Берилій-8

Берилій-8 Таблиця ізотопів
Загальні відомості
Назва, символ	Берилій-8,^8Be
Нейтронів	4
Протонів	4
Властивості ізотопу
Природна концентрація	0
Період напіврозпаду	(8.19±0.37)×10^−17 s
Продукти розпаду	^4He
Атомна маса	8.00530510(4) а.о.м
Спін	0
Канал розпаду	Енергія розпаду
α	(91.84±4)×10^−3 МеВ

Берилій-8 (^8Be, Be-8) — дуже нестійкий радіонуклід із 4 нейтронами та 4 протонами. Він розпадається на дві альфа-частинки з періодом піврозпаду порядку 8,19 × 10^−17 секунд. Його нестійкість має важливі наслідки для зоряного нуклеосинтезу, оскільки створює вузьке місце у синтезі важчих хімічних елементів. Протилежним фактором, який полегшує перебіг потрійного альфа-процесу, дещо компенсуючи нестійкість ^8Be, є резонансний збуджений стан вуглецю-12, теоретично передбачений Фредом Гойлом на основі спостережуваного зоряного нуклеосинтезу. Властивості ^8Be також призвели до гіпотез щодо тонкої настройки Всесвіту та теоретичних досліджень уявних світів зі стійким ^8Be.

Відкриття

Берилій-8 відкрили незабаром після будівництва першого прискорювача елементарних частинок у 1932 році. Фізики Джон Кокрофт і Ернест Волтон в Кавендіській лабораторії в Кембриджі опромінювали протонами ядро літію-7. Вони повідомили, що це створювало ядро з масою A = 8, яке майже миттєво розпадалось на дві альфа-частинки[1].

Властивості

Потрійний альфа-процес

Берилій-8 має надлишок енергії 92 кеВ у порівнянні з двома альфа-частинками (ядрами гелію-4)[2], тому розпад берилію-8 на дві альфа-частинки є енергетично вигідним[3], а синтез ^8Be з двох ядер ^4He є ендотермічним. Розпаду ^8Be сприяє структура ядра ^8Be: воно сильно деформоване і вважається молекулоподібним скупченням двох альфа-частинок, які дуже легко розділити[4][5]. Однак ця система з двох α-частинок, щоб розділитись, має подолати невисокий енергетичний бар'єру, що дозволяє їй існувати протягом нетривалого часу[6], — період напіврозпаду ^8Be становить 8,19 × 10^−17секунд[7].

^8Be має кілька збуджених станів. Це також короткоживучі резонанси, що мають ширину до кількох МеВ і різні ізоспіни, які швидко розпадаються до основного стану або на дві альфа-частинки[8].

Роль у зоряному нуклеосинтезі

У зоряному нуклеосинтезі два ядра гелію-4 можуть зіштовхнутися і злитися в одне ядро берилію-8, але той дуже швидко розпадається назад на два ядра гелію-4. Це створює вузьке місце в первинному нуклеосинтезі та зоряному нуклеосинтезі[6], перешкоджаючи утворенню важких елементів у першому та обмежуючи їх утворення у другому процесі. Якщо берилій-8 встигає зіштовхнутись з ядром гелію-4 до того, як розпадеться, то вони можуть злитися в ядро вуглецю-12. Цю реакцію вперше незалежно запропонували Епік[9] і Солпітер[10] на початку 1950-х років.

Домінантною реакцією утворення ^12C і важчих елементів є потрійний альфа-процес, швидкість якого обмежена коротким часом життя ^8Be. Однак, якби час життя ^8Be був взагалі нульовим, то потрійний альфа-процес, виявлявся б не послідовністю двох двохчастинкових процесів, а трьохчастинковою реакцією, і був би зовсім малоймовірним. Ще однією перешкодою на шляху до утворення ^12C є те, що зіткнення між ^8Be і ^4He найчастіше розбиває систему на альфа-частинки, а не спричиняє синтез ^12C[11].

Оскільки з розрахунків виходило, що швидкість потрійного альфа-процесу менша, ніж необхідна для пояснення зоряного нуклеосинтезу, Фред Гойл у 1954 році постулював існування резонансу вуглецю-12 в області енергій зоряного потрійного альфа-процесу, що мало підвищити швидкість утворення вуглецю-12, попри надзвичайно короткий період напіврозпаду берилію-8[12]. Існування цього резонансу (так званий «стан Гойла») справді було підтверджено експериментально незабаром після цього теоретичного передбачення. Це передбачення Гойла тепер використовується як аргумент на користь антропного принципу та гіпотези точно вивіреного Всесвіту[13][14].

