MAGKMIA AZ ORVOSI LABORATRIUMI S KPALKOT DIAGNOSZTIKAI ANALITIKUS

MAGKÉMIA AZ ORVOSI LABORATÓRIUMI ÉS KÉPALKOTÓ DIAGNOSZTIKAI ANALITIKUS ALAPSZAK HALLGATÓI RÉSZÉRE DR. KELEMEN JÁNOS MAGREAKCIÓK A tananyag a TÁMOP-4. 1. 2. A/1 -11/1 -2011 -0106 program keretében készült. © Dr. Kelemen János Lektor: Dr. Lakatos Tibor Pécsi Tudományegyetem, Egészségtudományi Kar • Pécs, 2014 1

TARTALOM - MAGREAKCIÓK (3. dia) - A MAGREAKCIÓK JELLEMZÉSE (5. dia) - A MAGREAKCIÓK CSOPORTOSÍTÁSA (21. dia) - A REAKCIÓK JELLEGE ALAPJÁN (22. dia) - REAKCIÓMECHANIZMUS SZERINT (23. dia) - A KÖZBENSŐ MAG KÉPZŐDÉSÉNEK JELLEMZŐI (24. dia) - DIREKT REAKCIÓK (28. dia) - SZÓRÓDÁSOS REAKCIÓK (29. dia) - SPALLÁCIS REAKCIÓK (35. dia) - A MAGREAKCIÓK CSOPORTOSÍTÁS A BOMBÁZÓ RÉSZECSKE TÍPUSA SZERINT (36. dia) - NETRONOKKAL KIVÁLTOTT MAGREAKCIÓK (46. dia) - MAGHASADÁS (65. dia) - A LÁNCREAKCIÓ (74. dia) - PROTONOKKAL KIVÁLTOTT MAGREAKCIÓK (78. dia) - TRÍCIUM-MAGOKKAL KIVÁLTOTT MAGREAKCIÓK (91. dia)

TARTALOM (folyt. ) - -RÉSZECSKÉKKEL KIVÁLTOTT MAGREAKCIÓK (92. dia) - NEHÉZIONOKKAL KIVÁLTOTT MAGREAKCIÓK (97. dia) - -SUGARAKKAL KIVÁLTOTT MAGREAKCIÓK (106. dia) - TERMONUKLEÁRIS MAGREAKCIÓK (110. dia) - ELSŐDLEGES (PRIMORDINÁLIS) SZINTÉZISEK (113. dia) - FÚZIÓS FOLYAMATOK A CSILLAGOKBAN (115. dia) - A CSILLAGOK ÉLETE (118. dia) - A CSILLAGOK ÉLETÉNEK FÁZISAI (127. dia) - KÉMIAI ELEMEK SZINTÉZISE A CSILLAGOKBAN (152. dia) - A PROTON-CIKLUS (155. dia) - A CNO-CIKLUS (159. dia) - ‘HÉLIUMÉGÉS’ (163. dia) - ‘SZÉNÉGÉS’ (164. dia) - ‘OXIGÉN- és NEONÉGÉS’ (166. dia) - ‘SZILÍCIUMÉGÉS’ (167. dia) - s - folyamat (169. dia) - r - folyamat (170. dia) - p - és e - folyamat (171. dia)

MAGREAKCIÓK Magreakciónak nevezzük azt a folyamatot, amelynek során valamely atommag egy másik atommaggal, elemi részecskével vagy fotonnal kerül kölcsönhatásba, és ennek következtében egy új atommag keletkezik (elemátalakulás). A reakciót foton, -részecske vagy egyéb nukleon felszabadulása is kísérheti. Első mesterséges magreakció : (RUTHERFORD, 1919. ) Első mesterséges radioaktív elem előállítása : (Frederic-Joliot CURIE és Irene CURIE, 1934. ) Arany előállítása magreakcióval :

A magreakciók kivitelezésekor az egyik magot (target célmag) általában valamilyen szilárd hordozóanyag tartalmazza, amit bombáznak a másik magot hordozó ionsugárral („belövés”). A magreakciók rövidített jelölése : § Abban az esetben, ha a belövő b részecske nehezebb, mint a célmag, inverz ütközésről beszélünk. § Nehéz belövő részecskék esetén nemcsak egyetlen új mag és egy felszabaduló részecske keletkezhet, hanem több új részecske is létrejöhet. A ( b, c) D célmag ( target ) belövő részecske keletkező új mag felszabaduló részecske Pl. a neutronsugárzás előállítására is használható az alábbi reakció : melynek jelölése :

A magreakciók jellemzése a. ) Hatáskeresztmetszet ( ) - valamely reakció létrejöttének valószínűségét jellemzi - számszerűleg megmutatja, hogy a célmag mekkora fiktív területet foglal el a besugárzó nyalábból - szemléletesen az a felület, amelyen a beeső részecskének, át kell haladnia, hogy kölcsönhatás jöjjön létre Besugárzó nyaláb keresztmetszete (1 cm 2) Hatásos ütközések helye a célmagban hatáskeresztmetszet

- a hatáskeresztmetszet ténylegesen a célmagban másodpercenként lejátszódó magreakciók számának és az egységnyi területre (1 cm 2 -re) jutó bombázó részecskék másodpercenkénti számának hányadosa = reakciók száma / mag / sec bombázó részecskék száma / cm 2 sec fluxus Ha N 0 számú részecske bombáz valamely vékony d vastagságú, egységnyi térfogatot (1 cm 3), amelyben n a célmagok száma, és ahol a hatáskeresztmetszetek nem fedik egymást, N 0 d a végbemenő magreakciók száma N száma : N = N 0 n d Ha a réteg vastag, és a hatáskeresztmetszetek átfedik egymást : N = N 0 (1 e n d)

A hatáskeresztmetszet mértékegysége a barn (b). 1 b = 10 -24 cm 2 = 10 -28 m 2 Az atommagok átlagos hatáskeresztmetszete ~ 1 b. A magok hatáskeresztmetszete azonban jelentősen eltérhet a tényleges fizikai, geometriai mérettől, és akár 100 000 -szerese is lehet a mag tényleges geometriai keresztmetszetének. A neutronbefogás hatáskeresztmetszete nagy, gyakran eléri a 105 barnt. Ezért annyira hatásosak a neutron kiváltotta magreakciók. Nuklid Lassú (termikus) neutronok befogására vonatkozó hatáskeresztmetszetek láthatók különböző magok esetében a mellékelt táblázatban. 4 He 16 O 12 C 238 U 235 U 239 Pu 10 B 149 Sm 135 Xe [ barn ] ~0 0, 00018 0, 0034 2, 7 678 1 011 3 840 41 011 2 650 000

A neutronbefogás hatáskeresztmetszete a mag összetételétől is függ. q A mágikus számoknak megfelelő proton vagy neutronszámú magok sokkal stabilabbak, mint a környezetükben levő hasonló összetételű magok, ezért nehezebben hajlandók további neutron(ok) befogására. - Az ilyen magok különösen nagy stabilitása a héjmodellel jól értelmezhető. ( Lásd Magmodellek c. fejezet. ) Az előző oldali táblázat is jól mutatja, hogy a 4 He és 16 O magok neutronabszorpciója igen csekély. Atommagjukban ui. mind a protonszám (2, il. I. 8), mind pedig a neutronszám (ugyancsak 2, ill. 8) mágikus számú. q A következő két ábra a kémiai elemek termikus neutronok abszorpciójára vonatkozó hatáskeresztmetszeteket mutat be. Ø Azoknál a kémiai elemeknél, melyek rendszáma (protonszáma) valamely mágikus számmal egyezik meg, a neutronbefogási hatáskeresztmetszet kisebb, mint a sorban előttük vagy mögöttük levő hasonló rendszámú elemeké (lásd ábra). A 28 és 82 ez esetben nem teljesen illik a sorba, a környezethez képest nem ezeknél van a hatáskeresztmetszet minimuma. Ø A neutronszám függvényében ábrázolt befogási hatáskeresztmetszetek még jellegzetesebbek, jellegzetesebbek a már a magban lévő neutronok számához képest mutatják a „befogási hajlandóságot”. A mágikus neutronszámoknak megfelelő értékeknél a hatáskeresztmetszetek 10 -szer vagy akár 50 -100 -szor kisebbek (nagyságrend !), mint a hasonló neutronszámú magoké.

termikus neutronokra vonatkozó Neutronbefogási hatáskeresztmetszetek függése a rendszámtól természetes izotópösszetételű elemek esetében 2 8 20 28 ? Forrás : http: //enviromentalchemistry. com/yogi/periodic/crossection. html 50 82 ?

[ mb ] 100 10 N = 126 N = 82 N = 50 1 N = 28 neutronabszorpció hatáskeresztmetszete log Neutronbefogási hatáskeresztmetszetek függése a a mag neutronszámától 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 N neutronok száma a magban Forrás : http: //www. shef. ac. uk/uni/academic/N-Q/teaching/phy 303 -3. html Azoknál a magoknál, melyekben a neutronok száma megegyezik egy mágikus számmal, ( 28, 50, 82, 126 ) sokkal kisebb neutronbefogási hatáskeresztmetszet mérhető, mint A környezetükben levő hasonló összetételű magoknál.

Ha egy magban többféle magreakció is végbemehet ugyanazon sugárzás hatására, a különböző reakcióknak más az ún. parciális hatáskeresztmetszete ( i ). A parciális hatáskeresztmetszetek összege adja a teljes hatáskeresztmetszetet ( összes). rugalmas szóródás rugalmatlan szóródás összes = befogásos reakció abszorpció hasadásos reakció egyéb összes = szóródás + abszorpció + egyéb

A hatáskeresztmetszet matematikailag a Gregory BREIT és WIGNER Jenő által meghatározott BREIT WIGNER-formulával írható le, ami végeredményben egy olyan valószínűségi sűrűségfüggvény, ami a részecskék energiaeloszlásáról ad információt : (E) max félértékszélesség max 2 A függvény képe az ún. rezonanciagörbe, amely azon energiaérték (Emax) körüli tartományt „fedi le”, ami hatásos magreakciót eredményez : a belövő részecske ‘ rezonál ‘ a célmaggal. Emax 2 A reakció valószínűsége Emax -nál a legnagyobb ; ekkora energiánál legkedvezőbbek az energiaviszonyok. Emax E Emax+ 2 A BREIT WIGNER-formula a CAUCHY-féle eloszlásfüggvényt követi. Általában a rövid élettartamú részecskék energiaeloszlásának jellemzésére alkalmazzák. Minél rövidebb ugyanis egy részecske élettartama ( ), a HEISENBERG-féle határozatlansági reláció értelmében energiája annál inkább eltér az Emax legvalószínűbb értéktől, azaz annál nagyobb lesz értéke. Lásd még : -sugárzás kölcsönhatása az anyaggal / Magrezonancia abszorpció

b. ) A Q-érték - Valamely magreakció Q-értékét a résztvevő atommagok (nuklidok) reakció előtti és reakció utáni tömegkülönbségei adják. Ez a tömegkülönbség az EINSTEN-féle tömeg-energia ekvivalencia-elv értelmében energiának felel meg, amely felszabadulhat vagy elnyelődhet. Általában egy A ( b, c) D reakcióra : Q = [ ( m. A + mb ) ( mc + m. D ) ] c 2 = m c 2 ha Q 0 EXOTERM magreakciók ha Q 0 ENDOTERM magreakciók

EXOTERM magreakciók - a termékekben a magerők összességében erősebbek, mint a kiindulási anyagokban - a kiindulási magok tömegének összege nagyobb, mint a termékek tömegének összege - tömeg alakul át energiává Q értéke a részecskék tömegének csökkenése - a felszabaduló energia felhasználódik - a keletkező magok kinetikus (mozgási) energiájává, vagy - az egyik termék gerjesztési energiájává, ami -sugárzásként szabadul fel Pl. 9 Be ( n , ) 10 Be Q = 6, 81 Me. V A ( p , ) vagy az (n , ) típusú reakciókban a magból távozó -részecske a viszonylag nagy tömege miatt több energiát visz magával, mint amennyit a bombázó részecske hozott. Pl. 6 Li ( p , ) 3 H Q = 4, 02 Me. V 19 F ( p , ) 16 O Q = 8, 12 Me. V 10 B ( n , ) 7 Li Q = 2, 79 Me. V Ha -részecske távozik, a reakció rendszerint exoterm. ( Lásd még -részecskékkel kiváltott magreakciók c. fejezet. ) A neutronokkal kiváltott reakció viszont mindig exoterm.

ENDOTERM magreakciók - a termékekben a magerők átlagos összetartó ereje gyengébb, mint a kezdeti magokban - a kiindulási magok tömegének összege kisebb, mint a termékek tömegének összege - energia alakul át tömeggé - a magreakció csak energiabefektetéssel mehet végbe ún. „küszöbenergia” szükséges - Pl. a bombázó részecskét kellően nagy sebességre kell gyorsítani, hogy a mozgási energiája (vagy annak egy része) biztosítsa a küszöbenergiát. kinetikus energia fedezi a tömeghiányt A belövő részecske több energiát hoz, mint amennyit a távozó részecske magával visz. Pl. ( p , n ) vagy ( , n ) típusú reakciók 13 C ( p , n ) 13 N Q = -3, 00 Me. V 7 Li ( , n ) 3 H Q = -4, 02 Me. V

c. ) A küszöbenergia ( Ek ) - Endoterm magreakcióknál a reakció indulásához mindenképpen aktiválási energia szükséges, amely a bombázó részecske kinetikus (mozgási) energiájából származhat. A küszöbenergia a bombázó részecske azon minimális energiája, amely már képes elindítani a reakciót. - A küszöbenergiának nagyobbnak kell lennie, mint a reakció Q-értéke. A küszöbenergia tényleges értéke a célmag és a bombázó részecske töltésétől és tömegétől függ. - Endoterm reakciók hatáskeresztmetszete a küszöbenergia alatt nulla, a küszöbenergiát elérve viszont ugrásszerűen megnő. - Exoterm reakciók indulásához is szükség van valamekkora küszöbenergiára, ami a COULOMB-taszítást legyőzi.

d. ) A COULOMB-gát Ha bombázó nyaláb részecskéi pozitív töltéssel rendelkeznek, akkor ahhoz, hogy elérhessék az atommagot, le kell győzniük a COULOMB-féle taszítóerőket, melyek hatótávolsága meghaladja a magerőkét, és jóval az atommagon kívül is jelentkezik. A pozitív töltések okozta potenciálgát az ún. COULOMB-gát , ami nagyobb kinetikus energiával győzhető le. E A bombázó részecskék minimális energiája CO UL az atommagbeli protonok potenciálja OM B- gá t a neutronok minimális energiája A neutronok számára mivel nincs töltésük nincs COULOMB-gát !

Mivel a COULOMB-taszítás és a COULOMB-gát a töltések számának növelésével növekszik, bombázó részecskéknek célszerűen kis rendszámú, kevés számú protont tartalmazó nuklidokat vagy semleges részecskéket (pl. neutron) érdemes választani. Pl. neutron (n) ( Z = 0 ) proton ( p ) (Z=1) deuteron (d ) ( Z = 1 ) deutérium-atommag triton (t) (Z=1) trícium-atommag -részecske ( ) ( Z = 2 ) 4 He-atommag 3 He-atommag (Z=2) gyakran használt bombázók

e. ) Megmaradási törvények a magreakciók során § Energiamegmaradás - A résztvevő belövő és célmag részecskék kinetikus energiája és tömege a magreakció során változhat hiszen ezek átalakulhatnak egymásba , de a vizsgált rendszer energiája összességében állandó marad. § Töltésmegmaradás - A résztvevő részecskék által hordozott elektromos töltések összege a magreakciók során állandó marad. § Nukleonszám-megmaradás - A nukleonok száma a magreakciók során nem változik. - Tágabb értelemben véve ez a kitétel csak akkor teljesül, ha a nukleonokat és az antinukleonokat nem különböztetjük meg. § Leptontöltés-megmaradás - A magreakciókban résztvevő elemi részecskék kölcsönhatásai során az össz-leptontöltés (össz-leptonszám) megmarad. - A leptonszám megmaradása a lepton-családokra is igaz (a legtöbb esetben). Azaz a magreakció során megmarad az elektronikus, müonikus és taunikus leptonszám is.

§ Impulzusmomentum-megmaradás - A magreakciókban résztvevő magok spinjének összege a magreakció során állandó marad. - Ugyancsak állandó marad a magok pályamomentumainak összege. - Az impulzusmomentum-megmaradás törvénye miatt nem lehetséges pl. olyan átalakulás, melynek során egy elemei részecske átalakulása során csupán egyetlen másik elemi részecske keletkezzen. - Mivel az energiamegmaradási törvénynek is teljesülnie kell, az új részecske energiája azonos lenne az eredetivel; az impulzusmomentumának viszont el kell térnie az eredeti impulzusmomentumtól, mert ha nem térne el, akkor az új részecske azonos lenne az eredetivel. Azonos energiák mellett viszont az impulzusmomentum csak akkor képes eltérni az eredetitől, ha legalább kettő vagy több új részecske keletkezik, és ezek impulzusmomentumaival számolunk. § Paritás-megmaradás - A paritása megmaradása az elektromágneses (Coulomb-féle), a gravitációs és az erős kölcsönhatások esetén teljesül, a gyenge kölcsönhatások során viszont sérül (paritássértés). A gyenge kölcsönhatásokban elemi részecskék bomlanak (bomlási kölcsönhatás), magátalakulások nem történnek. - A magreakciókra érvényes a paritás-megmaradás.

A MAGREAKCIÓK CSOPORTOSÍTÁSA Mivel napjainkban már igen nagy számú magreakció ismert, a magreakciók csoportosítása is sokféle szempont alapján lehetséges. Emiatt nehéz egységes és általános besorolási rendszert készíteni A csoportosítási elvek rendszerint mindig egy-egy adott szakterület vagy téma aktuális szempontjait, azok bemutatásának és tárgyalásának célját veszik elsősorban figyelembe. A különböző csoportokba való besorolások között sok esetben átfedések is keletkeznek, így ugyanaz a magreakció több csoportba is tartozhat (Lásd alább a példákat !) A továbbiakban a magreakciók besorolását, ill. tárgyalását § a reakciók jellege alapján, § a reakciómechanizmus szerint, § a bombázó részecske típusa szerint végezzük. Az egyes csoportokon belül természetesen további alcsoportok kialakítása is lehetséges.

