Ewolucja atomowych jąder

Początek rozwoju atomów zaczyna się w głębi gwiazd. W tej głębi istnieje mieszanina atomów różnorodnych pierwiastków chemicznych oraz ich fundamentalnych cząstek: protonów, neutronów oraz protoelektronów.*1) Znajdujące się tam atomy nie mogą łączyć się ze sobą i tworzyć molekuły. Bo odległości między nimi są o wiele rzędów mniejsze aniżeli promienie molekularnych powłok, dzięki którym powstają molekuły. Atomy istnieją tam pod postacią jąder.

W centrum gwiazdy i w najbliższych jego okolicach istnieje jedynie bardzo gęsta mieszanina fundamentalnych cząstek. Brakuje tam atomowych jąder, bo przy niezwykle intensywnych ruchach cząstek materii względem siebie istnieją bardzo małe szanse na powstanie nawet najprostszych jąder, np. jąder wodoru protu 2H1. Bo gdy za pomocą jądrowych powłok powstanie połączenie protonu i neutronu, to w krótkim czasie wskutek zderzeń z innymi cząstka ta najprostsza struktura ulega rozbiciu.

W obszarach, które są położone trochę dalej od centrum gwiazdy, panują łagodniejsze warunki. Tutaj także między atomami nie mogą tworzyć się molekularne więzi, ale tutaj może przebiegać ewolucyjny rozwój atomów - z najprostszych jąder mogą kształtować się bardziej złożone jądra.


Na powyższym obrazku przedstawiono położenie względem siebie centralnych punktów fundamentalnych cząstek, które tworzą jądra deuteru 2H1, trytu 3H1 i helu 3He2. Cząstki są oddalone od siebie na odległość, która jest równa w przybliżeniu długości promienia potencjałowej powłoki. Potencjałowa powłoka to nazwa sferycznego obszaru, który w pewnej odległości otacza centralny punkt cząstki. W tej odległości cząstka ma zdolność do zmiennego przyspieszania drugiej cząstki, która znajdzie się w tej strefie. Przy odległości między dwoma cząstkami nieco większej od długości promienia*2) powłoki obie cząstki zaczynają przyspieszać swoją sąsiadkę w kierunku "do siebie", a przy nieco mniejszej odległości od długości promienia powłoki każda cząstka przyspiesza sąsiadkę w kierunku "od siebie". W ten sposób cząstki drgają względem siebie. A z tego powodu, że proton i neutron to są różne cząstki, to i ich matematyczne przyspieszeniowe funkcje (funkcje natężenia pola) przebiegają w odmienny sposób. W rezultacie proton i neutron jako układ cząstek nie może pozostawać w jednym miejscu - wynikiem wzajemnego oddziaływania jest wypadkowe przyspieszenie tego układu. Podobnie dzieje się w przypadku jądra trytu 3H1 i helu 3He2. Przedstawione trzy najprostsze strukturalne układy przyspieszają wzdłuż prostej linii. Powstające w trakcie ewolucji bardziej złożone strukturalne układy najczęściej przemieszczają się wzdłuż krzywych linii i jednocześnie wirują. W ten sposób poruszają się atomy, kiedy już zostaną z gwiazdy wyrzucone i znajdą się w próżni kosmicznej, gdzie jest dużo miejsca dla swobodnego ruchu.

Zanim zostanie przedstawiony dalszy ewolucyjny rozwój atomów, należy tu wprowadzić pewnego rodzaju podstawowe pojęcie, które uprości opisanie tego rozwoju oraz ułatwi rozumienie istoty rozwoju. Gdy ogląda się powyższy rysunek, to widać, że położenie trzech nukleonów niejako wyznacza wierzchołki równobocznego trójkąta. Jest to ważne, że wszystkie odległości między trzema cząstkami są jednakowe. Powstawanie i rozwój bardziej złożonych atomów polega na przyłączaniu się kolejnych nukleonów do istniejącej już struktury jądra. To przyłączenie jest najbardziej trwałe wtedy, gdy przyłączany czwarty nukleon zostaje zatrzymany na jądrowych potencjałowych powłokach wszystkich trzech połączonych już ze sobą nukleonów. Wówczas ten czwarty nukleon także utrzymuje te trzy nukleony na swojej jądrowej powłoce. W ten sposób wszystkie cztery nukleony niejako wyznaczają wierzchołki foremnego czworościanu. Do zrozumienia tego, co dzieje się w trakcie ewolucji jąder i sposobu, w jaki powstają kolejne czworościenne strukturalne układy, układ trzech cząstek można nazwać pe-podstawą. Trzy cząstki zawsze leżą w jednej płaszczyźnie. Stąd pochodzi to "pe", które znajduje się przed "podstawą". Opierając się na tym można stwierdzić, że cząstki 3, 33 i 36, które tworzą strukturę trytu, tworzą jednocześnie pe-podstawę 3-33-36. Podobnie można stwierdzić o cząstkach 1, 3 i 36, które tworzą strukturę helu 3He2, że tworzą one pe-podstawę 1-3-36. W tych przypadkach z obu stron pe-podstawy może zostać przyłączony nukleon, od którego odległość do nukleonów, które tworzą pe-podstawę, będzie taka sama, jak odległości między tymi nukleonami.

