Elementler Nasıl Oluşur? Yıldızlarda Demirden Sonraki Elementler Nasıl Oluşur? R ve S Süreçleri, P ve Rp Süreçleri Nelerdir?

Hidrojen Oluşumu

Hidrojen atomu 1 proton ve 1 elektronluk basit yapısı sayesinde evrende ilk oluşan elementtir. Büyük Patlamadan sonra hızla genişleyen evren genişledikçe soğudu, soğudukça ilk kütleli parçacıklar oluştu(kuarklar, leptonlar vs.).Kuarklar baryonları oluşturdu-ki proton bir baryondur- ve protonlar elektronlarla etkileşerek ilk hidrojen atomlarını meydana getirdi.

Evrende en bol bulunan element olan hidrojen nebulalarda sıkışarak füzyon reaksiyonu başlatabilir(böylece helyum oluşur) ve yıldızları oluşturabilir.

Helyum Oluşumu

Yıldızlar varlıklarını füzyon yaparak korur, yıldızlarda gerçekleşen en temel füzyon;iki hidrojen atomunun ,Döteryum-Döteryum(D-D) veya Döteryum-Trityum(D-T) , birleşerek helyum atomunu oluşturmasıdır.

Beyinsizler

*Diğer iki helyum oluşturma süreci proton-proton zincirleme reaksiyonu ve CNO döngüsüdür.

Proton-Proton Zincirleme Reaksiyonu

2 hidrojen atomunun çarpışmasıyla bir proton nötrona bozunur ve bir pozitron saçılır.Çarpışma sonucu oluşan döteryum bir protonla daha çarpışırsa He-3 oluşur.He-3 başka bir He-3 izotopuyla çarpışırsa 1 helyum,2 tane proton açığa çıkar.Bu protonlar da diğer nükleer reaksiyonlarda kendini gösterir.^[1]

İTÜ Astronomi Kulübü

Çekirdeklerinde, kütleçekim kuvveti ve yüksek sıcaklık sonucu oluşan yüksek basınçla hidrojeni helyuma çeviren yıldızlar bu sırada enerji açığa çıkarır ve foton(gama ışınları) yayar.Bu sayede yıldız ayakta kalır.Çekirdekteki hidrojen tamamen helyum olana kadar bu süreç devam eder.Çekirdeğinde hidrojeni biten yıldız çekirdek çevresindeki hidrojeni çekirdekle kaynaştırıp yakmaya başlar ve kırmızı (süper) dev formuna geçer.Bu süreçlerde çekirdeğin sıcaklığı fazlasıyla artar ve yıldız artık helyum yakma evresine geçer.(Helyum parlaması)

Üçlü Alfa Süreci(Karbon Oluşumu)

İyonize edici bir ışın çeşidi olan alfa ışını 2 proton ve 2 nötrondan oluşur.Bu helyum çekirdeğidir, isim buradan gelmektedir.

Sırayla iki helyum atomu birleşir ve Be-8 izotopunu oluşturur ancak berilyumun kararlı izotopu Be-9 un aksine Be-8 izotopu kararsız bir izotoptur(yani çabuk bozunabilir).Bu durum kafa karışıklığına yol açsa da yıldızda helyumun berilyuma dönüşme ihtimali yüksek olduğu için bozunan Be-8 kısa sürede tekrar oluşur.Be-8 izotopu da helyum ile bir daha birleşerek(Be-8 bozunmadan önce olması gerekir) 12C yani karbonu oluşturur.^[2]Sonuç olarak üç tane alfa parçacığı yani helyum çekirdeği karbonu oluşturur.Bu süreçler yıldızlarda ortak olarak gerçekleşir.

Physics (APS)-American Physical Society

Kütlesi görece küçük olan yıldızlarda element oluşturma süreci neredeyse bitmiştir; yıldız dıştaki katmanlarını dışarıya yani uzay boşluğuna püskürtür ve geriye çekirdeği tamamen karbondan oluşan beyaz cüce kalır, bu sırada da yeni elementler oluşabilir.