Гіпотетичні всесвіти зі стабільним ^8Be

Оскільки берилій-8 не зв'язаний лише на 92 кеВ, існує теорія, що дуже невеликі зміни в ядерному потенціалі та точне налаштування певних констант (таких як α, константа тонкої структури) можуть достатньо збільшити енергію зв'язку ^8Be, щоб запобігти його альфа-розпаду, і зробити його стабільним. Теоретично досліджувались гіпотетичні інші всесвіти з іншими фундаментальними константами, у яких ^8Be є стабільним[15]. Ці дослідження показали, що зникнення спричиненого ^8Be вузького місця в нуклеосинтезі[13] призводить до зовсім іншого сценарію потрійного альфа-процесу та змінює кількість важких елементів у Всесвіті[2]. Оскільки первинний нуклеосинтез під час Великого вибуху відбувся лише протягом короткого періоду часу, вважається, що не було б істотної різниці у виробництві вуглецю, навіть якби ^8Be був стабільним[6]. Однак стабільний ^8Be уможливить альтернативні шляхи реакції при горінні гелію (такі як ^8Be + ^4He і ^8Be + ^8Be, утворюючи фазу «горіння берилію») і, можливо, вплине на кількість результуючих ^12C, ^16O і важчих ядер, хоча ^1H і ^4He залишаться найпоширенішими нуклідами. Це також вплине на еволюцію зір через більш ранній початок і вищу швидкість горіння гелію (і горіння берилію)[15].

Примітки

1. Thoennessen, M. (2016). The Discovery of Isotopes: A Complete Compilation. Springer. pp. 45–48. doi:10.1007/978-3-319-31763-2. ISBN 978-3-319-31761-8. LCCN 2016935977.
2. Coc, A.; Olive, K. A.; Uzan, J.-P.; Vangioni, E. (2012). Variation of fundamental constants and the role of A = 5 and A = 8 nuclei on primordial nucleosynthesis. Physical Review D. 86 (4): 043529. arXiv:1206.1139. Bibcode:2012PhRvD..86d3529C. doi:10.1103/PhysRevD.86.043529.
3. Schatz, H.; Blaum, K. (2006). Nuclear masses and the origin of the elements (PDF). Europhysics News. 37 (5): 16—21. Bibcode:2006ENews..37e..16S. doi:10.1051/epn:2006502.
4. Freer, M. (2014). Clustering in Light Nuclei; from the Stable to the Exotic. У Scheidenberger, C. (ред.). The Euroschool on Exotic Beams: Lecture Notes in Physics. Lecture Notes in Physics. Т. 4. Springer. с. 1—37. doi:10.1007/978-3-642-45141-6. ISBN 978-3-642-45140-9. ISSN 0075-8450.
5. Zhou, B.; Ren, Z. (2017). Nonlocalized clustering in nuclei. Advances in Physics. 2 (2): 359—372. Bibcode:2017AdPhX...2..359Z. doi:10.1080/23746149.2017.1294033.
6. Coc, A.; Vangioni, E. (2014). The triple-alpha reaction and the A = 8 gap in BBN and Population III stars (PDF). Memorie della Società Astronomica Italiana. 85: 124—129. Bibcode:2014MmSAI..85..124C.
7. Audi, G.; Kondev, F. G.; Wang, M.; Huang, W. J.; Naimi, S. (2017). «The NUBASE2016 evaluation of nuclear properties». Chinese Physics C. 41 (3): 030001. Bibcode:2017ChPhC..41c0001A. doi:10.1088/1674-1137/41/3/030001.
8. Feng, J. L.; Fornal, B.; Galon, I. та ін. (2016). Evidence for a protophobic fifth force from ^8Be nuclear transitions. Physical Review Letters. 117 (7): 071803. arXiv:1604.07411. doi:10.1103/PhysRevLett.117.071803. PMID 27563952.
9. Öpik, E. J. (1951). Stellar Models with Variable Composition. II. Sequences of Models with Energy Generation Proportional to the Fifteenth Power of Temperature. Proceedings of the Royal Irish Academy, Section A. 54: 49—77. JSTOR 20488524.
10. Salpeter, E. E. (1952). Nuclear Reactions in the Stars. I. Proton-Proton Chain". Physical Review. 88 (3): 547—553. Bibcode:1952PhRv...88..547S. doi:10.1103/PhysRev.88.547.
11. Inglis-Arkell, E. This Unbelievable Coincidence Is Responsible For Life In The Universe. Gizmodo. Процитовано 14 липня 2019.
12. Hoyle, F. (1954). «On Nuclear Reactions Occurring in Very Hot STARS. I. the Synthesis of Elements from Carbon to Nickel». Astrophysical Journal Supplement. 1: 121—146, doi:10.1086/190005
13. Epelbaum, E.; Krebs, H.; Lee, D.; Meißner, Ulf-G. (2011). Ab initio calculation of the Hoyle state. Physical Review Letters. 106 (19): 192501–1–192501–4. arXiv:1101.2547. Bibcode:2011PhRvL.106s2501E. doi:10.1103/PhysRevLett.106.192501. PMID 21668146.
14. Jenkins, David; Kirsebom, Oliver (7 лютого 2013). The secret of life. Physics World (брит.). Архів оригіналу за 13 лютого 2021. Процитовано 21 серпня 2021.
15. Adams, F. C.; Grohs, E. (2017). Stellar helium burning in other universes: A solution to the triple alpha fine-tuning problem. Astroparticle Physics. 7: 40—54. arXiv:1608.04690. Bibcode:2017APh....87...40A. doi:10.1016/j.astropartphys.2016.12.002.