A magreakciók csoportosítása a REAKCIÓK JELLEGE alapján v FÚZIÓ - két könnyű részecske egyesül (fúzionálnak) egy nehezebb alakká, ami részecskék általában protonok vagy neutronok kilökésével (emissziójával) stabilizálódik v MAGHASADÁS - egy nehéz mag spontán vagy könnyű részecskék általában neutronok befogását követően 2 vagy ritkábban 3 darabra hasad ( fission) v SPALLÁCIÓ - megfelelően nagy energiájú bombázó részecskék hatására az atommagból egy vagy több kisebb fragmens kihasad, de mellettük még neutronokat és protonokat is emittálhat a mag v INDUKÁLT -EMISSZIÓ - nem részecskék, hanem kizárólag csak -fotonok hozzák létre és szüntetik meg valamely atommag(ok) gerjesztett állapotát v SZÓRÓDÁS - a mag valamilyen részecskével ütközik, ami rajta rugalmasan vagy rugalmatlanul szóródik, miközben mindkettő energiája megváltozik

A magreakciók csoportosítása REAKCIÓMECHANIZMUS szerint - hogyan alakul a mag szerkezete a magreakció ideje alatt 1. ) Átmeneti vagy közbenső (compound) magot képezők ( BOHR, 1934. ) - a reakciót kiváltó részecske energiája kicsi : 50 Me. V - a célmag befogja a bombázó részecskét, és egy rövid élettartamú mag keletkezik, amely tovább bomlik 2. ) Átmeneti mag nélküli, direkt reakció ( BETHE, 1935. ) - a reakciót kiváltó részecske energiája nagy : > 50 Me. V - a bombázó részecske a célmagból egy „darabot” kiszakít

1. ) A közbenső (compound) mag képződésének jellemzői A bombázó részecske úgy ütközik a célmaggal, hogy abban „bentragad”, mert az együttes energiájuk úgy oszlik el a nukleonok között, hogy azok egyikének sem lesz akkora energiája, amivel azonnal elhagyhatná a magot létrejön egy közbenső, közbenső összetett mag, ami gerjesztett állapotban van, és átlagos élettartama 10 -16 sec - A közbenső mag már „nem emlékszik” keletkezésének körülményeire, azaz „elfelejti ”, hogy milyen részecskékből keletkezett. Az utóbbi időben végzett bizonyos kísérletek eredményei alapján azonban feltételezik, hogy egyes esetekben felléphet valamifajta memóriaeffektus, azaz az „emlékezetvesztés” nem mindig teljes. pl. + szén + deutérium nitrogén bór - részecske

- a közbenső mag többféleképpen keletkezhet több „bemeneti csatorna” létezik A közbenső mag bomlása független a keletkezés körülményeitől ! több „kimeneti csatorna” is lehetséges - a közbenső mag bomlása több útvonalon is végbemehet a. ) Egyetlen reakcióval létrejött közbenső mag több útvonalon bomolhat el, melyek függetlenek egymástól.

b. ) Többféle útvonalon képződött egyazon közbenső mag csak egyetlen útvonalon bomlik tovább. c. ) Több különböző reakcióval is előállítható egyazon közbenső mag többféle úton is továbbalakulhat.

A közbenső magok szinte mindegyike képes neutronkibocsátással is bomlani. - a neutronemisszió bekövetkezése emlékeztet a folyadékok párolgására, amennyiben a folyadékok felszínét is csak az a részecske képes elhagyni, amely a többi folyadékmolekulával ütközve a statisztikus energiaeloszlás révén annyi energiára tett szert, ami elegendő a folyadékfázis elhagyására. A köztes magok neutronemisszióját ’neutronpárolgás’-nak is nevezik, nevezik hiszen a neutronok energiája is a folyadékmolekulák párolgásához hasonlóan statisztikus energiaeloszlás révén éri el a szeparációs energiát, ami a magból való távozáshoz szükséges. A neutronok statisztikus energiaeloszlása a Boltzmann-féle eloszlásnak felel meg : NE azon emittálódó ’párolgó’ neutronok száma, melyek energiája En és En + d. E közé esik. NE max NE = T/e ~ T az ún. „maghőmérséklet”, amit csupán a párolgás analógiája miatt neveznek hőmérsékletnek, mivel valójában energia E

2. ) Direkt reakciók (átmeneti mag nélküli, egy lépéses reakciók) Direkt reakcióban az energia nem oszlik el a célmag nukleonjai között, hanem csupán a bombázó részecske és a célmag közti első és egyetlen ütközés szabja meg a magreakciót. Emiatt a mag felszínén lévő egy vagy néhány nukleon vesz részt a reakcióban, a reakció igen gyorsan, 10 -22 sec, vagy annál rövidebb idő alatt lezajlik, egyetlen lépésben végbemegy. A direkt reakciók rendszerint jól értelmezhetők a héjmodellel. Direkt reakciók közé tartoznak általában a § SZÓRÓDÁSOS REAKCIÓK § NUKLEONCSERE REAKCIÓK, más néven TRANSZFER REAKCIÓK § ‘STRIPPING ’ és ‘PICK UP ’ REAKCIÓK § SPALLÁCIÓS REAKCIÓK Részletesen lásd a „bombázó részecskék típusa szerinti” osztályozásnál.

§ SZÓRÓDÁSOS REAKCIÓK - a bombázó és a távozó részecske ugyanolyan természetű vagy ténylegesen is ugyanaz - a bombázó részecske és a célmag nem alakul át : magátalakulás nincs - az ütközés következtében a bombázó részecske a célmagon szóródik RUGALMATLAN SZÓRÓDÁS - A bombázó részecske energiája nagyobb, mint a távozó részecske energiája. - a bombázó részecske mozgási energiájának egy része a célmagot gerjeszti -sugárzás lép fel A + b’ + Eb 0 Eb’ RUGALMAS SZÓRÓDÁS - A bombázó részecske energiája megegyezik a távozó részecske energiájával. A + b Eb 0 = Eb

1. RUGALMATLAN SZÓRÁS - a célmag és a bombázó részecske nem alakul át - A bombázó részecske mozgási energiájának egy része a célmagot gerjeszti. - Ha a bombázó részecske ( b : pl. ) pozitív töltésű, nem jut be a magba (A) , a. ) hanem annak csupán az erőterével „ütközik”, de mozgási energiájának egy részét átadja a mag egészének : ún. kollektív gerjesztés történik. A héjmodell alapján ez úgy értelmezhető, hogy a mag nukleonjainak energiaszintje megnő, a mag gerjesztődik. A + b’ + pl. 208 Pb (12 C , 12 m. C ) 208 m. Pb azaz : A ( b, b’ ) A kölcsönös gerjesztés - a gerjesztett állapot rendszerint -fotonok kibocsátásával szűnik meg nagyon rövid idő alatt : ~ 10 -22 sec - A belső erők átrendeződése miatt a mag forgása, rezgése is megváltozik, sőt a mag alakja is módosulhat : ez jellemzően az ellipsziloid alakú magok esetében jelent megnyúlást vagy ellaposodást. pl. b. ) pl. ( , ’ ) típusú reakciók : 40 Ca ( , ’ ) 40 m. Ca - Ha a bombázó részecske a mag erőterével ütközik, ám mozgási energiájának egy része a magban levő egyetlen (valamelyik) nukleon gerjesztésére fordítódik, ún. egyrészecske-gerjesztésről beszélünk. ( p, p’ ) típusú reakciók : 54 Fe ( p , p’ ) 54 m. Fe A rugalmatlan szórás mivel Q-értéke negatív (Q 0) endoterm.

Ha a bombázó részecske neutron, a szórási viszonyok összetettebbek, mivel a neutronnak nincs töltése és képes bejutni a magba. - Gyors neutronok rugalmatlan ütközése a fentieknek megfelelően a célmag gerjesztődését okozza és -sugárzást vált ki : (n, ) típusú reakciók - Közepesen gyors és lassú neutronok esetében viszont a rugalmatlan ütközés rendszerint közbenső mag képződésével jár. - A neutront a célmag befogja, és mozgási energiáját átvéve kialakul egy gerjesztett közbenső mag, mag ami aztán egy neutront magából kilökve stabilizálódik. A neutron befogása, majd az eredetihez képest más irányba és más energiával való kilökése a neutron szóródásaként is felfogható. ( n , n’ ) típusú reakciók pl. 204 Pb (n , n’ ) 204 m. Pb De : - Csak olyan energiájú neutronok befogása lehetséges, ami éppen megfelel rezonál a közbenső mag kialakulásához. Ezt a fajta szórást rezonanciaszórásnak nevezzük. - Jellemzően nehéz magoknak 0, 1 1 Me. V energiájú neutronokkal való bombázásakor fordul elő nem túl nagy valószínűséggel. Lásd még a Neutronokkal kiváltott magreakciók c. alfejezetben.

Az ( n , n’ ) típusú rugalmatlan ütközéseknél a reakció hatáskeresztmetszete függ a bombázó neutronok En kinetikus energiájától és a célmag E* gerjesztési energiájától. rugalmatlan szóródás ( n, n’ ) = A rugalmatlan ütközések végbemenetele csak bizonyos küszöbenergia felett lehetséges. A küszöbenergia nagysága jellemzően a célmag összetételétől, szerkezetétől és energiaállapotától függ.

2. RUGALMAS SZÓRÁS - Rugalmas szórás esetén a bombázó részecske energiája nem használódik fel a célmag gerjesztésére csak kinetikus energia adódik át. Ez a fajta ütközés a biliárdgolyók ütközéséhez hasonlítható, ugyanis a célmag „felülete” a bombázó részecske számára annyira „kemény”, hogy irányt változtatva lepattan róla, miközben ‘csupán’ mozgási energiájának egy részét adja át. Az ütközés után akárcsak a biliárdgolyók esetében a két részecske mozgási energiájának összege nem változik, csak irányuk módosul. E a bombázó részecske energiája az ütközés után E 0 a bombázó részecske energiája az ütközés előtt m a bombázó részecske tömege M a célmag tömege pl. ( n , n ) típus gyors kezdeti neutronokkal : 208 Pb (n , n ) 208 Pb Ha egy gyors neutron hozzá hasonló tömegű maggal, pl. a hidrogén magjával ami egy protonból ( 1 H) vagy egy protonból és egy neutronból ( 2 D) áll ütközik, energiájának nagy részét átadja és lelassul. Ezért számítanak nagyon jó neutronlassítónak a nagy hidrogéntartalmú anyagok, mint pl. a víz, paraffin, viaszok, stb. Nehéz magokkal ütközve viszont a neutron alig veszít energiát, mert a nehéz magok a hozzájuk képest kis tömegű neutron hatására ütközéskor csak alig mozdulnak el : pl. 16 O maggal ütközve a neutron energiájának ¾-d része megmarad. A bombázó részecske nem is ütközik ténylegesen a maggal, nincs köztük valóságos érintkezés, mert a rövid hatótávolságú magerők és a mag potenciáltere eltérítik, ha elég közel került a maghoz. Potenciál szórásnak is nevezik ezt a fajta rugalmas szóródást.

Az ( n , n ) típusú rugalmas ütközéseknél a reakció hatáskeresztmetszete a bombázó neutronok energiájának igen széles tartományában állandó. rugalmas szóródás ( n, n ) = konstans - Rugalmas szórásnak számít az atommagok létét bizonyító RUTHERFORD-féle szórás is : ( , ) típus Részletesen lásd az Radioaktivitás és atomszerkezet c. fejezetben. Ugyanide sorolhatók pl. az alábbi reakciók is : 112 Sn ( 89 Y ( , ) 112 Sn , ) 89 Y A rugalmas szórás Q-értéke nulla (Q = 0). A részecskéknek csupán a mozgási energiája változik kinetikus energia adódik át , ám a „belső szerkezetük”, nem módosul, és nem kerülnek gerjesztett állapotba sem.

§ SPALLÁCIÓS REAKCIÓK (Glenn SEABORG, 1937. ) spallation (angol) szétrepedés, széthasadás A spalláció olyan nagy energiájú magreakció, melyben nagy sebességre gyorsított bombázó részecskék általában protonok vagy neutronok hatására a célmagból egy vagy több kisebb töredék, fragmens (könnyű mag) kihasad, valamint kisebb-nagyobb számban proton és főleg neutron lökődik ki. pl. 70 Me. V A nagy energiájú proton puskagolyóként hatol a célmagba, energiája gerjeszti azt, és darabokra, ill. részecskékre hasítja. - Spallációt leginkább nehéz magok (pl. Pb, Hg, W, Bi) bombázása eredményez, melyeknél egyetlen magból akár 30 - 40 gyors neutron is emittálódhat. - Különbség a maghasadáshoz képest, ahol 1 hasadásból csak 1 -3 neutron szabadul fel. - A felszabadult neutronok energiája gyakran elegendő ahhoz, hogy további magreakciót indukáljanak. - A bombázó részecskék energiája E 50 Me. V, jellemzően több 100 Me. V, sőt Ge. V nagyságú is lehet. Pl. ólom-magokat 1 Ge. V energiájú protonokkal bombázva 1 Pb-magból átlagosan 25 neutron szabadul fel, míg 600 Me. V energiájú protonokat használva már csak átlagosan 13 neutront eredményez egyetlen mag spallációja. Spallációs reakciók a természetes környezetben is zajlanak : a kozmikus sugárzás nagy energiájú protonjainak hatására az űrbeli meteoritok, bolygók, holdak felületén spallációs reakciókkal könnyű magok (Li, Be, B) keletkeznek. A földi atmoszféra felső rétegeiben a kozmikus sugarak által kiváltott ütközési reakciókban spallációval nagy számban termelődnek neutronok, protonok és -részecskék , melyek aztán további átalakulásokat indukálnak. Ilyen, spallációban keletkezett neutronok nitrogén-magokkal reagálva hozzák létre a légkörben a --sugárzó 14 C-izotópot, amire a radiokarbon-kormeghatározás épül.

A magreakciók csoportosítása a BOMBÁZÓ RÉSZECSKÉK TÍPUSA szerint A. ) Neutronokkal kiváltott magreakciók B. ) Protonokkal kiváltott magreakciók C. ) Deuteronokkal kiváltott magreakciók D. ) Trícium-magokkal kiváltott magreakciók E. ) -részecskékkel kiváltott magreakciók F. ) Nehézionokkal kiváltott magreakciók G. ) -sugarakkal kiváltott magreakciók H. ) Termonukleáris magreakciók Egy részük nukleoncsere reakció.

Ezek a kategóriák gyakran átfedik egymást ! - ugyanaz a reakció sokszor több kategóriába is besorolható Ha a bombázó részecskék mellett a magból távozó részecskéket is figyelembe vesszük, további csoportosítások is lehetségesek : q Nukleoncsere- vagy transzfer-reakciók - A célmagban a bombázó részecske nukleon(ok) cserélődését okozza. q Többrészecske-reakciók - A célmag akkora gerjesztési energiára tesz szert, melyet csak több részecske kibocsátásával képes leadni. q Sugárzásos befogás - A bombázó részecske hatására a célmag gerjesztett állapotba kerül, és radioaktív sugárzást bocsát ki. q ’Stripping’ és ’ pick up’ reakciók - A bombázó részecske és a célmag nem ütközik frontálisan, de egymáshoz közel elhaladva „ledörzsölnek” egymásról nukleon(oka)t, mely(ek) beépül(nek) a saját rendszerükbe.

Azokat a magreakciókat, melyekben bombázó részecskék hatására nukleon(ok) cseréje megy végbe, nukleon-csere reakcióknak vagy transzfer reakcióknak is nevezik. A nukleon-csere reakciók jellemző típusai N (n , p) típus N+2 (t , p) (n , d ) N N-1 ZX (n , d ) típus ( , n ) (n , p) (d , p) N+1 ( p , n) típus ( , p ) (d , n) típus ( p , ) típus (d , n ) ( , p) típus ( p , n) (n, ) ( n , ) típus ( , n) típus (p, ) N-2 Z-1 Z Z+1 Z+2 Z (d , p) típus (t , p) típus

Néhány tipikus nukleon-csere reakció : (n , p) típus ( p , n) típus (n , d ) típus (d , n) típus ( p , ) típus ( , p) típus ( n , ) típus ( , n) típus (d , p) típus (t , p) típus

A nukleon-csere reakcióknak szinte mindegyikében elemátalakulások mennek végbe : Z változik. { Kivétel pl. a (d, p) típus. } Az új elem képződésével járó reakciót TRANSZMUTÁCIÓ-nak nevezzük. A transzfer reakció elnevezést szűkebb értelemben is szokták használni : - ilyenkor csak a nagyobb méretű bombázó magok és a célmag közti nukleonátmenetekre alkalmazzák a kifejezést pl. triton transzportálódik 3 He-mag transzportálódik deuteron transzportálódik Az ilyen reakciókat átrendezéses reakciónak is nevezik, utalva arra, hogy a magok belső szerkezete átrendeződik. Átrendezéses reakciónak tekinthető pl. a reakció is, melyben -részecske transzportálódik, és amelyben a belövő részecske ( 13 C ) ún. nehézion. Lásd még Nehézionokkal kiváltott magreakciók c. fejezet.

Többrészecske-reakciók - A célmagnak a belövés következtében akkora energiája lesz, hogy a stabilizációhoz több részecskét is emittál, vagy több kisebb darabra esik szét. Két fontosabb fajtája : Knock-out reakció - Ha a bombázó részecske a célmagból egy részecskét általában nukleont kiüt, és így kettőnél több termék-részecske keletkezik, knock-out típusú reakcióról beszélünk. Spalláció - Ha a célmag elegendően nagy energiájú és impulzusú bombázó részecskével (protonnal) ütközik, az kiszakíthat belőle kisebb darabokat, vagy akár több kisebb-nagyobb darabra (fragmensre) is széttörheti, miközben neutronok és/vagy protonok is felszabadulnak. - spallációt jellemzően nehéz magok bombázása okozhat Részletesen lásd fentebb.

q Sugárzásos befogás Ha a bombázó részecske beépül a célmagba, és ezáltal a keletkező új mag olyan gerjesztett állapotba kerül, hogy energiáját radioaktív sugárzás révén adja le, sugárzásos befogásról beszélünk. Az energia leadás történhet Ø -sugárzással pl. : Ø --sugárzással pl. : Ø +-sugárzással pl. : Ø -sugárzással pl. : Ez a reakció egyúttal nukleoncsere-reakció is.

’Stripping’ és ’ pick up’ reakciók Ezekben a reakciókban a bombázó részecske és a célmag nem ütközik ténylegesen, csak mintegy „súrolják” egymást, miközben közöttük nukleon(ok) átadása / átvétele megy végbe. - a legtöbb ilyen folyamat általában egylépéses, direkt reakcióban zajlik Stripping reakcióban a célmag magerői a mellette közel elhaladó bombázó nuklidról Elsőként S. T. BUTLER írta le 1951 -ben. ‘lehámoznak’ 1 -2 részecskét általában neutront , ami a célmag részévé válik. Tipikus stripping reakciók : neutron adódik át ( d , p) típus pl. ( t , p ) típus pl. 2 neutron adódik át Lásd még a Nukleoncsere reakciók és a Deuteronokkal kiváltott magreakciók c. fejezetben. Stripping reakciókban proton is átadódhat : ( d , n) típus : pl. ( , t ) típus : pl.

A stripping reakciók aszerint is csoportosíthatók, hogy a folyamat során hány részecske adódik át : 1 nukleon stripping típusok : ( d , p) ; ( d , n) ; ( t , d ) ; ( 3 He , d ) ; ( , 3 He ) ; ( , t ) ; ( 13 C , 12 C ) 2 nukleon stripping típusok : ( t , p) ; ( t , n) ; ( 3 He , p ) ; ( 6 Li , ) ; ( 16 O , 14 N ) 3 nukleon stripping típusok : ( , p) 4 nukleon stripping típusok : ( 6 Li , d ) ; ( 6 Li , t ) 5 nukleon stripping típusok : ( 7 Li , d ) ; A több nukleonos strippingek ellentétben az 1 nukleon átadásával járókkal rendszerint már nem direkt reakcióban mennek végbe, hanem közbenső, összetett mag képződésén keresztül.