Karbon-Azot-Oksijen(CNO) Döngüsü

Karbon-Azot-Oksijen döngüsü de proton-proton zincirleme reaksiyonu gibi bir füzyon reaksiyonudur.Proton-proton zincirleme reaksiyonunun aksine büyük kütleli yıldızlarda gerçekleşir.Kütlesi büyük yıldızlarda oluşan karbon, 1 protonla çarpıştığında 13N yani azot oluşur.Daha sonra beta ışıması yaparak 13C'ye dönüşür ve bir pozitron saçar.Ardından döngüye 1 proton daha eklenir ve 14N oluşur.Tekrar 1 proton daha çarpar ve O15 yani oksijen oluşur.Bir beta ışımasının ardından 15N oluşur ve tekrar 1 proton çarpışmasının ardından 16O oluşur, kısa bir sürede alfa parçacığı atarak tekrar karbona bozunur ve döngü tekrar eder.^[3]

Prof. Dr. Bilsen Beşergil

Tepkime bitişinde aynı kalan karbondur, proton çarpışmaları sonucu helyum(alfa parçacığı) oluşmuştur.Sonuç olarak Karbon-Azot-Oksijen döngüsü helyum üretme sürecidir.

*Element simgelerinin başındaki sayılar kütle numarasını göstermektedir.

Karbon Yanma Süreci

Yaşlanan yıldız artık nispeten biraz daha ağır olan atomları da yakmaya başlayacaktır.Karbon da bunlardan birisidir:

2 tane karbon atomu birleşerek neon, helyum(alfa parçacığı) ve enerji açığa çıkaracaktır=12C+12C→20Ne+4He+enerji(4.617 MeV)

2 tane karbon atomu birleşerek sodyum, hidrojen ve enerji açığa çıkaracaktır=12C+12C→23Na+1H+enerji(2.241 MeV)

2 tane karbon atomu birleşerek magnezyum ve serbest nötron açığa çıkaracaktır=12C+12C→23Mg+n

2 tane karbon atomu birleşerek magnezyum, foton(gama ışını) ve enerji açığa çıkaracaktır=12C+12C→24Mg+γ+enerji(13.933)

2 tane karbon atomu birleşerek oksijen ve 2 tane helyum(alfa parçacığı) açığa çıkaracaktır=12C+12C→16O+2(4He).^[4]

*Denklemde enerji açığa çıkartmayan reaksiyonlar enerji kaybettirebilmektedir.

*Element simgelerinin başındaki sayılar kütle numarasını göstermektedir.

Neon Yanma Süreci

Bu sıcaklık düzeylerinde bazı neon çekirdekleri parçalanıp, alfa parçacıklarının ortaya çıkmasına neden olurlar:

20Ne + γ → 16O + 4He

Bu alfa parçacıkları daha sonra geri dönüşüm aracılığı ile magnezyum-24 üretiminde kullanılabilirler:

20Ne + 4He → 24Mg + γ

Veya bir başka yaklaşım ile:

20Ne(n,γ)21Ne(4He,n)24Mg

.^{[5], [6]}

*Element simgelerinin başındaki sayılar kütle numarasını göstermektedir.

Oksijen Yanma Süreci

Yıldızdaki oksijen de yanmaya başlar ve oksijen yanma süreci başlar.

2 tane oksijen atomu birleşerek kükürt ve foton(gama ışını) açığa çıkartır:

16O + 16O→32S + γ

2 tane oksijen atomu birleşerek kükürt ve serbest nötron açığa çıkartır:

16O + 16O→31S + n

2 tane oksijen atomu birleşerek fosfor ve hidrojen açığa çıkartır:

16O + 16O→31P + 1H

2 tane oksijen atomu birleşerek silisyum ve helyum açığa çıkartır:

16O + 16O→28Si + 4He

2 tane oksijen atomu birleşerek magnezyum ve 2 tane helyum açığa çıkartır:

16O + 16O→24Mg + 2(4He)

.^[7]

*Element simgelerinin başındaki sayılar kütle numarasını göstermektedir.

Silisyum Yanma Süreci

Yıldız çekirdeğinde nüfuz edinen silisyum da artık yanmaya başlayacak ve yıldız ömrünün sonuna bir adım daha yaklaşacak.