Przechodząc teraz do początków ewolucyjnego procesu, można stwierdzić, że zarówno ze struktury trytu, jak i ze struktury helu 3He2 może się ukształtować struktura jądra helu 4He2. W pierwszym przypadku z jądrem trytu wiąże się jeden proton, a w drugim przypadku z jądrem helu 3He2 wiąże się jeden neutron.

W procesie ewolucji atomowych jąder, który toczy się we wnętrzu gwiazd, dochodzi do powstawania jąder, które można nazwać wodorem 4H1 i litem 4Li3. Ale są to jądra o niezwykle krótkim okresie trwania, dlatego nie są one w przyrodzie spotykane. Bo prawa przyrody są takie, że jeden neutron w trwały sposób może związać się z dwoma protonami i tak dzieje się w helu 3He2. Proton ma mniejszą zdolność wiązania i utrzymania przy sobie neutronów i w trwały sposób może związać się jedynie z jednym neutronem, co ma miejsce w wodorze 2H1. Bez sąsiedztwa neutronu nie mogą związać się ze sobą dwa protony, a bez sąsiedztwa protonu nie mogą związać się ze sobą dwa neutrony. Dotyczy to wiązań między nukleonami, które powstają za pomocą jądrowych potencjałowych powłok, a nie dotyczy wiązań powstających za pomocą molekularnych potencjałowych powłok. Bo np. za pomocą molekularnych powłok łączą się ze sobą dwa atomy wodoru i powstaje molekuła wodoru.

W strukturze jądra helu 4He2 można wyróżnić cztery pe-podstawy. Do każdej pe-podstawy może zostać przyłączony proton bądź neutron. W zależności od położenia przyłączonego nukleonu nowo powstałe jądro ma różny stopień trwałości oraz różne możliwości samoprzyspieszania. Do jądra 4He2, do zewnętrznej strony pe-podstawy 1-3-33, może zostać przyłączony trzeci neutron z numerem31 i taki izotop helu powinien być stabilny. Ale dotychczas brak jest informacji, aby badaczom udało się odkryć hel 5He2.

Do jądra helu 4He2 zamiast dodatkowego neutronu  może zostać przyłączony dodatkowy proton. Wówczas powstaje jądro atomu litu 5Li3. Izotop litu 5Li3 także do tej pory nie został odkryty. Obecnie znane są izotopy tego pierwiastka z jądrami zawierającymi 3 i 4 neutrony. Tę sytuację można wyjaśnić tym, że wskutek przyłączenia jednego protonu do struktury jądra helu 5He2 powstają dodatkowe trzy pe-podstawy. Ilość pe-podstaw zwiększa się do ośmiu i w ten sposób powstają miejsca dla przyłączenia kolejnych neutronów.

Jądro helu 5He2 można rozpatrywać jako podstawę do dalszego rozwoju struktury jądrowej, bo ten system cząstek ma już sześć pe-podstaw i do nich mogą przyłączyć się kolejne cząstki - proton 2 a w następnej kolejności neutron 32 (jak na poniższym schematycznym rysunku Lit_7Li3_Izomer1).

Po przyłączeniu tych nukleonów powstają jądra litu 6Li3 oraz 7Li3. A po przyłączeniu nukleonów w innych miejscach, do innych pe-podstaw, powstają także ich jądrowe izomery. Powstawaniu jądrowych izomerów oraz izotopów sprzyja duża liczba pe-podstaw. Ten fakt sprzyja także powstawaniu jąder kolejnych atomów z tablicy Mendelejewa: berylu, boru, węgla, azotu, tlenu itd., a także sprzyja powstawaniu ich jądrowych izomerów oraz izotopów.