Pick up reakcióban a bombázó részecske „dörzsöl” le a célmagról nukleon(oka)t rendszerint neutron(oka)t , ami(ke)t magával visz, és velük új részecskét alkot. Pick up reakciónak számít : neutron(ok) adódnak át ( p , d ) típus pl. 1 neutron adódik át ( p, t ) típus pl. 2 neutron adódik át ( d, t ) típus pl. 1 neutron adódik át Lásd még a Nukleoncsere reakciók és a Protonokkal kiváltott magreakciók c. fejezetben. Léteznek proton pick up reakciók is, melyekben a célmagból proton kerül át a bombázó részecskére pl. ( n , d ) reakciók : ( t , ) reakciók : Pick up reakcióban deuteron is transzportálódhat : pl. ( 3 He , p ) típus : A reakció nagy jelentőségű a laboratóriumi medicina szempontjából, mert a PET-vizsgálatokhoz ily módon előállítható a pozitronsugárzó 18 F. (Lásd részletesen a β+-sugárzás c. fejezetben. )

A. ) Neutronokkal kiváltott magreakciók pl. Ø A neutronoknak nincs töltésük, ezért számukra az atommag körül nincs potenciálgát, potenciálgát könnyen elérik a magot és abszorbeálódhatnak. Ø A neutronok kötési energiája a magban 7 -9 Me. V, ami a neutron befogáskor felszabadul, és a mag gerjesztett állapotba kerül. Ø Ø - Lassú neutronok befogásakor először közbenső mag jön létre. A neutronbefogás révén erősen gerjesztett állapotú mag -fotonok kibocsátása vagy nukleonok kilökése révén veszíthet energiát, illetve maghasadás is bekövetkezhet. (n, ) típus - nehéz magok (A > 200) esetében (n, p) típus - (n, f ) típusú magreakciók (n, n’) típus (lásd rezonanciaszórás) (n, 2 n) típus (n, ) típus pl. f : fission hasadás

Ø A neutronbefogás indukálta magreakcióban keletkező új magok, még gyakran instabil képződmények pl. az ( n, ) vagy ( n, p ) reakciók termékei , melyek radioaktív bomlással stabilizálódhatnak. A keletkező új izotópok a neutrontöbblet miatt rendszerint β--sugárzók. βpl. ββA maghasadáskor keletkező fragmensek többsége szintén β- -sugárzó, és bomlási sorokon keresztül stabilizálódik. β- β- β-

Ø Kellően nagy energiájú neutronok nem csak egyetlen részecskét képesek kilökni a magból, hanem akár 3 -4 neutron vagy proton, esetleg mindkettő is távozhat. 197 Au célmagban neutronbsugárzás hatására végbemenő reakciók hatáskeresztmetszet-görbéi a neutronok energiájának függvényében Forrás : http: //t 2. lanl. gov/data/n 7 -pdf/au/197. pdf

Ø A magreakciókhoz az a kedvező, ha a neutronok energiája kicsi, mert a nagy energiájú neutronok áthaladhatnak a magon anélkül, hogy abszorbeálódva reakciót hoznának létre - a gyors és a nagy energiájú neutronok gyakran csak rugalmasan vagy rugalmatlanul szóródnak az atommagokon, ill. E > 100 Me. V esetén szét is rombolhatják a magot (spalláció) Ø Az atommag hatáskeresztmetszete a neutronok sebességével fordítottan arányos. 1 v - a neutronokkal kiváltott magreakciók hatáskeresztmetszete igen erősen függ a bombázó neutronok energiájától Ø Ha ugyanazok a célmagok a bombázó neutronok energiájától függően többféle reakcióban is részt vehetnek, az egyes reakciók hatáskeresztmetszetét a parciális hatáskeresztmetszetek ( i ) mutatják lásd ábra : 39 K célmag neutronbesugárzási hatáskeresztmetszet-görbék

39 K célmagon végzett neutronbesugárzási reakciók hatáskeresztmetszet-görbéi a neutronok energiájának függvényében összes rugalmas szórás neutronbefogás gerjesztődést követő -emisszió Forrás : http: //t 2. lanl. gov/data/n 7 -pdf/k/39. pdf

- a neutronokat energiatartalmuk (sebességük) szerint 5 nagyobb csoportba szokás sorolni szubtermikus v. hideg neutronok En 0, 02 e. V 1. Lassú neutronok 0 1 ke. V termikus v. lassú neutronok En = 0, 02 0, 05 e. V epitermikus v. rezonancia neutronok En = 0, 05 1000 e. V 2. Közepesen gyors neutronok 1 ke. V En 500 ke. V 3. Gyors neutronok 0, 5 Me. V En 10 Me. V 4. Nagy energiájú neutronok 10 Me. V En 500 Me. V 5. Szuper gyors neutronok 500 Me. V En

A lassú neutronok kinetikus energia szerint 3 csoportra oszthatók : 1. Epitermikus v. rezonancia neutronok : En = 0, 05 1000 e. V - mag általi befogásuk rezonanciák révén - a vonatkozó hatáskeresztmetszetek igen eltérőek lehetnek 2. Termikus v. lassú neutronok : En = 0, 02 0, 05 e. V - mozgási energiájuk szobahőmérsékleten a gázmolekulák termikus mozgásának ( hőmozgás) energiatartományába esik. Ez 0, 02526 e. V karakterisztikus energiának felek meg. - sebességeloszlásuk egyenletes - legvalószínűbb sebességük 2198 m/s - „neutrongáz” ként mozognak - mozgásuk leírására egyfajta diffúziós egyenlet alkalmazható, amely minden neutronra azonos energiát feltételez - lassítással moderátorok (pl. H 2 O, D 2 O, C, Be) segítségével állíthatók elő - élettartamuk hosszú - maghasadás kiváltására különösen alkalmasak 3. Szubtermikus v. hideg neutronok En 0, 02 e. V - befogásuk függ az anyag rendszámától és kristályos szerkezetétől

A közepesen gyors neutronok kétféleképpen léthetnek kölcsönhatásba az anyaggal : 1. Rugalmatlan ütközés az atommagokkal (szórás), ha En 50 Me. V Könnyű magok energiaküszöb energia [ Me. V ] hatáskeresztmetszet - A neutronok energiájának egy részét a mag elnyeli, és gerjesztett állapotú közbenső mag keletkezik. Energiatranszport csak meghatározott energiájú neutronok esetén lehetséges. Ezek az energiaszintek az ún. rezonanciák. Könnyű magoknál a rezonanciaszintek száma kevés és egymástól távol esnek, nehéz magoknál sok egymáshoz közeli rezonancia van. magok Nehéz magok energia [ Me. V ] 2. A mag befogja a neutront, ami magreakció(ka)t vált ki, és további neutronok emittálódnak.

hatáskeresztmetszet [ barn ] Az 23 Na mag neutronbefogásra vonatkozó rezonancia-energiái a neutron energiája [ e. V ] Forrás : http: // www. nndc. bnl. gov

hatáskeresztmetszet [ barn ] Neutronok rezonancia-energiái 235 U magokkal való ütközés esetén rugalmas szórás rugalmatlan szórás sokszorozódás neutronbefogás maghasadás a neutron energiája [ e. V ] Forrás : J. L. Tain : Neutron Capture and Waste Transmutation ( C. S. I. C. – Univ. Valencia, 2003. 09. 04 -12. ) előadás

A különböző energiájú neutronok nagyon eltérő hatásokat okozhatnak. A gyors neutronok az anyagban 3 -féle kölcsönhatást mutatnak : 1. Rugalmas ütközés az atommagokkal - Nehéz magokkal ütközve a neutronok „visszapattannak” , nem veszítenek energiát, és a mag sem kerül gerjesztett állapotba. - Könnyű magok (pl. a hidrogén magja) azonban a neutronok energiájának nagy részét átvehetik. ( Ezért alkalmasak a nagy hidrogéntartalmú anyagok (pl. víz, paraffin) neutronlassításra. ) 2. Rugalmatlan ütközés az atommagokkal - A neutronok energiájának egy részét a mag átveszi, és gerjesztett állapotba kerül, amely azonban nagyon rövid idő alatt (10 -22 s) megszűnik -sugárzás kibocsátása közben. Ezért okozhat a neutronsugárzás -sugárzást. 3. A neutron abszorbeálódik a magban (neutronbefogás), ami magmagreakciót vált ki, és nukleonok (n, p, ) emittálódnak. - a magreakció csak az ún. küszöbenergia felett indul be - neutronbefogás általában könnyű magok esetén következik be - a mag radioaktív lesz, és (n , p), (n , 2 n) típusú reakciók zajlanak

Az (n, ) típusú reakciók a leggyakrabban előforduló magreakciók. - Bármelyik elemmel végbemehetnek a 4 He kivételével. - Leginkább kis és közepes rendszámú magoknál fordulnak elő - ha ugyanis nehéz mag fog be neutront, az inkább maghasadással vagy radioaktív bomlással ( , - ) stabilizálódik - A neutron befogása a neutron kötési energiájának (E = ~ 8 Me. V) felszabadulásával jár. - Az ( n, ) típusú reakció mindig exoterm. - A reakció bármilyen energ ener iájú neutronokkal végbemehet, de főleg gyors neutronoknak az atommagokkal való rugalmatlan ütközésekor játszódnak le. Lásd még : RUGALMATLAN SZÓRÓDÁS - Gyors neutronok ütközése ( 26. dia ), ill. Gyors neutronok kölcsönhatásai ( 54. dia ) - az ( n, ) típusú reakció lassú neutronokkal is lejátszódhat § A neutronok energiájának csökkenésével nő a reakciók hatáskeresztmetszete.

- Nincs rendszámváltozás, nem keletkezik új elem -a bombázó neutron befogását követően az új mag „csak” gerjesztett állapotba kerül, és gerjesztési energiájától -fotonok kibocsátásával szabadul meg Az (n , ) reakciókban a neutronbefogás miatt általában közbenső mag keletkezik, ami ún. promt -fotonok emittálásával egy vagy több lépésben (kaszkád) stabilizálódik általában 10 -12 sec-nál rövidebb idő alatt. - A ( n, ) reakciók a sugárzásos befogás kategóriájába is sorolhatók. - A reakciók nagyobb részénél a keletkező mag radioaktív - az atomreaktorok szerkezeti anyagai ilyen reakciók révén válnak radioaktívvá - § Ezek a radioaktív magok többnyire -bomlás, ritkábban +-bomlás vagy elektronbefogás (EC) révén stabilizálódnak, melyet aztán még -emisszió Is kísérhet. - a mesterséges radioaktivitás felfedezése idején az 1930 -as években ilyen reakciókkal, neutronokkal való bombázás révén állították elő a --sugárzó izotópokat § A radioaktív magok keletkezési reakciójában az anyamag neutronbefogási hatáskeresztmetszete alacsony, ahogy az alábbi táblázat is mutatja.

Radioaktív termékmagot eredményező ( n, ) típusú magreakciók hatáskeresztmetszete HATÁSKERESZTMETSZET M AGREAKCIÓ [ barn ] -+ 0, 53 - 0, 20 - 40 -+ 20 +, EC + - 0, 50 + 2, 2 95 8

A bemutatott (n, ) típusú reakciók némelyike orvos- és egészségtudományi szempontból is fontos, mivel gyakorlati diagnosztikai és terápiás jelentőségük van : Az alkalmazott nukleáris medicina számára ilyen magreakciókkal több fontos radioaktív izotópot állítanak elő : ü Nátrium-transzport és magas vérnyomás vizsgálatához a β- - sugárzó 24 Na - izotópot : ü Radioterápiás kezelésekhez a β- - és - sugárzó 60 Co - izotópot : ü A radioimmunoassay-technikában alkalmazott β- -, β+- és EC - bomló 128 I - izotópot :

Az (n, ) típusú reakcióknak különösen nagy jelentősége van a nukleáris reaktorok működése során. Ø Bizonyos ( n, ) reakcióknak olyan nagy a hatáskeresztmetszete főleg lassú neutronokra , hogy befolyásolhatják az atomreaktorokban zajló folyamatokat. - Kiemelkedően magas a 113 Cd és a 135 Xe lassú, termikus neutronok befogására vonatkozó hatáskeresztmetszete. : = 63 000 bar n Az atomreaktorokban kadmium-rudakat alkalmaznak a neutronsugárzás elnyeletésére. A hasadóanyagba helyezett rudak számának és helyzetének változtatásával szabályozzák a maghasadások számát, ezáltal pedig a reaktor teljesítményét. : = 2 650 000 bar n ( n, ) stabil A 135 Xe izotóp a maghasadás bomlási sorának köztes terméke, amely a hasadás során felszabaduló neutronok abszorpciója révén jelentősen csökkentheti azok számát és ezáltal a láncreakció fennmaradását : a 135 Xe reaktorméreg. Ha bizonyos típusú reaktorokat karbantartás vagy felújítás miatt leállítanak, az újraindítás előtt meg kell várni, amíg a 135 Xe-”méreg” lebomlik és továbbalakul a bomlási sorban.

(n, p ) típusú reakciók - Gyors neutronokkal könnyű magokat ( He, Li, B, N ) besugározva az a legvalószínűbb reakció, melyben pozitív töltésű részecske ( p+ vagy 2+ ) távozik. (n, p ) reakciók 0, 5 – 10 Me. V energiájú neutronok hatására pl. β- A termékmagok a neutrontöbblet miatt általában radioaktívak, β--sugárzással bomlanak. β- - Megfelelő küszöbenergia biztosításával nehezebb magok is (n, p) típusú reakcióra késztethetők. pl. ββ- A nagyobb tömegszám sem tudja kompenzálni a neutrontöbbletet.

(n, 2 n ) típusú reakciók A ( n , 2 n ) típusú reakciók általában akkor játszódnak le kellően nagy hatáskeresztmetszettel, ha a belövő neutronok energiája viszonylag nagy : 15 -20 Me. V neutronenergia már rendszerint elegendő, hogy két neutron kibocsátásának is számításba vehető valószínűsége legyen. pl. A deutérium, berillium és volfrám esetében azonban a küszöbenergia a fentieknél jóval kisebb a ( n , 2 n ) típusú reakcióra : Mivel a 8 Be szinte azonnal elbomlik két -részecskére, a reakció így is írható : 9 Be + n 2 n + 2

(n, ) típusú reakciók szintén a 0, 5 – 10 Me. V energiájú neutronok esetében gyakori, gyakori hasonlóan az ( n, p ) típusú reakciókhoz az ilyen reakciók általában endotermek, mert a távozó, töltéssel rendelkező -részecskéknek le kell győzniük a Coulomb-potenciált Az ( n, ) típusú reakciók alkalmasak neutronok kimutatására : Pl. A reakciót BF 3 - számlálókban lassú neutronok detektálására alkalmazzák. Fontos szerepe van a használható. reakciónak is, mivel trícium előállítására Ez a reakció a hidrogénbomba folyamatainak is része, ahol izotópokból álló lítium-hidridet ( 6 Li 2 H, azaz deutérium alkotta hidridet : Li. D, ami szilárd) egy atombombával olyan magas hőmérsékletre hevítenek, hogy annak nagy neutronfluxusában a lítiumból előbb trícium keletkezik, majd a trícium a deutériummal fúziós reakcióba lép, és 4 He héliummá ( -részecskévé) alakul, miközben a 4 He-mag nagy kötési energiája felszabadul. A 3 T + 2 D 4 He + 1 n reakcióban keletkező neutron aztán ismét ütközik a lítium-magokkal és a trícium folyamatos előállításával fenntartja a reakciósort. (Lásd még Deuteronokkal kiváltott magreakciók c. fejezetben a fúziós reakciók. )

MAGHASADÁS Először O. HAHN, F. STRASSMANN és L. MEITNER észlelte 1938 -ban. A maghasadás olyan magreakció, melynek során valamely nagyobb tömegszámú ( A > 200 ) instabil mag két vagy több kisebb tömegszámú magra esik szét neutronkibocsátás és -sugárzás kíséretében. Ez az ún. (n, f ) típusú magreakció. - feltétele, hogy a neutronbefogás során felszabaduló energia nagyobb legyen a magot összetartó erőknél N. BOHR D. WHEELER I. FRENKEL ( 1939. ) „h asa dá si g át” - a maghasadáshoz szükséges energiaküszöb (Eh) a mag töltésétől ( Z ) és tömegétől ( A ) függ a cseppmodell alapján - valamely mag hasadásra való hajlamát a Z 2/A „hasadási paraméter” jellemzi

- A mag energiája a kezdeti értéktől (Ekezd) a végállapotig (Evég) maximumon megy át. A maximum magassága a maghasadás gerjesztési energiája, az ún. „hasadási gát” (Eh). E Eh Ekezd Qh Evég 0 1 2 3 4 5 + kezdeti gerjeszmag tődés hasadás töredék magok - a hasadás energiája hasadási termékek távolsága [ 10 -15 m ]

Az 235 U neutron-indukált hasadása + Energia Hasadó mag Gerjesztett instabil állapot Hasadási termékek

- A maghasadás akkor kedvező, ha a Z 2/A hasadási paraméter értéke nagyobb, mint 17. Ez minden Z 47 magra teljesül. Az ezüstnél nagyobb rendszámú elemek elvileg maghasadásra késztethetők ; a gyakorlatban azonban a folyamat nem valósítható meg, mert túl nagy a hasadási gát : Eh 50 Me. V. - A rendszám növekedésével a Z 2/A értéke is nő, és vele együtt nő a maghasadás valószínűsége is, mivel csökken a „hasadási gát” értéke, és nő a hasadáskor felszabaduló Qh energia. Pl. ha ha ha ( Z ~ 80 ; Au, Pb), a hasadási gát Eh 40 -50 Me. V ( Z ~ 90 ; Th, U), a hasadási gát Eh 6 -8 Me. V ( Z ~ 120 ; nincs ilyen elem) a hasadási gát nulla Eh = 0 , spontán maghasadás ! Ezért nem lehet stabilan a Z ~ 110 -120 rendszámú elemeket előállítani.

Eh 50 Me. V EV Ei Eh Qh = 0 - nagy a hasadási gát, nincs reakció Eh = 40 -50 Me. V Ei Eh Qh 170 EV Ei Eh = 6 -8 Me. V - könnyen kiváltható Qh 170 reakció Eh EV Ei EV - nehezen kiváltható reakció Eh = 0 Me. V Qh 170 - nincs hasadási gát Spontán hasadás !

- A maghasadáskor általában két (ritkán három) kisebb mag keletkezik, kilökődik 2 -3 neutron, és felszabadul kb. 200 Me. V energia. - A hasadáskor keletkező kisebb magokban a proton/neutron arány nem megfelelő, ezért belőlük további neutronok távoznak és/vagy radioaktív sugárzás ( -, -részecskék) kibocsátásával stabilizálódnak. A hasadási termékek energiaeloszlása : A keletkezett új magok kinetikus energiája (ezáltal melegszik fel a hasadó mag) A -sugárzás energiája Az új magok -bomlásának energiája Egyéb (pl. neutrinókkal távozott energia) ( a hasadási termékeket gerjesztő rész ) A kilökődött neutronok kinetikus energiája Láncreakciónál fontos ! 170 Me. V 85 % 5 Me. V 10 Me. V 12, 5 % 5 Me. V 200 Me. V 2, 5 %

Az 235 U neutronokkal kiváltott hasadásának egyik lehetséges sémája n e 235 U e- ee- ee-

- A maghasadáskor keletkező kisebb magok lehetséges száma több, mint 200. Leggyakrabban azonban a 30 Z 63 rendszámú és a 72 A 158 tömegszámú magok keletkeznek. Ezen belül legnagyobb valószínűséggel a A ~ 90 -95 és az A 140 magok képződnek. A szimmetrikus tömegeloszlás ritka, kivétel pl. 235 U Az 235 U fontosabb hasadási termékei :

Az 235 U hasadási termékeinek százalékos aránya leggyakoribb hasadási termékek

A LÁNCREAKCIÓ - A láncreakció olyan egymást követő reakciók sorozata, melyben a sorban később következő reakció csak a megelőző reakciók lejátszódását követően mehet végbe. - A maghasadáson alapuló láncreakcióban neutronbefogás kiváltotta maghasadások egymásból következő sorozata zajlik. - a láncreakció fennmaradásának feltétele, hogy a hasadás során annyi neutron szabaduljon fel, hogy általuk további magok hasadása is lejátszódjon, azaz legalább egy újabb hasadást okozzanak Sokszorozási tényező (k) : Az egy hasadásból felszabaduló azon neutronok száma, melyek további hasadást váltanak ki. ha k 1 : láncreakció nem jön létre (vagy az éppen zajló leáll) ha k = 1 : a láncreakció stacionárius - a másodpercenkénti bomlások száma állandó ha k 1 : a láncreakció során a másodpercenkénti bomlások száma nő

A sokszorozási tényező értékét az határozza meg, hogy a neutronok milyen folyamatokban „használódnak fel” : 1. Neutronbefogás a magba, majd az azt követő hasadási folyamat, ami szintén neutronokat szolgáltat. 2. Neutronbefogás a magba maghasadás nélkül. 3. Neutronelnyelődés nem hasadó atommagban. 4. A reakciótér elhagyása. Pl. Egy neutron lehetséges sorsa a természetes uránban :

Az 235 U láncreakciója

A jelenlegi technikai körülmények között is kivitelezhető maghasadásos láncreakciót 3 izotóppal érdemes végrehajtani. sokszorozási tényező (k) 235 U 238 U izotóp hasítása termikus neutronokkal 2, 5 izotóp hasítása gyors neutronokkal 2, 55 239 Pu izotóp hasítása termikus neutronokkal 3, 1 A természetes urán nagyobbrészt 238 U izotópból áll (99, 27 %), melyben csak 0, 715 % az 235 U izotóp és 0, 015 % a 234 U izotóp. A mesterségesen előállított urán 233 U izotóp is alkalmas maghasadásos reakció végrehajtására. - Az 233 U izotóp atomreaktorokban termelődik tórium 232 Th izotópból. A kalifornium 252 Cf izotóp spontán hasadása is neutronkibocsátással jár.

