تخليق العناصر

تفاعل ألفا الثلاثي.

تخليق العناصر بدأ في الشمس بتحول الهيدروجين الذي يكون 77 % من مادتها إلى هيليوم من خلال الاندماج النووي، كما تحتوي الشمس على الهيليوم من الأصل بنسبة 23 % من كتلتها. هذا المرحلة من عمر الشمس تمر بها جميع النجوم أيضا، فالشمس ما هي إلا أحد النجوم متوسطة الحجم. فإذا ما تحول الهيدروجين وكتلته الذرية 1 إلى الهيليوم وكتلته الذرية 4 تعمل الجاذبية على ضغط قلب النجم إلى حيز أصغر ويصاحب ذلك ارتفاع في درجة الحرارة وعندها يبدأ اندماج الهيليوم.

ويتميز اندماج الهيليوم بما يسمى تفاعل ألفا الثلاثي أو بالإنجليزية Triple-alpha process وهي عدة تفاعلات تندمج فيها ثلاثة من أنوية الهيليوم وهي أشعة ألفا ويكونوا الكربون الذي تبلغ كتلته 12.

ولننطر إلى التفاعلين النوويين الخاصين بالثلاثية-ألفا:تبدأ النجوم بتكوين الهيليوم بواسطة التفاعل بروتون-بروتون التسلسلي، وتفاعلات أخرى مثل دورة الكربون والنيتروجين والأكسجين في قلبها. وهناك تفاعلات اندماجية أخرى تتم في قلب النجم، مثل التحام البروتون والهيليوم، أو هيليوموهيليوم ونتيجتهما كتل ذرية من 5 إلى 8، فتلك العناصر غير مستقرة وتتحلل في الحال إلى عناصر أخف. وعندما يبدأ النجم استهلاك كل ما فيه من هيدروجين، تبدأ منطقته المركزية في التقلص بفعل الجاذبية وترتفع بذلك درجة حرارته إلى 100 مليون درجة كلفن. وعندها يبدأ اندماج الهيليوم بمعدل يقاوم به معدل تحلل البيريليوم-8 إلى نواني هيليوم ثانيا.وهذا ما يفسر وجود قليل من البيريليوم في قلب النجم تستطيع الاندماج مع 1 هيليوم أخرى لتكوين الكربون ذو الكتلة الذرية 12، والكربون عنصر مستقر.

وكما نري ينتج عن عنهما طاقة قدرها 7.275 مليون إلكترون فولت MeV.

ونظرا لأن تفاعل ثلاثة من جسيمات ألفا في آن واحد، يحتاج ذلك التفاعل إلى زمن طويل جدا لكي يُنتج الكربون-12. ولهذا نجد عدم تخليق للكربون خلال الانفجار العظيم، حيث أن درجة الحرارة انخفضت خلال بضع دقائق بعد الانفجار العظيم إلى درجة لا تكفي لتكون الكربون.

فإذا كان احتمال التفاعل الثلاثي لجسيمات ألفا ضعيف جدا، نجد أن التفاعل ⁸Be + 8⁴He له نفس الطاقة التي يحتويها الكربون ¹²C. كما يتسم التفاعل بين البيريليوم والهيليوم بالنشاط حيث له خاصية التفاعل الرنان resonance هذا ما يعمل على زيادة إنتاج الكربون-12 منهما. وقد تنبأ العالم الفيزيائي فريد هويل بضرورة هذا التفاعل الرنان بين البريليوم والهيليوم من أجل تفسير وجود الكربون في النجوم من قبل أن تحققه التجارب المعملية. وقد أعطت تنبؤات هويل بضرورة وجود التفاعل الرنان (ويمكن وصف التفاعل الرنان بأنه شراهة زائدة للنواة الثقيلة لابتلاع نواة أو جسيم أصغر منها) وتم اكتشاف هذا التفاعل لاحقا وكان ذلك تأييدا كبيرا لنظرية تخليق العناصر في النجوم، والتي تنادي بأن جميع العناصر الكيميائية قد تكونت من الهيدروجين، وأن الهيدروجين هو العنصر الأصلي في الكون.

ومن نتائج ذلك أن بعض أنوية الكربون-12 التحمت كل منها بنواة هيليوم-4 لتكوين الأكسجين والمعروف أن العدد الذري للأكسجين هو 16. ومن العجيب أنه هنا أيضا يلعب تفاعل رنان آخر دوره في تخليق الأكسجين، كما ينتج عن ذلك الالتحام قدرا من الطاقة النووية.