Dalej będą przedstawione etapy powstawania pojedynczych jądrowych izomerów kilku kolejnych pierwiastków z tablicy Mendelejewa. I tak, po przyłączeniu do jądra litu 7Li3 (odpowiednio, do pe-podstawy 2-3-36 i pe-podstawy 1-33-36) neutronu 35 i protonu 4 powstaje jądro berylu 9Be4.

Po przyłączeniu do jądra berylu 9Be4 (odpowiednio, do pe-podstawy 1-3-36 i do pe-podstawy 2-33-36) neutronu 34 i protonu 5 powstaje jądro boru 11B5.

Po przyłączeniu do jądra boru 11B5, do pe-podstawy 1-31-33, protonu 6 powstaje jądro węgla 12C6.

Po przyłączeniu do jądra węgla 12C6 (odpowiednio, do pe-podstawy 2-3-32 i do pe-podstawy 2-32-33) neutronu 37 i protonu 7 powstaje jądro izotopu azotu 14N7.

Po przyłączeniu do jądra izotopu azotu 14N7, do jego pe-podstawy 1-3-31, neutronu 38 powstaje atomowe jądro izotopu azotu 15N7.

Po przyłączeniu protonu 8 do pe-podstawy 3-34-35, znajdującej się w jądrze azotu 15N7, powstaje jądro atomu tlenu 16O8.

Można by przedstawiać kolejne cykle w ewolucyjnym powstawaniu atomów, ale wraz ze wzrostem liczby nukleonów w strukturze widać, że do tej pracy potrzebny jest komputer o dużej obliczeniowej mocy oraz odpowiedni komputerowy program. Taki program, kiedy są znane współrzędne trzech nukleonów tworzących pe-podstawę, powinien obliczać współrzędne czwartego nukleonu. Tutaj do przedstawienia kolejnych cykli w ewolucyjnym rozwoju atomowych jąder pomocny był modelujący komputerowy program Gas2n.exe. Ale ten program jest bardzo prosty i takich obliczeniowych możliwości nie posiada. Służył on głównie do obserwacji zachowania modelowanych atomowych jąder.*3)
______________________________________
*1) Fundamentalne cząstki materii zostały opisane w art. "Istota fundamentalnych cząstek materii i oddziaływań" na http://pinopa.narod.ru/11_C3_Protoelektron.pdf
oraz na https://www.salon24.pl/u/swobodna-energia/495577. 
*2) Promień powłoki jest to odległość od centrum cząstki do sfery potencjałowej powłoki, gdzie przyspieszenie innych cząstek równa się zero.
*3) Aby wykonać ćwiczenia z wzajemnie przyśpieszającymi się cząstkami, należy skorzystać z programu wykonawczego Gas2n.exe znajduje się on na http://pinopa.narod.ru/Gas2n.zip. Po otwarciu wykonawczego programu należy w tablicy "Formula" uaktywnić przycisk"PES". Bo cząstki oddziałują ze sobą wzajemnie zgodnie z tą właśnie matematyczną funkcją. Do hamowania ruchu cząstek, czyli do odprowadzania części energii, która jest związana z biegnącym procesem, służy przycisk "Cooler". Gdy przycisk "Cooler" jest aktywny, wówczas przy obliczaniu kolejnych położeń cząstek w układzie współrzędnych, podczas każdej iteracji obliczeniowej, prędkość cząstek jest zmniejszana o 1%.
Uwaga1: Komputerowe programy modelujące, które można skopiować na "stronie pinopy", pracują poprawnie na komputerach z systemami Windows ME i Windows XP. Współpraca z innymi operacyjnymi systemami jest możliwa, ale wymaga sprawdzenia.
Uwaga2: W zapisanym tytule pliku, np. Wegiel_12C6_Izom1_Thm2900.gas, litery "Thm" oznaczają, że podczas sprawdzającego ćwiczenia z plikiem Wegiel_12C6_Izom1.gas była używana funkcja hamowania ruchu cząstek, czyli podczas trwania 2900 obliczeniowych iteracji był aktywny przycisk "Cooler".
_____________________________________
Bogdan Szenkaryk "Pinopa"
Polska, Legnica, 2020.10.08.