B. ) Protonokkal kiváltott magreakciók § A protonokkal kiváltott magreakciók rendszerint radiaoaktív izotópokat eredményeznek, mivel a protonbefogás következtében kialakuló új mag a protonfelesleg miatt instabil, és +-bomlással vagy elektronbefogással (EC), ill. az ezeket kísérő -sugárzással stabilizálódik. Ha a bombázó protonok energiája „csak” 1 -5 Me. V, magreakció nem várható, mert ennyi energia nem elég a célmag Coulomb-gátjának leküzdéséhez. Ilyenkor a protonok rendszerint rugalmatlanul szóródnak, és közbenső mag kialakításával gerjesztett állapotba juttatják a célmagot : ( p, p’ ) típusú reakció. 64 Ni ( p , p’ ) 64 m. Ni 20 Me. V-nál nagyobb energiájú bombázó protonok esetén viszont nem alakul ki közbenső mag, hanem általában direkt, spallációs reakciókban neutron(ok) és/vagy proton, valamint -részecskék emittálódhatnak a magból leggyakrabban ( p, n), ( p, p n), ( p, x n), ( p, p x n), ill. ( p, ) típusú reakciókban. A bombázó proton energiája igen jelentősen befolyásolja a magreakció kimenetelét és a keletkező termékeket : különböző protonenergiákhoz más-más befogási hatáskeresztmetszet és más reakció-kimenet tartozik. Lásd következő ábrán a 197 Au célmag protonnal való bombázásának hatáskeresztmetszet értékeit. A növekvő protonenergiákhoz egyre nagyobb számú távozó részecske tartozik, így egyre kisebb tömegszámú lesz a termék-mag. Ha a bombázó protonok energiája több 100 Me. V, egyetlen célmagból akár 10 -20 neutron is kilökődhet (lásd még Spallációs reakciók : ólom bombázása protonokkal).

A 197 Au-izotóp protonbesugárzás hatására történő magreakcióinak hatáskeresztmetszete 197 Au( p, n)197 m. Hg 197 Au( p, pn)196 Au 197 Au( p, 3 n)195 m. Hg 197 Au( p, p 3 n)194 Au 197 Au( p, 5 n)193 m. Hg Forrás : F. Szelecsényi et al. : Application of Au+p nuclear reactions for proton beam monitoring up to 70 Me. V ; International Conference on Nuclear Data for Science and Technology 2007, DOI: 10. 1051/ndata: 07379

A növekvő energiájú bombázó protonok a reakció energetikáját is meghatározzák : § A kisebb energiájú protonokkal végzett magreakció a Coulomb-gát miatt mindig endergonikus. Q 0 § Nagyobb energiájú protonok hatására a magból több részecske távozik, melyek kötési energiája felszabadul, és a reakció így már exergonikus is lehet. Q 0 Viszont módosulhat a kimeneti csatorna, azaz más magreakció megy végbe. növekvő protonenergia

Mindezekkel együtt elmondható azonban, hogy a növekvő protonenergia a besugárzáskor nem feltétlenül jelent nagyobb hatáskeresztmetszetet, továbbá, hogy a protonokkal kiváltott magreakciók többsége a Coulomb-gát miatt endoterm. Jól szemlélhető mindez az alábbi táblázatban és a hozzá kapcsolódó grafikonon (lásd alább), melyek a 63 Cu-izotópból protonbesugárzás hatására keletkező termékeket, valamint a reakció hatáskeresztmetszet-, ill. Q-értékeit mutatják. mag 63 Cu reakció 63 Cu ( p, n ) 63 Zn 63 Cu ( p, 2 n ) 62 Zn 63 Cu ( p, p 2 n ) 61 Cu Q max-hoz tartozó [ Me. V ] [ mbarn ] protonenergia [ Me. V ] - 4, 15 500 13 - 13, 26 135 23 -19, 74 323 40 Forrás : J. M. JANG et al. : Nuclear reaction in copper induced by protons from a petawatt laser-foil interaction ; Applied Physics Letter, Vol. 84, No 5. 675 -677 p. (2004) - Ha a belövő protonok energiája növekszik amit a max-hoz tartozó érték mutat , több részecske is távozhat a magból ; ezek kötési energiájának (6 -8 Me. V / neutron) felszabadulása azonban nem fedezi a reakciót kiváltó bombázó protonok növekvő energiáját, ezért a reakciók egyre inkább endoterm jellegűvé válnak, amit jól tükröznek a mind negatívabb Q-értékek is. A ( p, ) típusú reakciók viszont rendre exotermek, mert a távozó -részecske nem csak nagy tömeget, hanem a magerők egy részét is magával viszi. pl.

A 63 Cu-izotóp protonbesugárzás hatására történő magreakcióinak hatáskeresztmetszete 63 Cu ( p, n ) 63 Zn 63 Cu ( p, 2 n ) 62 Zn 63 Cu ( p, p 2 n ) 61 Cu Forrás : J. M. JANG et al. : Nuclear reaction in copper induced by protons from a petawatt laser-foil interaction ; Applied Physics Letter, Vol. 84, No 5. 675 -677 p. (2004)

A modern képalkotó medicina egyik fontos vizsgálati módszere a SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography), amely a szervezetbe juttatott és ott eloszlott radioaktív izotóp -sugárzását mérve ad számunkra információt a fiziológiás folyamatokról. A SPECT-vizsgálatokhoz alkalmazott rövid felezési idejű izotópokat ( pl. 123 I, 131 I, 133 Xe, 201 Tl ) rendszerint néhány 10 Me. V energiájú protonsugárzást használva állítják elő. A reakciók hatáskeresztmetszete és így a kívánt termék képződési aránya is nagy mértékben függ a besugárzó protonok energiájától. I( p, 3 n )125 Xe 127 I( p, 5 n )123 Xe 127 Te( p, n )124 I 124 Te( p, 2 n )123 I 124 Forrás : D. Mihailescu et al. : Cross section and protons optimum energy ranges for some medical radioisotopes production ; www. plasma. naic. ro/COMB/analele 520 scientifice/2007/5. pdf

A ( p, n ) típusú magreakciókkal viszont egy másik fontos képalkotó eljáráshoz, a PET –hez ( Pozitron Emission Tomography ) állíthatunk elő β+- sugárzó izotópokat : pl. A ( p, n ) típusú magreakciók neutronsugárzás előállítására is használhatók, ha a protonok energiája pl. gyorsítás révén kellően nagy : pl. A ( p, ) típusú magreakciók ritkák és egyediek. Pl. Az erősen exoterm reakció nagy energiájú -fotonok ( E = 17 Me. V ), ún, ‘kemény’ - sugárzás előállítására alkalmas. A +-sugárzó reakcióval a gyakran használt 13 N-izotóp állítható elő.

C. ) Deuteronokkal kiváltott magreakciók A deuteronokat igen gyakran alkalmazzák bombázó részecskeként. pl. ( d , p) típus : Direkt stripping reakciók ( d , n) típus : ( d , ) típus : A ( d , p ) típusú reakciók hatáskeresztmetszete a többi típushoz képest sokkal nagyobb (lásd alább az ábrán 27 Al-magok besugárzása deuteronnal). A folyamat az 1 nukleonos stripping típusba tartozik, amely a feltételezések szerint az OPPENHEIMER PHILLIPS mechanizmus szerint megy végbe. Az R. OPPENHEIMER és M. PHILLIPS által 1935 -ben közölt elképzelés szerint a bombázó deuteron a célmag Coulomb-erőterében annak taszító hatása miatt úgy fordul, hogy a neutron felőli részével éri a célmagot. Ütközéskor a célmag a neutront leszakítja és abszorbeálja (stripping reakció), a protonnak viszont már nincs elég energiája a Coulomb-gát átlépéséhez, és „csak” tovahalad a célmag mellett. p p p n n +

1937 -ben PERRIER és SEGRÉ deuteron-indukálta magreakcióban állította elő a világon először a periódusos rendszer 43. elemét a technéciumot. A 43 Tc valamennyi izotópja radioaktív és olyan rövid felezési idejű, hogy a Föld kialakulása óta elbomlottak, így a természetben technécium nem fordul elő. Nevét is onnan kapta, hogy a technika segítségével állították elő. A deuteronban a neutron szeparációs energiája azaz a deuteron kötési energiája 2, 225 Me. V, ami a magban lévő neutronok átlagos kötési energiájához képest kicsi, ezért a deuteronokkal kiváltott magreakciók rendszerint exergonikusak. pl. A deuteronokkal kiváltott magreakciók kimenetele is energiafüggő. A növekvő energiájú deuteronok egyre nagyobb és/vagy több részecskét képesek kiszakítani-kilökni a célmagból. Lásd alábbi ábrák a hatáskeresztmetszetekkel.

Deuteronnal kiváltott magreakciók hatáskeresztmetszete 27 Al magokon 27 Al ( d, p ) 28 Al 27 Al ( d, p ) 24 Na 27 Al ( d, 2 p ) 27 Mg Forrás : P. Bém et al. : The activation of Cu and Al by deuterons at energies up to 20 Me. V ; International Conference on Nuclear Datafor Science anad Technology 2007 ; DOI: 10. 1051/ndata: 07601

Természetes izotópösszetételű vas ( nat. Fe ) célmagok deuteron indukálta magreakcióinak hatáskeresztmetszete Termékek : 57 Co 55 Co 54 Mn 58 g. Co 56 Co 59 Fe Forrás : B. Király et al. : Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. ; Sect. B. Vol. 267 (1), p. 15 -22. (2009)

( d , n) típusú magreakciók : - a keletkezett mag rendszáma 1 -gyel nő, és emiatt - a keletkezett mag rendszerint +- sugárzó hasonló a ( p, ) típusú reakciókhoz § A reakciókhoz gyorsított deuteronokra ( 0, 1 1 Me. V ) van szükség. § A reakciótípus leginkább neutronforrásként jön számításba. - a neutronsugárzást aztán radioaktív izotópok előállítására használják pl. A reakció különösen gyakori ‘ neutrongenerátor ’. ( d , ) típusú magreakciók : - A reakció közbenső mag képződésével megy végbe, aminek nagy energiatartalma (gerjesztett állapot) megkönnyíti az - részecskék számára a Coulomb-gáton át történő kijutást a magból. - A termékmag negatív- vagy pozitív - sugárzó is lehet. pl. - - + - sugárzók

Deuteronokkal kiváltott magfúziós reakciók Elvileg majd az atommagok energiájának felszabadítására is használható ún. fúziós reaktorokban a feltételezetten szóba jöhető magreakciók többsége deuteronok által kiváltott fúzió lehet. Ha különböző célmagokat ( 2 D, 3 T, 3 He) nagy sebességre gyorsított deuteronokkal bombázunk, magfúzió állhat elő, melynek során a tömegdefektusból eredő kötési energia felszabadul. pl. + 4, 0 Me. V + 3, 25 Me. V + 17, 6 Me. V + 18, 3 Me. V A folyamatokat még nem lehet tartósan és szabályozottan fenntartani, mivel igen magas hőmérséklet (ún. termikus körülmények), plazmaállapot és rendkívül nagy energiájú részecskék szükségesek hozzá. (Lásd még a NUKLEOSZINTÉZISEK c. fejezetben. ) Szabályozatlan körülmények között viszont „működik” : deutériumfúzió szolgáltatja a hidrogénbomba energiájának egy részét. A hidrogénbomba felrobbantását, azaz a fúzió elindításának extrém körülményeit egy maghasadásos atombomba felszabaduló energiája biztosítja ; ehhez adódik még hozzá a fúzió során felszabaduló energia.

D. ) Trícium-magokkal kiváltott magreakciók A reakciót gyakran alkalmazzák ipari neutronforrásként, mert nagy mennyiségben szolgáltat monokromatikus neutronokat.

E. ) -részecskékkel kiváltott magreakciók Az atomszerkezet felfedezésének időszakában, ill. a magreakciók kezdeti vizsgálatához az 1920 -30 -as években természetes -sugárzó izotópokat használtak. -részecskékkel hajtotta végre RUTHERFORD az első mesterséges magreakciót 1919 -ben : -részecskékkel bombázott berilliumot R. CHADWICK a neutron felfedezésekor 1932 -ben : -részecskéket használt F. J. CURIE és I. CURIE az első mesterséges radioaktív elem (30 P) előállításakor 1934 -ben : -részecskék kiváltotta megreakcióval állította először SEGRÉ és MACKENZIE a 85 -ös rendszámú asztáciumot 1940 -ban mesterségesen {astatos (görög) nem stabil} (A 85 At-nak csak radioaktív izotópjai vannak. )

Az -részecskékkel kiváltott magreakciók jellemzően nukleoncsere reakciónak számítanak : pl. ( , p ) típus : ( , n ) típus : ( , 2 n ) típus : Lásd még ábra alább. ( , p n ) típus : ( , x p y n ) típus : nagy energiájú -sugarak esetén A legtöbb -részecskékkel kiváltott magreakció mechanizmusát tekintve összetett közbenső mag kialakulásán keresztül megy végbe. Az ( , p ) típusú reakciók könnyű magokkal is könnyen végbemennek (lásd alább). Ez a reakciótípus jellemezte a radioaktív kutatások korai korszakát az 1900 -1920 -as évekig természetes -sugárzó izotópok alkalmazásával (pl. első mesterséges magreakció : lásd fentebb). Az ( , n ) típusú reakciókat rendszerint neutronforrásként használják. A természetes - sugárzó izotópok (Ra, Po, Pu) könnyű magokból neutront szabadítanak fel, így akár hordozható vagy laboratóriumi neutronforrást biztosítanak. pl. és

Mivel az -sugárzó anyagok által kibocsátott -részecskék energiája 4 -9 Me. V, ezek csak a kis rendszámú ( Z 20 ) magokban képesek magreakciót előidézni. A nagyobb rendszámú ( Z 20 ) magok jelentősebb Coulomb-gátjának leküzdéséhez nagyobb energiájú -részecskékre van szükség, amit pl. az -részecskék gyorsításával lehet elérni. - Az -részecskék energiája a magreakció kimenetelét nagy mértékben determinálja, gyakran párhuzamos reakciók is végbemehetnek különböző hatáskeresztmetszettel. -részecskék indukálta magreakciók hatáskeresztmetszete 116 Cd magon 116 Cd ( , p 2 n ) 119 g In 116 Cd ( , 3 n ) 117 m Sn 116 Cd ( , n ) 119 m Sn 116 Cd ( , p 3 n ) 116 m In 116 Cd ( Forrás : R. A. Rebeles et al. : Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. ; Sect. B. Vol. 266 (21), p. 4731 -4737. (2008) , 2 p 3 n ) 115 m Cd

Az -részecskékkel kiváltott magreakciók Q-értéke nagyon különböző lehet attól függően, hogy mekkora a besugárzó -részecskék energiája, illetve milyen és mennyi részecske távozik. Kis rendszámú ( Z 20 ) célmagok esetében már a 4 - 6 Me. V energiájú -részecskék is képesek magreakciót okozni, ami energetikailag exoterm és endoterm is lehet : pl. ( , p) típus esetén : Q = - 2, 6 Me. V Q = - 6, 9 Me. V Q = + 4, 1 Me. V Q = - 8, 1 Me. V Q = + 1, 8 Me. V Q = + 2, 4 Me. V A nagyobb rendszámú ( Z 20 ) célmagok számottevő Coulomb-gátját csak nagyobb energiájú -részecskék képesek átlépni ; emiatt azonban az -részecskék általában több energiát hoznak, mint amit a távozó részecske elvisz, így ezek a reakciók rendszerint endoterm jellegűek. Q = - 3, 5 Me. V

Az -részecskékkel, ill. a protonokkal kiváltott azonos típusú magreakciók energetikai és hatáskeresztmetszetjellege gyakran hasonló. Ugyanazt a hatást azonban csak a protonokéhoz képest nagyobb energiájú -részecskék képesek létrehozni. Az -részecskék ugyanis csak a protonoknál nagyobb energiával tudják elérni az atommagot, mert számukra nagyobb a Coulomb-gát. A nagyobb energiák azonban megváltoztatják a reakciók mechanizmusát, és másik vagy több részecske távozik, ami által a keletkező új mag összetétele is módosul. Az eltérő energiák természetesen eltérő hatáskeresztmetszetű reakciókat eredményeznek. Forrás : Nuclear Physics PHY 303 ; www. shef. ac. uk/physics/teaching/phy 303 -5. html

F. ) Nehézionokkal kiváltott magreakciók Ha -részecskéknél nehezebb ionok / magok nagy sebességre gyorsulnak, kinetikus energiájuk elegendő lehet arra, hogy egyes nehezebb magokkal ütközve magreakciót váltsanak ki. Az ún. nehézion-reakciók terméke leginkább attól függ, hogy mekkora az ütköző részecskék energiája és milyen az ütközés formája : § A nehézion-reakciókban az energiát egyetlen nukleonra ( E / A ) szokás számolni. A bombázó részecskéknek egy nukleonra számítva több 10 Me. V vagy több 100 Me. V, netán Ge. V nagyságrendű energiával kell rendelkezniük, hogy hatékony legyen az ütközés. - megfelelő részecskefizikai gyorsítók szükségesek a kellő energia biztosításához Beszélhetünk : - kis nehézion-energiákról : E / A 8 -10 Me. V - alacsony nehézion-energiákról : 30 Me. V E / A 100 Me. V - közepes nehézion-energiákról : 100 Me. V E / A 1 Ge. V E / A - relativisztikus energiákról : § Az ütközés lehet periférikus vagy centrális. - periférikus ütközés esetén általában nukleoncsere-reakció megy végbe - centrális ütközés esetén rendszerint egybeolvadás történik, és a keletkező közbenső mag részecskéket kibocsátva stabilizálódik

A nehézion-reakciók megvalósításának praktikus lehetősége az 1980 -as évektől kezdődően vált egyre nagyobb jelentőségűvé, amikor a részecskegyorsítók olyan szintre fejlődtek, hogy a nehézionokat a fénysebességgel összemérhető sebességre lehetett gyorsítani, és ezáltal megfelelően nagy energiákhoz juttatni. Fontos volt továbbá azon technikák kidolgozása is, melyek a nehézion-reakciókban keletkező nagy számú részecske szeparálását és azonosítását is biztosítani tudták. A nehézion reakciók az alábbi területeken nyitottak új fejezetet : § könnyű elemek nagy neutrontöbblettel rendelkező izotópjainak előállítása ü pl. a 3 Li 12 Mg rendszámú tartomány izotópjainak előállítása § nehéz magok előállítása ü pl. transzurán elemek új előállítási lehetősége § új kémiai elemek előállítása ü pl. transzaktinidák (szupernehéz elemek) előállítása § maganyag vizsgálata ü pl. : atommagok egyesülésekor a maganyag egyes tulajdonságai (sűrűség, hőmérséklet, ‘neutronpárolgás’) megváltoznak § elemi részecskék képződésének feltételei és körülményei ü különösen nagy, relativisztikus energiájú nehézion ütközések során elemi részecskék képződnek

A nehézion-reakciók ütközéstípusai : rugalmas szóródás rugalmatlan szóródás súroló periferikus ütközés rugalmatlan szóródás ‘mélyérintkezéses’ periférikus ütközés centrális (központi) ütközés Coulomb-taszítóerők miatt gerjesztődés. - kis nehézion energiáknál célmag ag c élm Coulomb-taszítóerők miatt gerjesztődés és a nukleoncsere kezdete. nukleoncsere reakciók fúziós reakciók közbenső magon keresztül

Alacsony nehézion-energiáknál 30 Me. V E / A 100 Me. V - a felgyorsított bombázó nehézionokat a célmagból készített fóliára irányítják. - Ha az ütközés periferikus (súroló), a célmag lehasít néhány nukleont a bombázó magból, és ezeket megtartva tulajdonképpen a már tárgyalt nukleoncsere-reakció megy végbe, azaz nukleon(ok) transzportálódnak egyik magból a másikba. célmag bombázó deuteron transzportálódik proton transzportálódik -részecske transzportálódik Az, hogy milyen mag keletkezik, nagy mértékben függ a bombázó részecske energiájától.

