إلى 100 مرة من الشمس فيستمر الاندماج النووي فيها وكذلك يستمر تخليق العناصر ، حتى تصل درجة حرارة قلب النجم 3500 مليون درجة كلفن يتتابع خلالها تخليق عناصر أكثر كتلة حتى الوصول إلى تكوّن الحديد (كتلته الذرية 56). ولكن الحديد والعناصر المجاورة له مثل الكوبلت والنيكل عناصر مستقرة. أي حتى تخليقها لاقد يكون مصحوبا بارتفاع ذوشأن في درجة الحرارة. وعندما تضعف التفاعلات المنتجة للحديد تتغلب قوى الجاذبية وينهار النجم على نفسه في وقت قصير مؤديا إلى انفجار في صورة مستعر أعظم.

تخليق العناصر الثقيلة

عندما تصل درجة حرارة قلب النجم إلى 100 - 200 مليون درجة كلفن يتكون الكربون والأكسجين والنيون بوساطة التفاعلات النووية. وتحت تأثير الجاذبية المستمر والتي تعمل على زيادة الضغط على منطقة قلب النجم وارتفاع درجة الحرارة المصاحب لها إلى 800 مليون درجة تبدأ تفاعلات الكربون ينتج عنها النيون والصوديوم والمغنسيوم. وعند تلك الدرجة ينتهي عمر النجم ذوكتلة مساوية لكتلة الأرض وينتهي كقزم أبيض، حيث لا تكفي جاذبيته لاستمرار التفاعل النووي.

أما النجوم الكبيرة فتتميز بقوى جاذبية كافية لضغط المنطقة المركزية في النجم ويصاحبها ازدياد في درجة الحرارة مما يعمل على استمرار التفاعل النووي داخله. وعندما تصل درجة الحرارة إلى 2000 مليون درجة تتخلق عناصر السيليكون والفسفور والكبريت. ومن ضمن التفاعلات الجارية في قلب النجم تفاعلات يدخل فيها الكربون والأكسجين وينتج عنها نيوترونات بغزارة. وحيث حتى النيوترون متعادل الشحنة فهولا يتنافر مع أنوية الذرات ذات الشحنة الموجبة. وباستطاعة النيوترون دخول النواة وتمتصه النواة، ويرتفع بذلك وزنها بمقدار 1 وحدة كتل ذرية. بواسطة تلك التفاعلات التي تتميز بامتصاص الأنوية للنيوترونات neutron capture تتكون مجموعة من العناصر الجديدة وبوساطة تحلل بيتا الذي يتبعها .وبتلك الكيفية تتكون في النجوم الكبيرة العناصر ذات كتلة ذرية بين 60 و210. ومن ضمن تلك العناصر المخلقة بواسطة الامتصاص النيوتروني الزئبق والباريوم والفضة والمضى والتي لا يمكن تفسير وجودها إلا من خلال ذلك التفاعل.

وتوجد عملية أخرى مماثلة لزيادة الكتلة الذرية من خلال الامتصاص النيوتروني، وتصاحب تلك العملية التي تتم سريعا انتهاء عمر النجم الكبير عندما ينفجر في صورة مستعر أعظم. ينتج عن ذلك الانفجار درجات حرارة تصل إلى 200 مليار درجة كلفن، تصتدم الأنوية مع بعضها وينتج عنها المزيد من النيوترونات، وهذه فترة تسمي الامتصاص النيوتروني السريع وينتج عنها عناصر أكثر ثقيلة. ففي هالة المتثمن الأعظم الغنية بالنيوترونات تمتص الأنوية الذرية نيوترونا تلوالآخر من قبل حتى تتحلل بإصدار أشعة بيتا ، وتتكون بذلك العناصر الغنية بالنيوترونات. وهذا هوالفرق بين الامتصاص النيوترون البطيء والامتصاص النيوتروني السريع. فخلال الامتصاص البطيءقد يكون للأنوية متسعا من الزمن لإصدار إلكترونا والتحلل من قبل امتصاصها لنيوترون جديد. وبواسطة الامتصاص النيوتروني السريع تنتج العناصر الثقيلة الغير مستقرة مثل البولونيوم واليورانيوم.

وجود اليورانيوم في الأرض

ينتج اليورانيوم والعناصر الثقيلة القريبة منه عندما ينفجر نجم بالغ الكتلة في صورة مستعر أعظم . ففي نجم تبلغ كتلته كتلة الشمس لا تكفي درجة حرارة قلبه لتخليق عناصر أثقل من الحديد. أما المستعر الأعظم فهذا الانفجار يحدث لنجوم تبلغ كتلتهاعشرة إلى 100 كتلة شمسية . كما حتى النجم كبير الكتلة كهذه يستهلك وقودة النووي بسرعة أكبر عن معدل إستهلاك الشمس لوقودها ، فبينما يبلغ عمر الشمس حتى الآن 5و4 مليار سنة وباقي في عمرها نحوخمسة مليار سنة أخرى حتى تنتهي في صورة عملاق أحمر ، يستهلك نجم كبير الكتلة وقوده خلال من الممكن 1 مليار سنة وينفجر في صورة مستعر أعظم ، مثال على ذلك نجم النسر الواقع الذي يبلغ عمره نحو500 مليون سنة وباقي من عمره نحو500 مليون سنة ، ينفجر بعدها كمستعر أعظم . و يتفق الفهماء على حتى المجموعة الشمسية قد تكونت من أشلاء انفجار نجم سابق ضخم (مستعر أعظم ) وبذلك نجد في الأرض والشمس بعض الآثار من العناصر الثقيلة كاليورانيوم والرصاص والمضى والفضة.