____________________________________

W związku z wątpliwościami oraz zapytaniami Czytelników (pojawiły się one na blogu pod art. "Ewolucja atomowych jąder" na https://www.salon24.pl/u/swobodna-energia/1081577), dzisiaj (dnia 2020.10.08) wyjaśniam, w jaki sposób powstają i ewoluują gwiazdy.

Narodziny i ewolucja gwiazdy

Podczas rozważań na temat ewolucyjnego rozwoju atomowych jąder może powstać pytanie: Dlaczego na zewnątrz gwiazdy, daleko od niej w kosmicznej przestrzeni, nie mogą powstawać atomowe jądra?  Przecież jest to obszar wypełniony protoelektronowym ośrodkiem, w którym także istnieją poruszające się względem siebie protony i neutrony. Te nukleony poruszają się względem siebie dzięki wzajemnemu  przyspieszaniu w kierunku "do siebie". A dzieje się to za przyczyną jednej ze składowych fundamentalnego oddziaływania, a konkretnie, składowej grawitacyjnej. Cząstki, które pędzą do siebie nawet z niewielką prędkością, nie mogą utworzyć trwałego związku. Bo gdy cząstka przelatuje przez obszar potencjałowej powłoki drugiej cząstki, to jej prędkość ulega jedynie niewielkiej zmianie. Najczęściej zmienia się także kierunek ruchu cząstek i przekazanie sobie części energii kinetycznej. Trwałe połączenie ze sobą cząstek może nastąpić jedynie w gęstym ośrodku protoelektronowym, który skutecznie hamuje ruch cząstek. I połączenie może nastąpić jedynie w takiej sytuacji, kiedy radykalne wyhamowanie ruchu cząstek względem siebie następuje akurat w obszarze potencjałowej powłoki. Dopiero w takiej sytuacji zaczyna istnieć trwały związek dwóch cząstek - protonu i neutronu. Od tego momentu cząstki pozostają w obszarze potencjałowej powłoki swojej sąsiadki i nadają sobie nawzajem zmieniające się przyspieszenie.

Narodziny gwiazdy to "wielkie słowa". Bo proces zaczyna się od powstawania miejscowych, składających się z cząstek drobnych zagęszczeń. Ten proces przebiega pod wpływem grawitacyjnego oddziaływania między nimi. Dzieje się to w nieskończonym wszechświecie i niezwykle daleko od innych zagęszczeń w postaci gwiazd i innych ciał niebieskich, które powstały wcześniej. Zatem drobne skupiska cząstek nie odczuwają znikomego wpływu niezwykle daleko położonych ciał niebieskich. Bo znacznie większy wpływ pochodzi od sąsiednich drobnych skupisk cząstek. Te oddziaływania między nimi powodują ich zbliżanie się do siebie i tworzenie coraz większych skupisk nukleonów. Ten proces gromadzenia się nukleonów przyczynia się do zagęszczania protoelektronowego ośrodka zarówno wewnątrz powstającego quasi-gazowego ciała, jak i wszędzie wokół niego. Wzrost tego obiektu przyczynia się do coraz większego przyspieszania "do siebie" innych skupisk nukleonów i nadawania im coraz większych prędkości zanim dołączą one do powstającej gwiazdy. W ten sposób materia gwiazdy osiąga coraz wyższą temperaturę i po upływie wielu miliardów lat zaczyna produkować najprostsze atomy. W miarę upływu kolejnych miliardów lat wewnątrz ciała gwiazdy powstają coraz bardziej złożone atomy, ich jądrowe izomery oraz izotopy.

W miarę upływu kolejnych miliardów lat coraz wyższa temperatura obejmuje także obszary, w których już znajdują się duże ilości materii atomowej. Od czasu do czasu w niektórych obszarach gwiazdy dochodzi do reakcji, które nazywamy jądrowymi. Ale tam jądrowemu rozpadowi ulegają atomy, które tu na Ziemi są znane jako trwałe. We wnętrzu gwiazdy, w niektórych jej miejscach, zaczynają powstawać warunki, w których te trwałe atomy stają się promieniotwórczymi. Te miejscowe jądrowe wybuchy są stopniowo tłumione. Dzieje się tak, bo grawitacyjne oddziaływanie pozostałej materii gwiazdy jest wystarczająco silne, aby gwiazda dalej istniała jako jedna całość.  Mijają następne miliardy lat i wreszcie nadchodzi moment, w którym następuje ten jeden jedyny jądrowy wybuch, który powoduje rozerwanie gwiazdy i rozrzucenie jej materii do otaczającej przestrzeni.
________________________________