Ha az ütközés centrális (központi), azaz a bombázó mag telibe találja a célmagot, a kettő ‘egybeolvad’ és egy erősen gerjesztett állapotú közbenső mag keletkezik, ami neutron(ok), proton(ok) és -részecskék kibocsátásával stabilizálódik, miközben új mag képződik. pl. A közbenső mag állapota és a belőle kialakuló új mag összetétele erősen függ a bombázó nehézion energiájától. Forrás : Nuclear Instruments and Methods in Phiysics Research Section B : Beam Interaction with Material and Methods Volume 211, Issue 3, November 2003, Pages 288 -296 63 Cu (16 O, 3 pn) 65 Zn 63 Cu (16 O, 3 n) 66 Ga 63 Cu (16 O, 3 ) 67 Ga 63 Cu (16 O, 2 pn) 69 Ge 63 Cu (16 O, 2 ) 71 As 63 Cu (16 O, p 2 n) 72 Se 63 Cu (16 O, 2 p) 73 As 63 Cu (16 O, 4 pn) 74 As 63 Cu (16 O, 3 pn) 75 Se 63 Cu (16 O, ) 75 Br 63 Cu (16 O, p 2 n) 76 Kr

O nehézionnal 16 Cu célmagon kiváltott nehézion-magreakciók 63 termékképződésének hatáskeresztmetszete a bombázó részecske energiájának függvényében X 65 Zn 66 Ga 67 Ga 69 Ge 71 As 72 Se 73 As 74 As 75 Se 75 Br 76 Kr Forrás : Nuclear Instruments and Methods in Phiysics Research Section B : Beam Interaction with Material and Methods Volume 211, Issue 3, November 2003, Pages 288 -296

A nehézion-reakciók alkalmazásának jellemző példája az uránnál nehezebb elemek, az ún. transzuránok előállítása. magokat. E célra gyakran használnak A reakció nagy gerjesztési energiával rendelkező közbenső mag képződésén keresztül megy végbe. A közbenső mag aztán főleg neutronok kibocsátásával kerül kisebb energiaállapotba, de -emisszió, sőt maghasadás is bekövetkezhet stabilizálódás végett. A reakciók során rendszerint több neutron távozik, de proton vagy -részecske is felszabadulhat a magból (nehéz magoknál és nagy energiáknál). A nehéz-ionok nagyobbik része azonban a célmagban marad (abszorbeálódik), létrehozva az új, nagyobb magot. A transzuránok az aktinidák közé tartoznak ; az elemek mindegyike radioaktív.

Ugyancsak nagy sebességre gyorsított közepes energiájú nehézionokat használnak a jelenleg ismert legnehezebb elemek, az ún. transzaktinidák ( Z 103) előállítására is. A transzaktinidák legtöbbjét vagy a felfedezés helyéről, vagy a XX. század elején élt, az atommagkutatásban élen járó, világhírű tudósokról nevezték el. rutherfordium Ernest Rutherford-ról hahnium Otto Hahn-ról seaborgium Glenn Seaborg-ról hassium a német Hessen tartományban fedezték fel darmstadtium a darmstadti (német) gyorsítóban fedezték fel röntgenium Konrad Röntgen-ről kopernícium Nikolausz Kopernikusz lengyel csillagászról

Ha a nehéz magok energiája különösen nagy – akár több 100 Me. V vagy Ge. V - , ugyanaz a bombázó mag több célmaggal is ütközhet növelve a hatáskeresztmetszetet. Eközben kihasadhatnak belőle nukleon-csoportok, melyek a célmagban maradnak és így tulajdonképpen - a már korábban tárgyalt - átrendezéses reakció megy végbe. deuteron transzportálódik célmag bombázó proton transzportálódik -részecske transzportálódik Nehéz ionok szét is rombolhatják a magokat több kisebb fragmensre : - Ez a polifragmentáció jelensége, ami jellegében a maghasadáshoz hasonlít, valamint a nehezebb és könnyebb fragmensek eloszlása is hasonló.

G. ) -sugarakkal kiváltott magreakciók A -sugarakkal bombázott atommagok gerjesztett állapotba kerülnek, és megnövekedett energiájuktól rendszerint valamilyen részecske ( x ) általában proton vagy neutron kibocsátásával szabadulnak meg. Általánosságban : A ( , x ) B pl. Nukleáris fotoeffektus A fotoeffektus analógiájára szolgál az elnevezés ahol fény hatására elektronok lépnek ki az anyagból , mert itt -fotonok hatására nukleonok hagyják el az anyagot. A kilépő neutront fotoneutron-nak is nevezik.

A -sugarak számára nincs Coulomb-gát, így akadálytalanul jutnak be az atommagokba, ám csak akkor képesek magreakció létrehozására, ha energiájuk nagyobb, mint az atommagokat alkotó nukleonok kötési energiája. Mivel a nukleonok kötési energiája a magban általában 7 - 9 Me. V, a -sugárzás energiájának ennél nagyobbnak kell lennie, hogy a magot olyan mértékben gerjesztett állapotba hozza, hogy az elegendő energiával rendelkezzen egy vagy több nukleon kilökéséhez. Nagy energiájú -fotonok előállíthatók : § MAGREAKCIÓKKAL pl. § FÉKEZÉSI RÖNTGENSUGÁRZÁSSAL § RADIOAKTÍV IZOTÓPOK -SUGÁRZÁSÁBÓL pl. 124 Sb E = 226 Ra E = A nagy energiájú -sugárzó izotópokat általában atomreaktorban állítják elő.

Az E 20 Me. V -sugarak energiája már elegendő ahhoz, hogy az atommagokból akár több neutront és / vagy protont is eltávolítson. pl. Egyes esetekben -sugarak hatására a célmag akár teljesen szétrombolódhat, és kisebb darabokra, fragmensekre eshet szét. . pl. a reakcióban az oxigén-mag teljesen szétesik - részecskékre

Bizonyos ( , n ) típusú reakciók küszöbenergiája anomális mértékben alacsony is lehet ! reakció már E 2, 225 Me. V esetén is Pl. a végbemegy, mivel csak a deuteron-mag kötési energiáját kell befektetni. A 24 Na izotóp -sugárzása E 2, 78 Me. V , így alkalmas gerjesztésre, és vele pl. nehézvizet besugározva neutronforráshoz juthatunk. A reakció ugyancsak a gyakorlatban is alkalmazott neutronforrásnak számít. Küszöbenergiája ugyanis csak E = 1, 665 Me. V , ami a legkisebb valamennyi nukleáris fotoreakció között, ezért számos -sugárzó izotóp vagy akár kemény Röntgen-sugárzás is alkalmas a 9 Be gerjesztésére. Az alacsony küszöbenergia azzal magyarázható, hogy a 8 Be rendkívül instabil, és nagyon gyorsan szétesik két - részecskére :

H. ) Termonukleáris magreakciók (nukleoszintézisek) A termonukleáris magreakciók extrém magas hőmérsékleteken ( 106 1011 K ) végbemenő atommag-átalakulások. - Jellegüket tekintve lehetnek magfúziós vagy magbomlási folyamatok. Ilyen ún. nukleoszintézisekben keletkeztek az első atommagok az Univerzumot létrehozó Ősrobbanás utáni pillanatokban, és ilyen magreakciók biztosítják azóta is a csillagokban zajló fúziós folyamatokban, valamint a csillagok halálát jelentő szupernova-robbanások révén az atommagok kialakulásának és elbomlásának természetes körforgását a Világegyetemben, folyamatosan létrehozva és megújítva ezáltal a kémiai elemeket. Ahhoz, hogy ezeket a folyamatokat tárgyalhassuk, meg kell ismerni kell a csillagok fontosabb sajátságait (hőmérséklet, tömeg, összetétel), életciklusait, keletkezésének körülményeit, korát, halálát, mivel a lehetséges és ténylegesen lejátszódó reakciókat alapvetően ezek a tényezők határozzák meg. Ezért a továbbiakban a csillagok keletkezését, életútját és a bennük zajló történéseket is bemutatjuk olyan részletességgel, hogy érthetőek legyenek a hozzájuk kapcsolható, értelmezni kívánt termonukleáris magreakciók. Ennek érdekében néhány asztrofizikai fogalommal és kategóriával is szükséges lesz megismerkedni. Előbb általánosságban szólunk a csillagok keletkezéséről és fejlődéséről, majd ezt követően tárgyaljuk részletesen a bennük zajló energiatermelő magreakciókat, ezután pedig a kémiai elemek természetes szintézisét. Végezetül néhány mesterséges termonukleáris magátalakítást is említünk.

A termonukleáris magreakciók csoportosítása : § ELSŐDLEGES (primordinális) SZINTÉZISEK - a Világegyetem keletkezésekor mentek végbe, néhány másodperc alatt - hatásukra igen magas hőmérsékleten (1011 K) könnyű magok keletkeztek : 2 D, 3 T, 3 He, 4 He, 7 Li, 7 Be § FÚZIÓS FOLYAMATOK A CSILLAGOKBAN - a csillagok belsejében jelenleg is folyamatosan zajló magfúziós reakciók biztosítják a csillagok energiatermelését a H He átalakulás révén - ilyen reakciókban keletkeznek a 6 C és a 26 Fe közötti rendszámú elemek § NEUTRONBEFOGÁSOS REAKCIÓK A SZUPERNOVAROBBANÁSOKBAN - a nagy tömegű csillagok halálakor fellángoló szupernovákban keletkeznek a 26 Fe-nál nagyobb rendszámú elemek atommagjai § MESTERSÉGES MAGÁTALAKÍTÁSOK - az ember által végrehajtott nukleoszintézisek, melyek eredményeképp a természetben elő nem forduló atommagok is keletkezhetnek

A napjainkban már általánosan elfogadott elmélet szerint a Világegyetem jelenlegi formája a mintegy 13, 7 milliárd évvel ezelőtti nagy Ősrobbanást („Big Bang” „Nagy Bumm”) követően kezdett kialakulni. Az Ősrobbanás előtt a Világmindenség teljes anyaga egy hihetetlenül nagy energiájú és nagy anyagsűrűségű pontban volt összesűrűsödve. Az Ősrobbanásban ez a hatalmas anyagés energia-mennyiség egyetlen rövid pillanat alatt szabadult fel, majd ezt követően kezdett el egyenletesen tágulni és lehűlni, ami még ma is tart. Az Ősrobbanás utáni pillanatban a 1032 K hőmérsékleten kb. 10 -47 sec-ig csak sugárzás létezett anyagi részecskék és tömeg nélkül (lásd ábra a következő dián). Ahogy a hőmérséklet csökkent, a sugárzásból előbb 10 -34 sec alatt létrejöttek a gyenge kölcsönható bozonok, elektronok és pozitronok, majd ezekből 10 -10 sec-ig a szubelemi részecskék, azaz a kvarkok. A kvarkokból aztán protonok, neutronok és mezonok keletkeztek : mindez a robbanástól eltelt kb. 10 -5 sec alatt, miközben a hőmérséklet 1010 K-re esett. Az ezt követő 3 -4 percben pedig már annyira csökkent a hőmérséklet 109 K , hogy a nukleonokból sorozatos fúziókkal atommagok képződhettek : 2 D, 3 T, 3 He, 4 He, 7 Li, 7 Be, 8 B ; ezek egy része azonban az állandó ütközésekben gyorsan el is bomlott. A szabad neutronok elfogyása és a hőmérséklet további csökkenése a nehezebb atommagok képződését már nem tette lehetővé. Amikor kb. 300 ezer év múlva a hőmérséklet ~ 6000 K alá csökkent, az atommagok köré meghatározott energiájú pályákra elektronok rendeződhettek, kialakulhattak az első atomok. Az atomokból még kisebb hőmérsékleten előbb molekulák, anyaghalmazok, porok keletkeztek, melyekből aztán ezek csomósodásával-sűrűsödésével további kb. 500 ezer 1 millió év elteltével alakulhattak ki az első csillagok, bolygók, csillagrendszerek és galaxisok, melyek a jelenlegi, általunk ismert Univerzumot alkotják.

§ ELSŐDLEGES (primordinális) SZINTÉZISEK Az elődleges szintézisek az Univerzum kialakulásakor az ősrobbanást követő néhány percben mentek végbe. Az ősrobbanásban keletkező protonok és neutronok a nagyon-nagy (1011 K) hőmérsékleten a már szintén jelenlévő könnyű leptonokkal ( elektronok, pozitronok, neutrínók ) előbb egymásba alakulhattak : Az ősrobbanás után 1 sec-mal a proton / neutron arány 0, 23. Amikor az ősrobbanást követő tágulás és hőmérsékletcsökkenés miatt már nem keletkezhettek további neutronok, a neutronok száma csökkenni kezdett, mivel állapotuk nem stabil (élettartamuk kb. 886 sec), és negatív β-bomlással protonná alakultak. A neutronok teljesen elfogytak volna, arányuk a protonokhoz képest 0, 14 -re apadt, de a további lehűlés következtében az ősrobbanás után mintegy 400 sec elteltével a részecskék számára a hőmérséklet biztosította kinetikus energia (hőmozgás) is olyan mértékben csökkent, hogy nem haladta meg az atommagok kötési energiáját, ezért lehetővé vált az első primordinális szintézis, azaz protonok és neutronok deuteron-maggá való egyesülése : Ez a folyamat fogyasztotta a neutronokat ; mivel gyorsabb, mint a negatív β-bomlás, biztosította a neutronok megmaradását (kötött állapotban), lehetővé téve ezáltal az atommagok kialakulását. A deutérium-magok aztán egy-egy további proton befogásával héliummá ( 3 He ) alakultak, illetve kisebb valószínűséggel egymással is ütközhettek, ami 3 -as tömegszámú hélium-magot vagy trícium-magot eredményezett a fúzió végén :

§ ELSŐDLEGES (primordinális) SZINTÉZISEK (folytatás) A deutérium-, trícium- és 3 He-magok ütközései okozta fúziók során a primordinális szintézisekben további magok keletkeztek : 4 7 7 He, Be, Li A keletkező magok neutront vagy protont is befoghattak : Az elsődleges szintézisekben termelődött a 8 -as tömegszámú bór-mag ( 8 B ) is, de az annyira instabil, hogy azonnal el is bomlott két alfa-részecskére ( 4 He-magokra ). Az elsődleges szintézisek addig tartottak, amíg a szabad neutronok elfogytak, belőlük deutérium-mag keletkezett. A deutérium is tovább fúzionált mindaddig, míg elfogyott ; ez mindössze 2 -3 percig tartott. Legnagyobb része 4 -es tömegszámú hélium-maggá ( 4 He alfa-részecske ) alakult, így szinte minden neutron 4 He-be kötődött. A számítások szerint a Világegyetem anyagának kb. 25 %-a héliummá alakult néhány perc alatt a primordinális szintézisekben. A lítiumnál és a bórnál nehezebb elemek az elsődleges szintézisekben nem képződtek egyrészt a rövid idő alatt elfogyó „alapanyagok” (neutron és deuteron) hiánya miatt, másrészt pedig a gyors hőmérsékletcsökkenés okozta energiavesztés következtében. Az A = 5, 6, 8 tömegszámú magok elvileg kialakulhattak volna, de ezek nem stabilak és azonnal bomlanak. Nehezebb elemek képződésére csak a később kialakuló csillagokban volt lehetőség, ahol a nagy tömeg okozta gravitáció, az ennek következtében kialakuló óriási nyomás és a magas hőmérséklet képes egymáshoz nyomni a protonokat, és biztosítani a fúzióhoz szüksége körülményeket.

§ FÚZIÓS FOLYAMATOK A CSILLAGOKBAN A csillagok energiatermelését elsőként 1920 -ban A. EDDINGTON kapcsolta össze magkémiai-magfizikai folyamatokkal protonok és elektronok annihilációs sugárzását feltételezve. 1929 -ban R. ATKINSON és F. HOUTERMANS dolgozott ki elméletet a Napban zajló olyan magreakciókról, melyekben hidrogénből és héliumból kiinduló elemátalakulások zajlanak. Rájöttek, hogy a különböző kémiai elemek a csillagok belsejében keletkeznek magfúziós folyamatok révén. Sir Arthur Stanley EDDINGTON (1882 - 1944) Robert d’Escourt ATKINSON (1898 - 1982) Friedrich Georg HOUTERMANS (1903 - 1966)

Az 1930 -as években A. WEIZSÄCKER vetette fel a gondolatot, hogy a Napban elegendően magas hőmérséklet uralkodik egy olyan fúziós reakciósorhoz, melyben négy protonból (hidrogénből) egy héliummag képződhet. A lehetőséget H. BETHE és CRITCHFIELD számításokkal igazolta (proton-ciklus). 1938 -ban H. BETHE kidolgozta a csillagok energiatermelésére vonatkozó, elemátalakulásokat feltételező szén nitrogén-ciklus (CN-ciklus) elméletét is, mely később szintén igaznak bizonyult. 1948 -ban R. ALPHER, H. BETHE és G. GAMOW átfogó elméletet állított fel a csillagokban zajló nukleoszintézisekre, de az elméletről kiderült, hogy hibás. Ralph ALPHER 1921 2007 Hans Albrecht BETHE 1905 2005 Nobel-díj : 1967 Georgiy Antonovich GAMOW 1904 1968

1956 -ban H. SUESS geofizikus és H. UREY asztrofizikus felfedezte, hogyan képződhetnek a nehéz elemek atommagjai a szupernova-robbanások neutronbefogásos folyamataiban. Harold C. UREY 1893 -1981. Hans SUESS 1957 -ben E. BURBIDGE, G. BURBIDGE, W. FOWLER és F. HOYLE megalkotja a kémiai elemek csillagokban zajló szintézisének részletes elméletét, mely szerint a csillagokban fúziós folyamatok során keletkeznek a könnyű magokból a nehezebb atommagok. Eleanor M. BURBIDGE 1919 - Geoffry BURBIDGE 1925 -2010. Fred HOYLE 1915 -2001. William A. FOWLER 1911 -1995.