2 tane silisyum birleştiğinde yani 28 kütle numaralı 2 silisyum atomu birleştiğinde(28Si+28Si) kütle numarası 56 olan demir oluşacaktır(Bu süreçte nikel de oluşabilir ancak yıldızın kaotik ortamı dolayısıyla geri demire bozunacaktır).

Demir Füzyonu

Demir füzyonu gerçekleşmesi gerektiğinde yani yıldızın çekirdeğinde demiri kaldığında artık yıldız son aşamasına gelmiş demektir.Demir içeren herhangi bir nükleer reaksiyon, ürettiğinden daha fazla enerji gerektirir.^[8]Yani enerji kazandırmaz enerji kaybettirir.Merkezde yeterince enerji üretilmediği için dıştan içe doğru olan kütle çekimi artık durdurulamaz hale gelir.Bu nedenle yıldız içine çöker.Bunun sonucunda bir süpernova patlaması gerçekleşir ve bir nötron yıldızı veya kara delik oluşur.

Demirden Sonraki Elementler Nasıl Oluşur?

Demirden sonraki elementler r-süreci(hızlı nötron yakalama), s-süreci(yavaş nötron yakalama),p-süreci(yavaş proton yakalama) ve rp-süreci(hızlı proton yakalama süreci) sayesinde üretilebilir.R - süreci olarak da bilinen hızlı nötron yakalama süreci , demirden daha ağır atom çekirdeklerinin yaklaşık yarısının , yani "ağır elementlerin" yaratılmasından sorumlu olan bir dizi nükleer reaksiyondur.Diğer yarısı p-süreci ve s -süreci tarafından üretilir.R ve rp süreci çok fazla enerji gerektirir, bu enerji de süpernova patlamaları veya kilonova patlamaları ile ortaya çıkar.

Nötronların elektrik yükü olmadığından, elektrostatik olarak itilen pozitif yüklü protonlardan daha kolay bir şekilde çekirdeğe girebilmektedirler.

R-süreci

Beta bozunma zamanı nötron yakalama zamanından uzun olduğunda, gerçekleşen nötron yakalama sürecine hızlı nötron yakalama süreci denir.^[9]Nötron akı yoğunluğu, atom çekirdeğinin, nötron yakalamaları arasında beta emisyonu yoluyla bozunmaya zamanı olmayacak kadar yüksekse, r-süreci meydana gelir.Nötronlar atom tarafından yakalandıktan sonra atom içinde beta ışıması yaparlarsa nötronlar protona dönüşür ve atom numarası artar.Ayrıca elektron da açığa çıkacağı için sanki bir sihirbaz tarafından yapılmış gibi yeni bir element oluşur.

S-Süreci

Süreç, başka bir nötron yakalanmadan önce bu radyoaktif bozunmanın gerçekleşmesi için yeterli zamanın olması anlamında yavaştır (adı dolayısıyla).S-sürecinde, 1 daha yüksek atom kütlesine sahip bir izotop oluşturmak için nötron yakalamaya tabi tutulur.Atom nötron yakaladıktan sonra nötron beta ışıması yaparsa atom numarası 1 artar ve yeni element oluşur.Altının cıvaya bozunması buna örnektir.

Rp-Süreci

Rp-süreci (hızlı proton yakalama süreci), daha ağır elementler üretmek için bir atomun ardışık proton yakalamalarından oluşur .

P-Süreci

P-süreci, bir atom çekirdeğinin ve bir protonun daha ağır bir çekirdek oluşturmak için çarpıştığı ve birleştiği bir nükleer reaksiyondur. Çekirdeğe bir proton eklendiğinde yeni element oluşur.

*Rp-sürecinin p-sürecinden farkı rp-sürecinde atomun ardışık olarak proton yakalamasıdır.

*R-sürecinin s-sürecinden farkı r-sürecinde atomun ardışık olarak nötron yakalamasıdır.

Bazı elementler kozmik ışın fisyonuyla da oluşabilmektedir(Bor gibi).Ağır elementlerin oluşmasında yıldız patlamalarının payı fazladır.