Perché c'è uno zig-zag nelle abbondanze elementali?
In questa risposta a Il litio è considerato un metallo in astronomia? questa immagine da Wikimedia dell'abbondanza di elementi nell'universo è stata condivisa:
Credito: utente Wikimedia Commons 28 byte, sotto CC-by-SA-3.0 .
Ho pensato che fosse affascinante che ci fosse uno zig-zag quasi costante di abbondanze.
Questi valori sono accurati e, in tal caso, cosa causerebbe questo zig-zag?
Risposte
I nuclei sono più stabili se hanno un numero pari di protoni Z, e sono anche più stabili se hanno un numero pari di neutroni N. Questo perché le particelle formano coppie. (Quasi tutti i nuclei con N e Z dispari sono instabili rispetto al decadimento beta.)
Se un nucleo avrà un'abbondanza cosmica significativa, deve essere assolutamente stabile o almeno avere un'emivita estremamente lunga. È più probabile che accada quando Z è pari (e anche quando N è pari).
La stabilità influisce anche sulle probabilità di diversi tipi di decadimento. Ad esempio, se un nucleo può subire sia il decadimento beta + che quello beta, di solito è più probabile che compaia il decadimento che si traduce nella figlia più stabile.
TL; DR: La natura preferisce impacchettare i nucleoni in coppie di spin anti-paralleli. (anche elettroni!)
Lo zig-zag è un artefatto della nucleosintesi .
H, He e Li sono "primordiali" (formati dagli abbondanti neutroni nelle prime ore dopo il Big Bang).
Tutto il resto è fatto nelle stelle.
Ci sono alcuni processi principali che rendono gli elementi più pesanti (semplificati eccessivamente!):
- Brucia idrogeno (produce elio perché non ne abbiamo già una grande quantità)
- Elio che brucia (produce C e O)
- Elio (elemento pari stesso) + qualsiasi elemento pari (rende gli elementi pari fino a Fe)
- Aggiungendo lentamente neutroni a tutto e aspettando che decada beta (chiamato processo s , rende gli elementi dispari da elementi pari ed elementi più pesanti di Fe, fino a un certo punto)
- Aggiunta rapida di neutroni senza attendere molto per il decadimento beta prima di aggiungere il prossimo neutrone ( processo r , rende tutti gli elementi fino all'uranio da elementi esistenti da processi precedenti)
Ognuno di questi processi prende il suo materiale da quelli precedenti e ha una resa inferiore. Ecco perché abbiamo elementi più pesanti meno di elementi più leggeri, elementi pari più di elementi dispari ed elementi r-process meno di elementi s-process.
Modifica: entrambi i processi s e r, così come altri non elencati qui, lasciano alla fine elementi più uniformi poiché sono in generale più stabili sia contro il decadimento beta che contro la cattura del neutrone successivo. Perché sono più stabili? Poiché sia i protoni che i neutroni riempiono i loro orbitali simili a gusci all'interno del nucleo e la natura favorisce l'impaccamento dei nucleoni in coppie di spin antiparalleli. (anche elettroni!) Vedi modello di guscio nucleare
Un breve video di You Tube molto istruttivo ne discute - vedi il segno 4:20.
A parte l'idrogeno, l'elio, il litio e il berillio, tutti gli elementi si sono formati come prodotti della fusione nelle stelle.
Se guardi la scala per l'asse verticale, è logaritmica. Inoltre, gli elementi in cima allo zig-zag hanno numeri atomici pari e quelli in basso hanno numeri atomici dispari. Il significato di ciò è che gli elementi con numeri atomici pari sono circa dieci volte più abbondanti di quelli con numeri atomici dispari.
La ragione per lo schema a zig-zag sono i processi di fusione. La fusione che coinvolge l'elio (che ha due protoni e due neutroni) è più probabile della fusione che coinvolge l'idrogeno (che ha un protone). Quando l'elio si fonde con un nucleo atomico pari viene prodotto un altro nucleo atomico pari, ma quando l'idrogeno si fonde con un nucleo atomico produce l'elemento successivo nella tavola periodica degli elementi.
Ciò è complementare ad altre risposte e non inteso come una risposta completa a sé stante.
Ho salvato il diagramma qui sotto su disco nel marzo 2009 - fonte non (ancora) nota.
Aggiornamento: Wikipedia :-) - con un'eccellente discussione delle ragioni delle variazioni nelle distribuzioni terrestri rispetto a quelle dell'universo qui
Questo mostra l'abbondanza elementare nella crosta elementare della terra piuttosto che nell'universo.
Si vedrà che il chiaro "zig-zag" nel diagramma originale non è così netto qui e che alcuni rapporti relativi sono sostanzialmente differenti.
Le ragioni addotte per la forma a zig zag rimangono le stesse, ma avere un campione parziale di condizioni sul fondo di un pozzo gravitazionale tettonicamente agitato, l'atmosfera e l'oceano probabilmente contribuiscono notevolmente a spiegare la maggior parte delle differenze.
Il sottile guscio della biosfera probabilmente aiuta a spiegare alcune delle differenze, ad esempio, nel rapporto O & H e nell'abbondanza.
Pb: Bi: Th: U sono più o meno gli stessi, ma (purtroppo) i metalli più rari sono in abbondanza da 2 a 3 ordini di grandezza - ma questo suggerisce che l'estrazione di asteroidi potrebbe ancora rivelarsi "interessante".
Rispetto all'originale dall'alto:
Lo schema a zig-zig potrebbe essere correlato alla regola di Oddo-Harkins . Afferma:
Un elemento con un numero atomico pari è più abbondante di entrambi gli elementi con numeri atomici dispari più grandi e più piccoli adiacenti.
La base di questo modello di abbondanza potrebbe avere qualcosa a che fare con la stabilità del nucleone. La regola sostiene che gli elementi con numeri atomici pari hanno i loro protoni accoppiati, con ogni membro della coppia che bilancia lo spin dell'altro migliora così la stabilità del nucleone mentre gli elementi con numeri atomici dispari hanno un protone spaiato, quindi non stabile.
Ma ci sono molte grandi eccezioni a questa regola. Una delle eccezioni è l'idrogeno-elio-litio-berillio.