A CSILLAGOK ÉLETE Mai ismereteink szerint a csillagok életének különböző állomásai, fázisai vannak. Keletkezésük, fejlődésük, pusztulásuk évmilliárdokig tart. Csillagok jelenleg is születnek a világűrben levő por- és gáz- és molekulatömegek összehúzódásával. Az összehúzó erő a gravitáció, ami a növekvő tömeg miatt egyre nagyobb energiát is jelent. Az anyag sűrűsödésével előbb anyagcsomók ( globulák ) jönnek létre, melyek belsejében az egyre fokozódó gravitáció miatt nő a nyomás is. A gravitációs energia egy része hővé alakul és felmelegíti a belső részeket. Létrejönnek a már sugárzó ún. protocsillagok. Amikor a további sűrűsödéssel a hőmérséklet eléri a kb. 107 K értéket ( tízmillió fok ! ), a jelenlévő protonok (hidrogén-atommagok) között fúziós reakció indul be, és deutérium-magokon keresztül energiafelszabadulással hélium-magok keletkeznek (‘hidrogénégés’) : kialakul a csillag. NGC 604 jelű óriáscsillag keletkezési régiója („csillagbölcső”) a Triangulum galaxisban.

PROTOCSILLAGOK KIALAKULÁSA A csillagközi felhőben előbb csomósodások alakulnak ki, majd ezek összehúzódása során a gravitáció felmelegíti az anyagot. A hevülés következtében kialakuló egyre nagyobb hőmérséklet fúziós folyamatokat indít be, és kialakul a már sugárzó protocsillag. Forrás : http: //astro. elte. hu/icsip/csill_elete/csillagtipusok/fejlodes_in. html

A protocsillagok kialakulásának ideje néhány millió év. Forrás : http: //astro. elte. hu/icsip/csill_elete/csillagtipusok/fejlodes_in. html A protocsillagok még nem igazán stabil képződmények. Körülöttük jelentős mennyiségben található gáz- és porfelhő, és gyakoriak belőlük az anyagkilökődések is. A protocsillagokban az energiát elsősorban a deutérium-magok és protonok fúziója szolgáltatja. A deutérium-fúzió következtében fellépő hőmérsékleti eltérések plazmaáramlásokat okoznak, melyek mágneses teret indukának. Az igen erős mágneses tér pedig csillagszelet (napszél) kelt, ami lefújja a protocsillag felületéről a porokat és gázokat a protocsillag láthatóvá válik, és ha tömege elég nagy (M 0, 08 MNap), csillaggá alakul.

A gömbszerűvé formálódó csillagban a fúzió során felszabaduló és a csillag felületén kibocsátott energia, ill. az ebből eredő belső nyomás olyan nagy lesz, hogy kompenzálja az óriási tömeg külső gravitációs nyomását, így az összehúzódás megáll, és a csillag hosszú időre közel állandó méretet vesz fel. Fizikai és kémiai folyamatai termodinamikai egyensúlyba kerülnek, fény- és energiakibocsátása is állandósul. A Világegyetemben sokféle méretű, tömegű és fényességű csillag létezik. Csoportosításuk, kategorizálásuk alapvetően a HERZTSPRUNG RUSSELLdiagramon elfoglalt helyük alapján végezhető el. A dán-holland Einar HERTZSPRUNG és az amerikai Henry N. RUSSELL csillagász 1905 1913. között dolgozta ki a csillagok fejlődésére és osztályozására vanatkozó, máig is széles körben használt diagramot, amin a felületi hőmérséklet függvényében ábrázolják a csillag felületi fényességét, ill. luminozitását (L). luminozitás = kisugárzott energia / sec A Nap luminozitása = 1 relatív luminozitás a Naphoz viszonyított luminozitás ( = L / L Nap ) A diagram vízszintes tengelyén (felül) szokás még feltüntetni a színképosztályokat (A, B, F … O), a függőleges (jobb oldali) tengelyen pedig a csillag abszolút vizuális fényességét ( magnitudó) A kialakuló csillagok különböző színűek, méretűek és fényességűek lehetnek, amely tulajdonságokat alapvetően a tömegük ( M ) határozza meg. 3, 5 L~M A 0, 08 M Nap M 100 M Nap tömegű új csillagok az ún. fősorozatba tartoznak, és tömegük a diagramon jobbról balra átlósan felfelé nő, csakúgy, mint fényességük. A kibocsátott fény hullámhosszának vizsgálata alapján lehetnek kékes vagy vörös színűek. A nagyobb tömegű kékes színűek hőmérséklete és luminozitása nagyobb, ezek a HERTZSPRUNG RUSSELL-diagram bal felső részén találhatók, míg a kisebb tömegű és kisebb felszíni hőmérsékletű vörösek a jobb oldalra kerülnek.

A HERTZSPRUNG RUSSELL - diagram Forrás : www. gothard. hu/astronomy/astroteaching/hrd. html

A Világmindenségben lévő csillagok számát jelenleg kb. 1022 -re becsülik. Ezek mintegy 95 %-a a főágba sorolható. Az itt látható HERTZSPRUNG RUSSELLdiagramon kb. 23 000 csillag van feltüntetve. Forrás : en. wikipedia. org/wiki/Hertzsprung. Russell_diagram

A Hertsprung Russell-diagram fősorozati csillagai jellemzően a méretük, felszíni hőmérsékletük és színkép-típusuk alapján csoportosíthatók. A színképtípus a csillag felszínén és atmoszférájában található kémiai elemek által kisugárzott fény hullámhossza ( ) alapján határozható meg. Ez a kéktől ( kis ) a vörösig ( nagy ) tartó ún. látható színkép (spektrum). (A hidrogén pl. vörös színű vonalat hoz létre a színképben. ) vörös kisebb felszíni hőmérséklet növekszik kék forró felszín A színképtípusok betűjele a kéktől a vörösig rendre O, B, A, F, G, K, M, ami ebben a sorrendben egyre kisebb tömegeket, és egyre csökkenő felszíni hőmérsékletet is jelent. A sor végére kerülnek továbbá a nagyon kis tömegű ún. barna törpe állapot R, N, S típusai. (A betűkkel jelölt színképtípusokon belül további alosztályok (0 -tól 9 -ig) szolgálnak a részletesebb osztályozásra. )

A fősorozatba tartozó csillagok energetikailag stabilak, energiatermelésüket a hidrogén hélium fúzió fedezi. Ez a csillagok életének legjelentősebb szakasza. A fősorozatba tartozik Napunk is. A számítások szerint kb. 4, 6 milliárd éves, és vélhetően életideje felénél tart. A fősorozat két tartományra osztható : „ alsó ” és „ felső ” fősorozat. Az „ alsó ” fősorozatban a Naphoz méretben leginkább hasonlító 0, 08 MNap 3, 5 MNap Naptömegű csillagok találhatók. Ezek energiaforrása a proton-ciklus : (lásd alább). A „ felső ” fősorozatba a Napnál legalább 3, 5 -ször nagyobb tömegű ( 3, 5 MNap M ), nagyobb méretű, óriáscsillagok tartoznak, melyek fő energiaforrása a protonciklus mellett a CNO-ciklus : (lásd alább). Az ismert legnehezebb csillagok (pl. -Carinae) a Napnál 100 150 -szer nagyobb tömegűek. Ha a kialakuló csillag tömege nem éri el legalább a 0, 08 Naptömeget (M 0, 08 MNap), bennük nem tud elindulni a hidrogén hélium fúzió, mert magjukat a gravitációs nyomás nem képes felmelegíteni min. 3 107 K hőmérsékletre a proton-ciklus indulási hőmérsékletére. Az ilyen csillagok a „hideg” barna törpék, melyek energiatermelését a deutérium-magok és protonok egyesülése szolgáltatja : A barna törpék nagysága már inkább a bolygók méretéhez hasonlítható, tömegük a Jupiter tömegének 15 80 -szorosa.

A kialakuló csillagok tömege határozza meg a csillag életének további ciklusait, hogy - főképp milyen folyamatok termelik az energiát, azaz milyen fúziós reakciók játszódnak / játszódhatnak le bennük - milyen fázisokon át zajlik az életük, milyen megjelenési formákban létezhetnek - mi lesz belőlük életük végén Ezen szempontok alapján a Nap tömegéhez viszonyítva a született csillagokat alapvetően 3 csoportba lehet sorolni : § a barna törpék tömege kisebb a Nap tömegének felénél : M 0, 08 M Nap - energiatermelésüket a deutérium és protonok közti fúzió szolgáltatja § a Naphoz hasonló tömegű csillagok, melyek tömege 0, 5 3, 5 Naptömeg közötti : 0, 5 M Nap M 3, 5 M Nap - energiájukat a proton – proton fúzió (proton-ciklus) biztosítja § a Napnál legalább 3, 5 -ször nagyobb tömegű csillagok : 3, 5 M Nap M (az egészen nagy tömegű, kékes-fehér színű óriáscsillagok az ún. masszív csillagok) - energiatermelésük nagyobbrészt a CNO-ciklusból származik A továbbiakban ezek életciklusaival foglakozunk.

A CSILLAGOK ÉLETÉNEK FÁZISAI I. A Nap típusú „alsó” fősorozatbeli csillagok az alábbi ábrán látható I. sz. útvonal állomásait és fázisait járják be. I I. A Napnál legalább 3 , 5 -ször nehezebb „felső” fősorozatbeli, masszív, szupernehéz csillagok az alábbi ábra II. útvonalának megfelelő állapotokat és fázisokat járják be. II.

A kialakult csillagok életének utolsó fázisai jellemzően attól függenek, hogy mekkora a tömegük : kisebb vagy nagyobb 3, 5 Naptömegnél. Más életutat jár be egy „ alsó ” fősorozatbeli, kisebb tömegű, Nap típusú csillag, és mást egy „ felső ” fősorozatbeli, nagyobb tömegű ún. masszív csillag. I. A Nap méretű és hozzá hasonló tömegű csillagok ( 0, 5 M Nap M 3, 5 M Nap ) éltének főbb fázisai : A Naphoz hasonló tömegű ( 0, 5 M Nap M 3, 5 M Nap ) csillagok 1. 2. 3. 4. 5. életének legfontosabb szakasza, melynek során benne hatalmas mennyiségű energia termelődik a hidrogén hélium fúziójával. Ez a leghosszabb és legstabilabb szakasz, ami évmilliárdokig tart. Amikor a csillag magjában a hidrogén nagyobb része elfogy, a csillag magja összehúzódik, külső rétegei pedig kitágulnak, és a csillag vörös óriássá válik. Energiáját kívül a H He fúzió, belül a hélium nehezebb magok (C, O, Ne, Si … Fe) fúziója biztosítja. Ez a fázis „csupán” néhány százmillió évig tart. A csillagban a hőmérsékletkülöndségek miatt keletkező energiaáramlások lenyomja a külső felszíni rétegeket, melyek hatalmas gáztömegeket alkotva tágulni kezdenek és belőlük csillagközi köd (planetáris köd) alakul ki. Ilyen ködöket a gravitáció később újra összetömöríthet, és így belőlük ismét csillagok születhetnek. Ha a planetáris köd belsejében a csillag összezsugorodott magjának tömege kisebb, mint 1, 4 Naptömeg, a maradványból ún. fehér törpe marad vissza, melyben már nem zajlik magfúzió, így energiát sem termel, csupán hőt sugároz még évmilliárdokig. Életének végén a kihűlt fehér törpéből sötét és hideg égitest, fekete törpe jön létre.

II. 1. 2. A Napnál legalább 3, 5 -ször nagyobb tömegű csillagok ( 3, 5 M Nap M ) éltének főbb fázisai : A 3, 5 Naptömegnél nagyobb tömegű csillagok életének első szakasza hasonló a Nap típusú csillagokéhoz. Eltérés, hogy az energiatermelés H He fúziója főképp a CNO-ciklus szerint játszódik le. A sokkal gyorsabb hidrogénfogyasztás miatt azonban ez a stabil szakasz legfeljebb néhány millió évig tart. Ha a csillag a magjában felélte a hidrogénkészletét, a mag zsugorodni kezd, és megindul a héliummagok fúziója nehezebb elemekké. Az ilyen fúziós folyamatokban még több energia termelődik, aminek kisugárzása a külső rétegeket nagyon-nagy mértékben felfújja : az amúgy is nagy tömegű csillagból hatalmas méretű vörös szuperóriás keletkezik, melyben a vörös óriásokra jellemző folyamatok zajlanak. 3. Életciklusuk végén a vörös szuperóriások is ledobják külső rétegeiket ezekből csillagközi köd képződik , így a magjuk egyre kisebb lesz. A magjuk tömege általában meghaladja az 1, 4 Naptömeget, ezért ott óriásira nő a gravitáció, ami a protonokat és elektronokat neutronokká egyesíti. Végül a csillag magja a gravitáci hatására annyira felforrósodik, hogy egy rövid pillanat alatt szupernovaként, rendkívüli fényességgel felrobban, és anyagát szétteríti az űrben. 4. Ha a szupernovarobbanás után a csillag maradéka 1, 5 -3 Naptömegű, belőle neutroncsillag alakul ki. A 10 -20 km átmérőjű, gömb alakú neutroncsillagokat atommagsűrűségű neutronok alkotják. 5. Ha a szupernovarobbanás után a csillag maradéka 3 Naptömegnél nagyobb, a gravitáció még tovább sűrítheti a neutronokat, ezáltal fekete lyuk képződik. A fekete lyukakban akkora a gravitáció, hogy belőlük még a tömeg nélküli fény-fotonok sem távozhatnak.

A csillag a születéskori tömegétől függően általában néhány milliárd év alatt elfogyasztja hidrogénkészleteit. A forró, nagy méretű és nagy tömegű csillagok esetében ez sokkal rövidebb idő alatt (néhány millió néhány 100 millió év) végbemegy. A Nap életideje várhatóan kb. 10 milliárd év. A Napnál 3 -szor nagyobb tömegű csillag viszont már „csak”kb. 500 millió évig él, a Napnál 300 -szor nagyobb tömegű pedig „csak” kb. 6 millió évig. Ha a csillag már nem tud elegendő hidrogént ‘égetni’, energiatermelése és kibocsátása is csökken, nem képes ellensúlyozni a gravitáció összehúzó erejét, így a külső rétegek befelé nyomulnak, miáltal fokozódik a nyomás a magban, és ismét emelkedik a belső hőmérséklet. Amikor a nagy nyomás miatt a hőmérséklet eléri a kb. 100 millió kelvint, megindul a hélium fúziója nehezebb magokká ( ‘ héliumégetés ’ ) ; ez fokozza az energiatermelést, ami tovább emeli a hőmérsékletet. Amikor a magban már több energia szabadul fel, mint amit a csillag képes kisugározni, a külső, felszíni rétegek tágulni kezdenek, hogy nagyobb felületen távozhasson az energia, ezért a csillag rohamos sebességgel felfúvódik ; kezdeti állapotához képest akár 100 -szoros nagyságú is lehet : kialakul a kisebb felszíni hőmérsékletű vörös óriás állapot. Ekkor a csillag a fősorozatból „átkerül” a HERTZSPRUNG RUSSELL- diagram jobb felső részére az óriások közé. A nagy tömegű csillagokból egészen nagy méretű vörös óriások, ún. szuper óriások keletkeznek. A vörös óriások már kevésbé stabilak, bennük a számos fúziós folyamat keltette energiaáramlások miatt óriási turbulenciák keletkeznek. A vörös óriások csaknem mindegyike ún. változócsillag.

A Nap átlagos méretű csillag, átmérője 1, 4 106 km. Hozzá képest a Föld szinte pontszerűnek tekinthető, de a nagyobb bolygók (Jupiter, Szaturnusz) mérete is sokkal kisebb. Nap Az óriáscsillagok és a vörös óriások azonban a Napnál jóval nagyobbak, tömegük viszont a Nap tömegének csak néhányszorosa. Föld Az ismertebb csillagok közül a vörös óriások közé tartozik az égbolt egyik legfényesebb csillaga az Arcturus, melynek átmérője a Nap átmérőjének 23 -szorosa (lásd következő dia). A vörös szuperóriások között említhető pl. a Sarkcsillag (Polaris), és az Orion csillagkép egyik fényes csillaga, a Betelgeuse, melynek átmérője a Nap átmérőjének 1000 -szerese. A jelenleg ismert legnagyobb vörös szuperóriás a VY Canis Majoris, melynek ármérője 2100 -szor nagyobb a Napénál (Ez kb. a Nap és a Szaturnusz távolságának felel meg). A Mira Ceti nevű változócsillag alakja aszimmetrikus, nem gömbszerű.

A vörös óriások a Naphoz képest hatalmas méretűek. (Pl. Arcturus, Pollux) Az Ökörhajcsár-csillagképben látható Arcturus ( Medve Őre) az éjszakai égbolt harmadik legfényesebb csillaga. A Földtől való távolsága 36 fényév. Nap Sirius Pollux A vörös szuperóriások még a vörös óriásoknál is sokkal nagyobbak. (Pl. Antares, Betelgeuse) Az Antares a Skorpió-csillagkép legfényesebb csillaga. A Betelgeuse az Orion-csillagkép második legfényesebb csillaga. Jellegzetes változócsillag, méretei igen gyorsan változnak, várható, hogy hamarosan szupernovaként felrobban.

Az átlagos és Nap méretű csillagok ( 0, 5 M Nap M 3, 5 M Nap ) vörös óriásként kb. 1 milliárd évig élnek. Ezalatt bennük az ún. ‘ héliumégés’ révén főleg szén- és oxigén-magok, valamint kisebb mértékben neon- és szilícium-magok fúzionálódnak. (A külső részen azonban továbbra is hidrogénfúzió zajlik, amíg a hidrogén teljesen el nem fogy). Mivel a ‘ héliumégés’ reakciói erősen hőmérsékletfüggők, mind a vörös óriások belsejében, mind a felszínén jelentős instabil régiók jönnek létre, melyek áramlásokat okoznak, és a felszínre jutva hatalmas gáztömegeket vetnek le a csillagról. Az anyagleválások miatt a vörös óriás fényessége és mérete állandóan változik, pulzál, gömb alakja is degenerálódik, változócsillag lesz. Ilyen élete végén járó, öreg csillagot mutat a mellékelt felvétel az NGC 2392 jelű ködben. Jól láthatók a vörös óriásról már leszakadt külső rétegek, és a csillag maradéka elvesztette kerek formáját. Ahogy a gáztömegek távolodnak a csillagtól, egyre inkább lehűlnek, és atomokat, molekulákat, porokat hoznak létre.

A vörös óriásban végül egyre nagyobb turbulenciák keletkeznek, melyek letaszítják a csillag külső rétegeit ; ezekből planáris köd alakul ki, melynek közepén megmarad a csillag egyre hűlő magja, amiből 1, 4 Naptömegnél kisebb mag-maradvány esetén létrejön az ún. fehér törpe állapot. Vörös óriásból alakult ki az NGC 6543 jelű planetáris köd, melynek közepén látható a fehér törpe állapotú maradvány. A fehér törpe a csillag méretéhez képest igen kicsi, kb. Föld nagyságú égitest, ami azonban rendkívül sűrű, mert 0, 5 1, 4 Naptömeg zsugorodik benne. A fehér törpe stabil csillag, a HERTSPRUNG RUSSELL- diagram bal alsó részébe sorolható. Nukleáris fűtőanyaga már nincs, nukleoszintézisek nem folynak benne, csupán hőt sugároz. Fénye és hőmérséklete néhány milliárd év alatt egyre csökken, míg végül fekete törpe lesz belőle.

