Espalación de rayos cósmicos - Cosmic ray spallation
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La espalación de rayos cósmicos , también conocida como proceso x , es un conjunto de reacciones nucleares que ocurren naturalmente que causan la nucleosíntesis ; se refiere a la formación de elementos químicos a partir del impacto de los rayos cósmicos sobre un objeto. Los rayos cósmicos son partículas cargadas de alta energía procedentes de más allá de la Tierra , que van desde protones , partículas alfa y núcleos de muchos elementos más pesados. Aproximadamente el 1% de los rayos cósmicos también constan de electrones libres.
Los rayos cósmicos causan espalación cuando una partícula de rayo (por ejemplo, un protón) impacta con la materia , incluidos otros rayos cósmicos. El resultado de la colisión es la expulsión de partículas (protones, neutrones y partículas alfa ) del objeto golpeado. Este proceso continúa no solo en el espacio profundo, sino también en la atmósfera superior de la Tierra y en la superficie de la corteza (típicamente los diez metros superiores) debido al impacto continuo de los rayos cósmicos.
El proceso
Se cree que la espalación de rayos cósmicos es responsable de la abundancia en el universo de algunos elementos ligeros — litio , berilio y boro — así como del isótopo helio-3 . Este proceso ( nucleosíntesis cosmogénica ) se descubrió algo por accidente durante la década de 1970: los modelos de nucleosíntesis del Big Bang sugirieron que la cantidad de deuterio era demasiado grande para ser consistente con la tasa de expansión del universo y, por lo tanto, había un gran interés en los procesos que pudieran generar deuterio después de la nucleosíntesis del Big Bang. La espalación de rayos cósmicos se investigó como un posible proceso para generar deuterio. Resultó que la espalación no podía generar mucho deuterio, pero los nuevos estudios de espalación demostraron que este proceso podría generar litio, berilio y boro; de hecho, los isótopos de estos elementos están sobrerrepresentados en los núcleos de rayos cósmicos, en comparación con las atmósferas solares (mientras que el hidrógeno y el helio están presentes en proporciones primordiales en los rayos cósmicos).
Un ejemplo de espalación de rayos cósmicos es un neutrón que golpea un núcleo de nitrógeno-14 en la atmósfera terrestre, produciendo un protón, una partícula alfa y un núcleo de berilio-10 , que eventualmente se desintegra en boro-10. O un protón puede chocar con el oxígeno-16, produciendo dos protones, un neutrón y nuevamente una partícula alfa y un núcleo de berilio-10. El boro también se puede crear directamente. El berilio y el boro caen al suelo por la lluvia. Consulte Núclido cosmogénico para obtener una lista de los núclidos producidos por la espalación de rayos cósmicos.
El proceso X en los rayos cósmicos es el medio principal de nucleosíntesis de los cinco isótopos estables de litio, berilio y boro. Como la reacción en cadena protón-protón no puede avanzar más allá de 4 He debido a la naturaleza libre de 5 He y 5 Li, y el proceso de triple alfa omite todas las especies entre 4 He y 12 C, estos elementos no se producen en las reacciones principales de nucleosíntesis estelar . Además, los núcleos de estos elementos (por ejemplo, 7 Li) están unidos relativamente débilmente , lo que resulta en su rápida destrucción en las estrellas y sin una acumulación significativa, aunque una nueva teoría sugiere que 7 Li se genera principalmente en las erupciones de las novas. Por lo tanto, se postuló que era necesario otro proceso de nucleosíntesis que ocurría fuera de las estrellas para explicar su existencia en el universo. Ahora se sabe que este proceso ocurre en los rayos cósmicos, donde la temperatura y la densidad de partículas más bajas favorecen las reacciones que conducen a la síntesis de litio, berilio y boro.
Además de los elementos ligeros anteriores, el tritio y los isótopos de aluminio , carbono ( carbono-14 ), fósforo ( fósforo-32 ), cloro , yodo y neón se forman dentro de los materiales del sistema solar a través de la espalación de rayos cósmicos, y se denominan nucleidos cosmogénicos . Dado que permanecen atrapados en la atmósfera o la roca en la que se formaron, algunos pueden ser muy útiles en la datación de materiales mediante datación por radionúclidos cosmogénicos , particularmente en el campo geológico. En la formación de un nucleido cosmogénico, un rayo cósmico interactúa con el núcleo de un átomo del sistema solar in situ , provocando la espalación de los rayos cósmicos. Estos isótopos se producen dentro de materiales terrestres como rocas o suelo , en la atmósfera de la Tierra y en elementos extraterrestres como meteoritos . Al medir los isótopos cosmogénicos, los científicos pueden obtener información sobre una variedad de procesos geológicos y astronómicos . Hay isótopos cosmogénicos radiactivos y estables . Algunos de los radioisótopos naturales más conocidos son el tritio , el carbono 14 y el fósforo 32 .
El momento de su formación determina si los nucleidos formados por espalación de rayos cósmicos se denominan primordiales o cosmogénicos (un nucleido no puede pertenecer a ambas clases). Se cree que los núclidos estables de litio, berilio y boro que se encuentran en la Tierra se formaron mediante el mismo proceso que los núclidos cosmogénicos, pero en un momento anterior en la espalación de rayos cósmicos predominantemente antes de la formación del sistema solar, y por lo tanto, son por definición primordiales. nucleidos y no cosmogénicos. Por el contrario, el nucleido radiactivo berilio-7 cae en el mismo rango de elementos ligeros pero tiene una vida media demasiado corta para que se haya formado antes de la formación del sistema solar, por lo que no puede ser un nucleido primordial. Dado que la ruta de espalación de los rayos cósmicos es la fuente más probable de berilio-7 en el medio ambiente, es por lo tanto cosmogénica.
Ver también
Referencias
- Greenwood, NN ; Earnshaw, A. (1998). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-3365-9.
Otras lecturas
- Meneguzzi, M .; Audouze, J .; Reeves, H. (1971). "La producción de los elementos Li, Be, B por rayos cósmicos galácticos en el espacio y su relación con las observaciones estelares". Astronomía y Astrofísica . 15 : 337. Bibcode : 1971A & A .... 15..337M .
enlaces externos
- Espectrómetro de isótopos de rayos
- Documento de la Universidad de Leeds , actas del 26 ° CICR (enlace descendente, enero de 2011).
- Propagación de rayos cósmicos intensos utilizando nuevas expresiones de sección transversal de espalación , actas del 26 ° CICR (enlace descendente, enero de 2011).
- Evidencia de la producción de espalación de rayos cósmicos de helio y neón encontrados en volcanes