Ha a csillag tömege 0, 5 Naptömegnél kisebb ( M 0, 5 M Nap ), benne a hidrogén elfogyását követően nem indul be a hélium fúziója, mert a kis tömeg miatt nem lesz akkora gravitációs nyomás, hogy a hőmérséklet elérje a 100 millió kelvint. Az ilyen csillagok vörös törpékké válva megmaradnak a fősorozatban, és a többi csillaghoz képest akár 1000 -szer hosszabb ideig is élhetnek (lassúbb a haláluk). -Centauri A Proxima Centauri Nap -Centauri B A Naphoz legközelebbi csillag, a 4, 22 fényév távolságban levő Proxima Centauri is vörös törpe. A Kentaur-csillagképben látható Proxima Centauri egy kettőscsillag ( -Centauri A és -Centauri B) mellett található. Forrás : http: //hu. wikipedia. org/wiki/Proxima_Centauri A Proxima Centauri átmérője a Nap átmérőjének csupán 1/ 7 -d része, így mérete inkább a Jupiter óriásbolygóéval vethető össze (lásd még ábra alább). A Proxima Centauri tömege a Nap tömegének kb. 12 %-a, azaz ~1/ 8 -d része. Luminozitása is alacsony, a Napénak csak 17 %-a, viszont szinte állandóan változik, ezért változócsillagnak számít. Kibocsátott energiájának 65 %-a infravörös sugárzás. Annak ellenére, hogy a fősorozatba tartozik, energiatermelése nagyon alacsony ; lassan fogyasztja hidrogénjét, ezért becsült életideje 4 billió év lesz, ami a Világegyetem leendő életkoránál 300 -szor hosszabb idő !

Néhány ismert és jellemző csillag HERTZSPRUNG RUSSELL szerinti besorolása

luminozitás ( Nap = 1 ) Néhány ismertebb csillag HERTZSPRUNG RUSSELL szerinti besorolása (folyt. ) felszíni hőmérséklet Forrás : www. synapses. co. uk/astro/hrdiag. html

A törpecsillagok méretei a csillagok és a bolygók méretei közé esnek.

A Nap-típusú „alsó” fősorozatbeli csillagok életútja jelenleg fokozatos hőmérsékletnövekedés vörös óriás planetáris köd fehér törpe születés milliárd év (számítások alapján) A Nap típusú csillagok életútja a HERTZSPRUNG RUSSELL-diagramon planetáris köd T (K) L /L 0 M keletkezés

A Nap típusú csillagok életútja a HERTZSPRUNG RUSSELL-diagramon T (K) s vöröriások eró szup vörö s óri ások M L/L 0 főá g fehér törpék

A Csiga-köd a hozzánk legközelebbi planetáris köd. Tőlünk 700 fényénvnyire a Vízöntő-csillagképben található. Forrás : http: //wapedia. mobi/hu/Caldwell_63 Az NGC 3132 jelű planetáris köd középen egy fehér törpével a Vitorla (Vega) csillagképben Látható. Forrás : http: //wapedia. mobi/hu/Caldwell_74

A Napnál legalább 8 -szor nagyobb tömegű, ún. „masszív csillagok” élete másképp fejeződik be, mint a Nap-méretű csillagoké. A 800 fényév távolságban lévő Rigel ( Orionis ) az egyik legismertebb masszív csillag, az Orioncsillagkép legfényesebb csillaga. A Napnál 17 -szer nagyobb tömegű és 40 000 -szer nagyobb fényességű, kék óriáscsillag. Nap A HERTZSPRUNG RUSSELL- diagramon a „felső” fősorozatban található. A nagy tömegű csillagokban a ‘hidrogénégés’ CNO-ciklusa által termelt nagy energiamennyiség kisugárzása következtében a csillag felszíne kitágul, és vörös szuperáriássá válik. Eközben magját a gravitáció egyre összébb húzza, így az egyre sűrűbb és forróbb lesz, elindul benne a ‘héliumégés’ folyamata, ami fúzió révén a héliumnál nehezebb elemeket szintetizál. Ez fokozza a gravitációt, ismét nő a hőmérséklet, elindulnak a „szénégés” folyamatai, melyek során egyre nagyobb atomtömegű elemek jönnek létre egészen a vasig (részletesen lásd alább). A vasnál a fúziós folyamatok leállnak, mert a nagyobb rendszámú elemek magjainak kötési energiája a vasénál kisebb, így a fúzió már nem termelhet energiát.

A nagy tömegű csillagokból kialakuló vörös szuperóriások réteges szerkezetűek. Energiatermelésüket kívül a ‘hidrogénégés’, beljebb a ‘héliumégés’, legbelül a magban pedig a ‘szénégés’ reakciói biztosítják. Ez utóbbiak szintetizálják a szén és a vas közötti elemek atommagjait.

Ahogy a vörös óriáscsillagok felélik hidrogén- és héliumkészletüket, az energiatermelés lassan megszűnik, mert a ‘szénégés’ fúziós reakcióihoz sem lesz elegendően nagy hőmérséklet. Amikor az energiakiáramlás annyira csökken, hogy már nem képes ellensúlyozni a gravitációt, a csillag rohamosan összeroskad, a külső részek mintegy 70 000 km/s sebességgel belezuhannak a csillag belsejébe. Ha a csillag tömege ekkor kisebb, mint 1, 4 Naptömeg ez az ún. CHANDRASEKHAR határ egy bizonyos térfogatnál az elfajult (degenerált) elektronok taszítása megállítja az összehúzódást, és kialakul a már tárgyalt, stabil fehér törpe állapot. A fehér törpék kialakulásának határtömegét ( 3 1030 kg) elsőként Subrahmanyan CHANDRASEKHAR indiai fizikus számította ki. Ha viszont a csillag tömege nagyobb, mint 1, 4 Naptömeg azaz CHANDRASEKHAR határ fölötti , akkor a gravitációt az elfajult elektronok taszítása nem képes ellensúlyozni, a csillag tovább sűrűsödik egy kb. 10 km átmérőjű maggá, melynek sűrűsége eléri a 1014 g/cm 3 -t. Ilyen körülmények között lehetővé válik, hogy a protonok és elektronok neutronná egyesüljenek (neutrino is keletkezik), miáltal a gravitációs energia egy része hővé alakul. A gyorsan termelődő hő a csillag magja feletti zónákat szétveti, és a csillag a másodperc töredéke alatt szupernovaként felrobban ( nova új (latin) ). A szupernovák „rövid” ideig (1 év) akár 10 milliárdszor is fényesebbek lehetnek, mint a Nap, és fényük akár az egész galaxis fényénél is erősebb lehet. Galaktikánkban, a Tejútrendszerben átlagosan 50 évenként figyelhető meg szupernova-robbanás. Szupernovarobbanás az NGC 4526 jelű galaxisban Forrás : http: //en. wikipedia. org/wiki/Supernova

A szupernova-robbanáskor a csillag külső rétegei leszakadnak, majd a leszakadt anyagtömegek gömbszerűen tágulni kezdenek, és magukkal ragadják a csillag anyagait, hidrogént, héliumot és a vasnál kisebb rendszámú nehezebb atommagokat, melyek szétszóródnak az űrben planetáris ködöt hozva létre. A robbanás során, ill. már az azt közvetlenül megelőző időszakban is az egymásnak ütköző magas hőmérsékletű atommagok darabolódni, „disszociálni” kezdenek, melynek során a belőlük nagy számban felszabaduló neutronok bombázzák a meglévő atommagokat. Ugyancsak neutronokat eredményez a protonok és elektronok fúziója. Az óriási neutronfluxusban számos atommag abszorbeál neutron(oka)t ; ezekben a neutrontöbblet miatt - -bomlások indulnak, és elkezdődik a vasnál nehezebb elemek szintézise. Mivel ezek a magreakciók viszonylag lassan és gyorsan is végbemehetnek (slow lassú, ill. rapid gyors), s-folyamatoknak, ill. r -folyamatoknak nevezzük őket. (Részletesen lásd alább). Ilyen reakciókban képződnek a vas és az urán közti elemek magjai, sőt még egyes transzurán-magok is egészen Z 100 -as rendszámig és A ~ 250 -es tömegszámig. Az Univerzumban található vasnál nehezebb elemek legnagyobb része szupernovarobbanásban keletkezett. Ennek révén szóródnak szét, oszlanak el a nehéz elemek az űrben. Valószínű, hogy a Naprendszer és a Föld kialakulását is egy közeli szupernova-robbanás indította el, összenyomva és sűrítve-csomósítva valamely por- és/vagy gázködöt. A Földet alkotó kémiai elemek is vélhetően a szupernova egykori csillagából származnak, illetve a szupernova-robbanás során keletkeztek. A szupernova-robbanás után a kilökődött anyag csillagközi ködöt képez, az egykori csillag visszamaradó magjából pedig a tömegétől függően neutroncsillag jön létre vagy fekete lyuk alakul ki.

A Tejútrendszer legfényesebb részén található a hatalmas, 300 fényév átmérőjű -Carinae-köd a Hajógerinc (= Carinae) csillagképben. Nevét az egykor legfényesebb csillagáról az -Carinae nevű csillagról kapta. Forrás : http: //wapedia. mobi/hu/eta_Carinae A -Carinae a Napnál 100 -szor nagyobb, és igen öreg, aszimmetrikus változócsillag. A XIX. sz. közepéig az égbolt második legfényesebb csillaga volt ; pl. a Naphoz képest 4 milliószor erősebb volt a fénye. 1843 -ban hatalmas kitöréseket figyeltek meg rajta, melynek során anyagának és fényének jelentős részét elvesztette, ma már szabad szemmel nem is látható. Várható, hogy rövidesen szupernovaként lángol fel és végleg befejezi életét.

A Fátyol-köd egy kb. 5000 évvel ezelőtti szupernova-robbanás maradványa a Hattyú-csillagképben. Forrás : http: //wapedia. mobi/hu/Caldwell_33

A Rák-köd egy 1054 -ben szupernovaként felrobbant 10 -szeres Nap-tömegű csillag maradványa a Bika-csillagképben, a Földtől 6500 fényévnyire. Forrás : http: //en. wikipedia. org/wiki/Supernova Az N 63 A jelű szupernova-maradvány por- és gázcsomók belsejében terül szét a Nagy-Magellán Felhőben Forrás : http: //en. wikipedia. org/wiki/Supernova

A neutroncsillag élete tulajdonképpen a 8 Naptömegnél nagyobb tömegű, masszív csillagokból kialakuló vörös szuperóriások magjában indul, amikor a külső hidrogénés héliumtömegek elfogyását követően a kiáramló sugárzó energia elapadásával a csillagot az óriási gravitáció egyre kisebb térfogatba sűríti, míg végül az anyag atommag-sűrűségűvé válik. Ebben az állapotban a hatalmas gravitációs nyomás hatására a plazma elektronjai és az atommagok protonjai elektronbefogásos reakcióban neutronokká alakulnak, ezáltal megszűnnek a pozitív töltések, nem lesz köztük taszító hatás sem, a részecskék „kisebb helyen elférnek”. A szuperóriás csillag fő tömege végül „belezsúfolódik” egy kis térfogatú gömbbe, amit egy gigantikus méretű, olyan atommagként képzelhetünk el, melyben csak neutronok vannak. A gravitáció egyre több gáznemű anyagot vonz ide a külső rétegekből, melyek becsapódva felhevítik a neutronokból álló mag felületét, aminek következtében aztán hirtelen kitágul és szupernovaként felrobban. A jelenlegi ismeretek szerint szupernovarobbanás akkor következik be, ha a vörös szuperóriások maradék magja legalább 1, 4 Naptömegű. Ez általában a nehéz ~ 8 -20 Naptömegű, masszív csillagok maradéka esetén valósul meg. A fel nem robbant, megmaradó, neutronokból álló belső csillagmag a neutroncsillag. A neutroncsillagok kb. 10 -20 km átmérőjű, kb. Nap-tömegű (2 1030 kg) gömb alakú, képződmények, melyek sűrűsége hihetetlenül nagy : ~ 1017 – 1019 kg/m 3. Mivel a vörös óriásoknak volt tengely körüli forgásuk, az impulzusmegmaradás miatt a neutroncsillagoknak is van tengely körüli perdületük. Ez a mozgás a neutroncsillagot körülvevő, ionizált gázokban elektromágneses sugárzást kelt, ami rádióhullámok formájában sugárzódik ki. Az ilyen pergő-forgó, sugárzó neutroncsillagok a pulzárok.

Számos neutroncsillag körül alakul ki igen erős mágneses térerő, ami intenzív elektromágneses sugárzást kelt főleg a Röntgen- és a -sugarak tartományában. A mágneses térre utalva, ezeket a neutroncsillagokat magnetároknak nevezik. Magnetár szimulált erővonalakkal. Az SGR 1900 +14 jelű magnetár. Forrás : http: //en. wikipedia. org/wiki/Magnetar

Ha az összeroskadó vörös szuperóriás különösen nagy tömegű csillagból keletkezett 20 - 40 Naptömegű óriáscsillagok esetén , és a csillag maradék magja ilyenkor nagyobb, mint 3 Naptömeg, az óriási gravitáció a szupernova-robbanást követően szinte pontszerűvé roppantja össze a maradék anyagot. Ekkora gravitáció mindennemű anyagi részecske számára lehetetlenné teszi az onnan való kijutást : fekete lyuk keletkezik, ami láthatatlan, mert még a nulla nyugalmi tömegű fény-fotonok sem juthatnak ki belőle. A fekete lyuk határán ui. már olyan mértékű a tér görbülete, hogy a fényvektor iránya önmagába hajlik vissza. A fekete lyukak létezésének egyik bizonyítéka, hogy közelükben a nagy gravitáció miatti görbült térben a fénysugár is elhajlik. A fekete lyukak nagy gravitációja beszippant minden anyagot, ami a közelébe kerül. Egyes fekete lyukak akár több száz millió csillag tömegével is rendelkezhetnek, sőt akár egy egész galaxist is magukba szívhatnak. Mielőtt a galaxisok eltűnnének a fekete lyukban, anyaguk az óriási gravitáció szétroppantja por- és gázfelhőkre, melyek örvénylő korongként veszik körül a fekete lyukat. A lyukba egyre gyorsuló spirális mozgással behulló anyag energiája annyira kegnő, hogy annak egy részét kisugározza ; ezek az erős radiohullámokat sugárzó objektumok a kvazárok. quasar quasi stellar radio source, azaz csillagszerű rádióforrás. Forrás : http: //www. cv. nrao. edu/~abridle/3 c 263. htm A kép egy fekete lyukat mutat, amint a közelében lévő fősorozati csillagtól folyamatosan anyagot szippant be.

§ KÉMIAI ELEMEK SZINTÉZISE A CSILLAGOKBAN A ma ismert természetes kémiai elemek túlnyomó többsége a csillagokban keletkezett / keletkezik azok életének különböző fázisaiban. Ø A csillagok egy-egy típusában és/vagy életfázisában eltérő tömegszámtartományba tartozó magok keletkeznek az alábbi reakciósorokban : ‘Hidrogénégés’ : H He ( proton-ciklus és CNO-ciklus) ‘Héliumégés’ : He C, O, N C- , O -, Ne- ‘égés’ : C, O, Ne 12 A 28 fúziós reakciók tömegszámú magok 4. ‘Szilíciumégés’ ( -reakciók) : Si 28 A 60 tömegszámú magok jellemzően a páros tömegszámú magok 5. s - folyamatok ( és az azokat követő --bomlások) : 23 A 46 páratlan tömegszámú magok 60 A 209 tömegszámú magok a 208 Pb és 209 Bi-ig 6. r - folyamatok : főleg az A 209 tömegszámú magok 209 Bi-on túli elemek és transzuránok ritkábban a 30 A 60 neutronban gazdag magok 7. p - folyamatok : protonokban gazdag magok keletkezése 8. e - folyamatok : Z = 22 29 magok keletkezése neutronbefogásos reakciók 1. 2. 3. protonbefogás elektronbefogásos egyensúlyi reakciók

Látható, hogy a hélium és a szén közötti rendszámú magok (Li, Be, B) a csillagokban nem szintetizálódnak. Ezek részben a primordinális szintézisekben keletkeztek, részben pedig napjainkban is keletkeznek a csillagközi por anyagából protonok kiváltotta spallációs reakciókban. A mi Napunkhoz hasonló, ún. fősorozatbeli csillagokban főleg energiatermelő fúziós folyamatok zajlanak. - a fúziós folyamatokat exoterm reakciók biztosítják. - az energiatermelés elsősorban a hidrogén hélium átalakulásból ered - ez az ún. ‘hidrogénégés’ kétféleképpen mehet végbe : a. ) a proton-ciklusban b. ) a szén nitrogén-ciklusban ( CNO-ciklus ) - további energiatermelő folyamatok : - ‘héliumégés’ - szén (C)- , oxigén (O)- , neon (Ne)- , szilícium (Si)-’égés’ - - folyamat - e - folyamat

A Nap-típusú fősorozati csillagok magja ahol az energiatermelés folyik sokkal forróbb, mint a sugárzási zóna és a felület. A magban azonban a csillag tömegének mindössze 10 12 %-a összpontosul, a csillag fő tömegét a sugárzási és konvekciós zóna, valamint a jóval hidegebb felszíni köpeny adja. A csillagok energiatermelését kezdetben a hidrogénnek héliummá történő fúziója ( ‘ hidrogénégés ’ ) biztosítja. Amikor a hidrogén mennyisége a magban csökkenni kezd, ez a fúzió a felszíni rétegek felé tolódik, emiatt azok felmelegszenek és tágulni kezdenek : a csillag szubóriás lesz. Ugyanakkor a belső rétegek összenyomódnak, nő a gravitáció, ezáltal a mag felmelegszik, beindul a ‘ héliumégés ’ , és a héliumból nehezebb magok fúzionálódnak. A nagyobb mennyiségben termelődő energia egyre fokozódó felületi kiáramlása a csillagot kevésbé fényes, ám hatalmas méretű vörös óriássá növeli. szubóriás

‘ HIDROGÉNÉGÉS ’ / a. ) A proton-ciklus a Napunkhoz hasonló, hozzá képest ~ 0, 1 – 1, 5 MNap tömegű csillagok fő energiatermelő folyamatsora, melynek révén protonokból (hidrogénatommagokból) héliumatommagok keletkeznek ; a folyamat során energia termelődik és -sugárzás szabadul fel. Az ilyen csillagok magjában a gravitációs nyomás elegendően nagy hőmérsékletet biztosít ahhoz, hogy a hidrogénmagok héliummagokká egyesüljenek. A proton-ciklus 4 ágból áll, melyek egyidejűleg zajlanak : pp. IV (lásd ábra), azonban a ciklus túlnyomó részét ( a Napban ~ 90 % -át ) a pp. I ág teszi ki. A pp. I ág jellemzően a 107 1, 6 107 K hőmérséklettartományban „működik”. A pp. I ág első lépésében két proton egyesül deutériummaggá (pp-reakció), ami úgy valósul meg, hogy amikor a két proton eléggé közel kerül egymáshoz, az egyik pozitív -bomlással neutronná alakul, így a deuteronképződés mellett egy pozitron és egy neutrino is felszabadul. Ez a lépés nagyon lassú : felezési ideje ~1010 év. Másik nyitó lépés a két protont és egy elektront igénylő pep-reakció lehet, azonban ennek sokkal kisebb a valószínűsége. A deuteron aztán egy további protonnal 3 He maggá alakul; az egyesülést -sugárzás felszabadulása kíséri. Ez a lépés már sokkal gyorsabb, felezési ideje kb. 0, 6 sec. Végül két 3 He mag 4 He magot alkot, miközben két proton felszabadul, és zárul a pp. I ág.

A proton-proton ciklus pep reakció (kicsi a valószínűsége) pp reakció pp. I ág hep reakció pp. IV pp. III ág pp. II ág ág

A proton-ciklus (folyt. ) A pp. I ág bruttó egyenlete : + 26, 5 Me. V A Napban másodpercenként 6 10 8 tonna hidrogén (proton) alakul át héliummá ! Ennek az óriási tömegnek azonban mindössze 0, 7 %-a válik energiává, azaz -fotonokká A -fotonoknak azonban csaknem 1 millió évre van szükségük, hogy elérjék a Nap felszínét Eközben állandó kölcsönhatásoknak vannak kitéve, ezáltal energiájuk folyamatosan csökken. A proton-ciklus másik három ága a pp. I-hez képest kisebb jelentőségű, és a pp. I-ből ágaznak ki a 3 He révén. A pp. I-ben deuteronból keletkező 3 He magok kb. 7 %-a ugyanis nem egy másik 3 He-vel egyesülve reagál tovább 4 He-t és 2 p+-t alkotva, hanem egy 4 He-vel lép reakcióba, és 7 Be-t alkot, miközben -sugárzás keletkezik. A 7 Be a pp. II ágban egy elektront beszippantva 7 Li-má alakul, ami aztán egy protonnal egyesülve két 4 He magra bomlik. A pp. II ág „részeszedése” a teljes proton-ciklusból mintegy 10 % , és jellemzően 1, 4 2, 4 107 K hőmérsékleten zajlik. A 7 Be ritkán egy proton is képes megkötni, és a pp. III ágban 8 B-t hoz létre. A 8 B mag azonban a benne lévő 5 proton melletti 3 neutronnal nem stabil és pozitív -bomlással egy proton átalakul neutronná, így 8 Be keletkezik, ami viszont gerjesztett állapotú és azonnal elbomlik két 4 He magra (két -részecskére). A pp. III ág a teljes proton-ciklusnak mindössze 0, 1 %-át teszi ki, és 2, 4 107 K-nél nagyobb hőmérsékleten megy végbe.

A proton-ciklus (folyt. ) A pp. IV ág a csillag belsejében mehet végbe, amikor 3 He mag protonnal egyesülve 4 He magot alkot, miközben pozitron és neutrinó is keletkezik (hep reakció). Ez a reakció azonban kifejezetten ritka, még a pp. III ágnál is ritkábban megy végbe. A Naphoz hasonló méretű csillagokban a proton-proton ciklus termeli az energiát. Eközben a hidrogén (protonok) héliummá alakul át (ezt a folyamatot a hidrogén ‘égésének ’ is nevezik). Időtartama néhány milliárd év. A mi Napunk is ebben a fázisban van : a számítások szerint még nem érte el életidejének felét. A proton-proton ciklus hidrogén hélium átalakulási folyamatában a II. és III. ágban három könnyű elem is keletkezik : 6 Li , 7 Be , 8 B. Ezekből azonban nagyon kevés marad meg, mert továbbalakulnak 4 He maggá, ami a folyamatsor végét és „eredményét” jelenti. Ez magyarázza, hogy a 6 Li , 7 Be és 8 B előfordulási gyakorisága a Naprendszerben és az Univerzumban a többi kis rendszámú elemhez képest sokkal kisebb. ( Lásd Az atommag sajátságai c. fejezet : ODDO HARKINS-szabály. ) A 4 He-nál nagyobb rendszámú elemek a Napnál nagyobb tömegű csillagok másik fontos reakciósorában, a CNO-ciklusban keletkezhetnek.

‘ HIDROGÉNÉGÉS ’ / b. ) A CNO - ciklus A CNO-ciklusban a 12 C-nuklidból kiindulva protonbefogással képződnek a szén, nitrogén és oxigén (és fluor) különböző izotóp-magjai. Végeredményben tehát ez is a protonok fogyását a hidrogén „égését” eredményezi. Szokás még szén-oxigén-ciklusnak, vagy a megalapozójáról BETHE-ciklusnak is nevezni. A CNO-ciklus főleg a Nap 1, 5 -szeresénél nagyobb tömegű csillagokban zajlik, ( M > 1, 5 MNap ) 1, 6 107 K-nél nagyobb hőmérsékleten. Az ilyen csillagok nagyobb tömege miatti nagyobb gravitáció az égitest belsejében magasabb hőmérsékletet eredményez ; a kb. 108 K hőmérsékletű belső magban a 4 He-magok ( -részecskék) ütközései gyakoribbá válnak, melyek során az ún. 3 reakcióban 12 C-nuklid keletkezik : 3 4 12 C. A 12 C-mag aztán további protonbefogásos lépéseket indukál, és elindulhat a CNO-ciklus. A CNO-ciklus lépései során a C, N és O magok katalizáló hatására végeredményben 4 proton „összeáll” egy 4 He-atommaggá ( -részecskévé), így a CNO-ciklus is 4 He-t termel : lásd ‘ Fő ág ’ reakciói, melyekben C N O átalakulások zajlanak. Ha a 15 N-ből nem képződik vissza a 12 C, keletkezhet 16 O is a protonbefogás során: ekkor a MELLÉK-ágra tevődik át a folyamat, melyben a 17 F is szerepet kap. (Ebből egy további -részecske befogásával kis valószínűséggel 20 Ne is kialakulhat. )

FŐ ág A CNO - ciklus MELLÉK ág A ciklusban résztvevő nuklidok tulajdonképpen katalizátorhatást fejtenek ki, mert a 12 C nuklid a reakcióban visszaképződik, az N, O és F magok pedig továbbalakulnak.

Mivel a CNO-ciklus magasabb hőmérsékleten zajlik, mint a protonciklus, az ilyen csillag gyorsabban fogyasztja a hidrogént, így azonos idő alatt több energiát termel, jóllehet a FŐ ág lépései összességében a proton-ciklushoz hasonló bruttó energiát eredményeznek : + 1, 95 Me. V + 1, 37 Me. V + 7, 54 Me. V + 25, 03 Me. V + 7, 35 Me. V + 1, 86 Me. V + 4, 96 Me. V A nagyobb energiatermelés során jelentős mennyiségű sugárzás is keletkezik, hiszen a reakciólépések számának fele -sugárzással jár. Bizonyos idő (évmilliárdok !) elteltével a sugárzás hatására a csillag „felpuffad”, mérete, térfogata jelentősen megnő. A nagyobb térfogat jóval nagyobb felszínt eredményez, ezen keresztül jóval nagyobb lesz az energialeadás, így a csillag felülete lehűl és vörös színű lesz : kialakul a csillag fejlődésének új fázisa, az ún. ‘ vörös óriás ’. A vörös óriás csillagok sugara akár a Napunk sugarának 100 -szorosa is lehet. (Ha a Nap eléri ezt az állapotot, olyan méretűre nőhet, hogy külső része a Földig is elérhet, ami bolygónk életének végét jelenti. )

A Nap 1, 4 millió km átmérőjéhez képest a vörös óriások mérete 100 200 -szor is nagyobb lehet. Nap A Napnál jóval nagyobb tömegű, masszív csillagokból keletkező vörös szuperóriások átmérője pedig a Nap átmérőjének akár 1000 2000 -szeresét is elérheti.

‘ HÉLIUMÉGÉS ’ A vörös óriások külső részén tovább folyik a hidrogén ‘ égetése ’, amitől a csillag belseje felmelegszik kb. 1 108 5 108 K hőmérsékletre, ahol már megindul a ‘ héliumégés ’ is : elkezdődik a héliumot ( -részecskéket) fogyasztó és ugyancsak energiát termelő ún. hármas -folyamat (triple -process) : - 0, 1 Me. V A 8 Be azonban nem stabil, és gyakorlatilag azonnal „visszabomlik” két -részecskére. + 7, 4 Me. V Összességében tehát három -részecskéből egy 12 C-nuklid keletkezik : + 7, 3 Me. V A 12 C-mag aztán további -részecskéket fog be, melyből oxigén, majd újabb -abszorpciókkal előbb neon és magnézium, végül szilícium keletkezhet : + 7, 15 Me. V ‘ oxigénégés ’ ‘ neonégés ’ + 4, 75 Me. V + 9, 3 Me. V Páros rendszámú elemek képződnek.

‘ SZÉNÉGÉS ’ Az ún. vörös szuperóriás csillagok magjában akkora a gravitációs nyomás, hogy a hőmérséklet elérheti és meghaladhatja az 5 108 K hőmérsékletet, ami fölött már beindul a szén ‘ égése ’ is : ez tulajdonképpen a 12 C-magok fúzióját jelenti. + 13, 85 Me. V Hasonló folyamatokban a 12 C-magokból 23 Mg, 23 Na-, 16 O- és 20 Ne-nuklidok is képződhetnek ; ez utóbbiak -befogásokkal tovább ‘ égnek ’ a végső 28 Si-má ( ‘ oxigénégés ’ ill. ‘neonégés ’ ) ; végeredményben a 6 C 8 O 10 Ne 12 Mg 14 Si folyamatsor zajlik. Ezért olyan gyakori a Világegyetemben és a Földön is a szilícium. + 2, 2 Me. V ‘ OXIGÉNÉGÉS ’ + 4, 75 Me. V + 4, 6 Me. V ‘ NEONÉGÉS ’ + 9, 3 Me. V

A ‘szénégés’ a vörös óriások végső fázisában is végbemehet. Amikor ui. a vörös óriás csillagokban a hélium nagy része elfogy, a belőle keletkezett nehezebb magok okozta gravitáció összehúzza az égitestet, aminek következtében magja felmelegszik 5 108 K fölé, így ezekben is beindulhat a ‘szén’-, ‘oxigén’- és ‘ neonégés ’. A többféle fúziós folyamat során keletkező hőmérsékletkülönbségek miatt a vörös óriásokban jelentős anyagáramlások jönnek létre, melyek következtében hatalmas anyaghalmazok szakadnak le a felszínről, planetáris ködöt hozva létre a csillag körül. Amikor azonban a hélium végleg elfogy, leáll a héliumégés és megszűnik az általa termelt energia kisugárzása, nem lesz „ellensúlya” a gravitációnak, a csillag elkezd összehúzódni. A külső rétegek lelökődése miatt a tömegveszteség akkora, hogy a gravitációs nyomás már nem képes a szénégés hőmérsékletét biztosítani, ezért a gravitáció a csillagot lassan kis méretű, nagy sűrűségű fehér törpévé zsugorítja, melynek a fúziós folyamatok hiányában egyre csökken a hőmérséklete. A fehér törpe állapotú csillagok a Napénál kb. 100 -szor kisebb átmérőjű, a Földhöz hasonló nagyságú égitestek, melyekben már nincs tartósan végbemenő fúzió. Energiatermelésüket az ún. -reakció biztosítja : 2+ - 4, 75 Me. V ill. ‘neonégés’ + 9, 3 Me. V + 4, 55 Me. V A fehér törpékben az ún. elfajult elektronok ( azonos spinállapotú elektronok) taszító hatása ellensúlyozza a gravitációt, és akadályozza meg a csillag összeroppanását. A fehér törpék az összezsugorodásukat követően még évmilliárdokig élnek, miközben hőmérsékletük és fényességük fokozatosan csökken, míg végül fekete törpe válik belőlük.

Az ‘ oxigén’- és ‘ neonégés’ során felszabaduló energia tovább emeli a hőmérsékletet. 3 109 K fölött megkezdődik a szilícium-magok átalakulása is, az ún. ‘ szilíciumégés’. Ekkora hőmérsékleten ugyanis a szilícium-magok a nagy számban felszabaduló -fotonok hatására ún. fotobomlás révén (más néven fotodezintegráció) szétesnek -részecskékre, protonokra és neutronokra. A kisebb kötési energiájú egyéb magok ugyancsak fotodezintegrációt szenvednek. A felszabaduló -részecskék ( 4 He-magok) a még meglévő magokba csapódva olyan újabb magokat hoznak létre, melyek kötési energiája nagyobb, mint azoké, melyekből kiszakadtak ; így egyre nagyobb stabilitású magok alakulnak ki. A fúziós folyamatsor a legstabilabb és legnagyobb kötési energiájú vas és nikkel magoknál fejeződik be, mivel a további magok képződése már nem energiafelszabadulással járna, hanem energiabefektetést igényelne. Egy lehetséges reakciósor a ‘ szilíciumégés’-re (az egyes lépésekben gyakori a visszabomlás): ‘ SZILÍCIUMÉGÉS ’ Ezeket a folyamatokat -reakcióknak is nevezik a reakciót kiváltó -részecskék után. Ilyen folyamatokban keletkeznek az A = 20 -50 tömegszámú elemek. (Továbbá ilyen reakciók biztosítják a fehér törpék fennmaradását is. )

Az -reakciókkal párhuzamosan zajló proton- és neutronbefogások révén lehetőség nyílik a páratlan rendszámú magok kialakulására is. A keletkező új magok aztán további fúziós reakciókban vehetnek részt, megújuló „nyersanyagot” biztosítva a csillag energiatermeléséhez. Ha a csillag magjában a hőmérséklet meghaladja a 3, 5 109 K hőmérsékletet, megindulhat a 28 Si-magok direkt fúziója is nikkel-magokká : ‘ SZILÍCIUMÉGÉS ’ Az 56 Ni-magokból pozitív -bomlással kobalt- és vas-atommagok képződhetnek : Neutronbefogással további vas-izotópok is kialakulhatnak : A folyamatsor vége nikkel- és vas-atommagok képződése akárcsak az -folyamatnál. A felszabaduló -fotonok fenntartják a fotobomlások lehetőségét, majd az ezeket követő -reakciókban, valamint sokféle egyéb nukleonbefogásos reakcióban továbbra is képződhetnek a vasnál kisebb rendszámú újabb kémiai elemek magjai.

A ‘szilíciumégés’ a csillagok utolsó nagy volumenű energiatermelési fázisa. Amikor egy nagy méretű, masszív csillag életének vége felé vörös szuperóriásként eljut ebbe az állapotba, belsejében különböző héj-rétegek alakulnak ki, melyek a felszíntől a mag felé egyre nagyobb hőmérsékletűek. A héj-szerkezet nagyon jól reprezentálja az energiatermelő folyamatokat, illetve azok végtermékeit, de az egyes héjak természetesen nem különülnek el igazán, a belső áramlások révén átfednek, összefolynak. A felszíntől a mag irányába haladva az egyes szférákban különböző kémiai elemek magjai képződnek fúzióval. A csillag magja tartalmazza a vasat és a nikkelt, azokat a végső elemeket, melyek még fúziós reakciók során képződhetnek. Mivel a vas és a nikkel a fúzionálódott elemek között a legnehezebbek, itt a legnagyobb a gravitáció, emiatt kezd el lassan zsugorodni a csillag, miután fő energiaforrásai a hidrogén és a hélium a külső rétegekben kimerülőben vannak. Forrás : http: //hu. wikipedia. org/wiki/Nukleoszintezis

Az összehúzódó öreg vörös szuperóriások magjában a hatalmas gravitáció a protonokat és az elektronokat neutronokká egyesíti. Az egyre növekvő gravitációs nyomás tovább emeli a hőmérsékletet is. 1010 K elérésekor ( 10 milliárd kelvin !) az atommagokból ‘ neutronpárolgás ’ indulhat el, mivel ezen hőmérséklet által biztosított energia már meghaladja atommagban kötött neutronok szeparációs energiáját. Elegendően magas ez a hőmérséklet ahhoz is, hogy egyes atommagok kisebb részekre essenek szét, disszociáljanak, mint pl. a vas magja : A fenti folyamatok során keletkező jelentős számú neutron egy részét a jelenlévő atommagok abszorbeálják. A hatalmas neutronfluxus (105 -1010 neutron/cm 2 s) miatt azonban az atommagok jelentős neutrontöbbletre tesznek szert, emiatt instabillá válnak, és bennük negatív -bomlások indulnak el : neutronok alakulnak protonokká, és elkezdődik a vasnál nagyobb rendszámú elemek képződése. Mivel ezek a neutronbefogások viszonylag lassú reakcióknak számítanak, a folyamat neve s - folyamat (s low lassú). Ilyen neutronbefogásos (n, ) típusú s - folyamatokban és az azokat követő -- bomlásokkal szintetizálódnak az -folyamatban nem keletkező A = 23 - 46 tömegszámú magok, valamint a kémiai elemek atommagjai a vastól egészen a 83 -as rendszámú bizmutig, jellemzően az A = 63 -209 tömegszámú tartományban. 60 Co --bomlás 60 Ni s -folyamatok 108 Ag . . . 122 Sn. . . 197 Au. . . 209 Bi

Az s-folyamat reakciósorát általában a 208 Pb és 209 Bi izotópok képződése zárja : ( n, ) : --bomlás : ~ Az s - folyamat elvileg a 83 Bi-nál nagyobb rendszámú elemeket is előállíthat, ha azok nem --bomló izotópok és elegendően hosszú ideig fennmaradnak ahhoz, hogy újabb neutronbefogással továbbalakulhassanak. Képződhet pl. 92 -es rendszámú urán, sőt egyes transzurán elemek is Z = 100 -ig. A bizmuton túli elemek képződésének az szab határt, hogy a --bomlás gyorsabb, mint az s - folyamat, így az abban keletkezett, nem stabil --bomló izotópok lebomlanak. Pl. a 83 Bi-ból neutronbefogással keletkezhet 84 Po , ez a mag azonban radioaktív, és -sugárzással visszabomlik a stabil 82 Pb-má. ~ A szupernova felrobbanásakor néhány pillanatig igen nagy számban gyors neutronok is felszabadulnak ; a hihetetlenül nagy neutronfluxus ( ~1032 neutron / cm 2 s) miatt ezek befogása az ún. r - folyamatban ( rapid gyors) olyan gyorsan megy végbe, hogy a --bomló izotópoknak nincs idejük elbomlani, így a reakciósor túlléphet a -bomlású instabil magokon, és továbbépítheti a kémiai elemek magjait a 83 Bi-on és a 92 U-on túl is egészen a nehéz, instabil és radioaktív magokig. Az r - folyamat a transzurán elemek egyik természetes forrása. Az r - folyamatban közepes rendszámú, neutronban gazdag magok is keletkezhetnek :

A szupernova-robbanásakor az atommagok hőmérséklete hirtelen megemelkedik, ami a magokból kiszabaduló protonok kinetikus energiáját is megnöveli. Ezáltal fokozott mértékű lesz ezeknek a gyors protonoknak a magokba való befogódása : p-folyamat ( gyors p rotonbefogás), más néven robbanásos szintézis. Az p-folyamat a robbanás ideje alatt mindössze néhány másodpercig tart ; nem túl gyakori reakció, ami a ritka, protonokban gazdag magokat hozza létre, mint pl. A Napnál nagyobb tömegű csillagok szupernova-robbanásakor a hőmérséklet és az elemi részecskék kinetikus energiája elegendően nagy ahhoz, hogy az atommagokat alkotó elemi részecskék között is megvalósulhassanak reakciók, pl. elektronbefogás. Ezek a reakciók megváltoztathatják az atommagok összetételét és/vagy új magokat hozhatnak létre. Az elemi részecskéknek ez a fajta egyesülése és bomlása egyensúlyi folyamatokat feltételez ; az ilyen folyamatokat együttesen e-folyamat nak nevezik. Az e-folyamat ban leginkább Z = 22 -29 rendszámú elemek szintetizálódnak ; így keletkezhetnek a 22 Ti és 29 Cu közti elemek, köztük pl. a 56 Fe. 26