Kozmik ışın ile parçalanma

X-süreci olarak da bilinen kozmik ışın ile parçalanma veya kozmik ışın spallasyonu, nükleosenteze neden olan doğal olarak meydana gelen bir dizi nükleer reaksiyondur; kozmik ışınların bir nesne üzerindeki etkisiyle kimyasal elementlerin oluşumunu ifade eder. Kozmik ışınlar, protonlar, alfa parçacıkları ve birçok ağır elementin çekirdeklerine kadar, Dünya'nın ötesinden gelen oldukça enerjik yüklü parçacıklardır. Kozmik ışınların yaklaşık %1'i aynı zamanda serbest elektronlardan oluşur.

Kozmik ışınlar, bir ışın parçacığı (örneğin bir proton) diğer kozmik ışınlar da dahil olmak üzere maddeyle çarptığında parçalanmaya neden olur. Çarpışmanın sonucu, çok sayıda nükleonun (protonlar ve nötronlar) çarpan nesneden atılmasıdır. Bu süreç yalnızca derin uzayda değil, kozmik ışınların devam eden etkisine bağlı olarak Dünya'nın üst atmosferinde ve kabuk yüzeyinde (tipik olarak üstteki on metre) devam eder.

Süreç

Kozmik ışın spallasyonunun, bazı hafif elementlerin (lityum, berilyum ve bor) yanı sıra izotop helyum-3'ün evrendeki bolluğundan sorumlu olduğu düşünülmektedir. Bu süreç (kozmojenik nükleosentez) 1970'lerde bir şekilde tesadüfen keşfedildi: Big Bang nükleosentezi modelleri döteryum miktarının evrenin genişleme oranıyla tutarlı olamayacak kadar büyük olduğunu ve bu nedenle üretebilecek süreçlere büyük ilgi olduğunu gösterdi. Big Bang nükleosentezinden sonra döteryum kozmik ışın ile parçalanma döteryum üretmek için olası bir süreç olarak araştırıldı. Anlaşıldığı üzere, parçalanma fazla döteryum üretemedi, ancak yeni parçalanma çalışmaları bu sürecin lityum, berilyum ve bor üretebileceğini gösterdi; gerçekte, bu elementlerin izotopları, güneş atmosferleriyle karşılaştırıldığında kozmik ışın çekirdeklerinde fazla temsil edilir (oysa hidrojen ve helyum, kozmik ışınlarda yaklaşık ilkel oranlarda mevcuttur).

Kozmik ışınlardaki x süreci, lityum, berilyum ve borun beş kararlı izotopu için birincil nükleosentez aracıdır. Proton-proton zincir reaksiyonu, ⁵He ve ⁵Li'nin bağlanmamış doğası nedeniyle ⁴He'nin ötesine geçemediğinden ve üçlü alfa süreci ⁴He ile ¹²C arasındaki tüm türleri atladığından, bu elementler yıldız nükleosentezinin ana reaksiyonlarında üretilmez. Ek olarak, bu elementlerin çekirdekleri (örneğin, ⁷Li) nispeten zayıf bir şekilde bağlanır, bu da yıldızlarda hızla yok olmalarına ve önemli bir birikim olmamasına neden olur. Böylece, yıldızların dışında meydana gelen başka bir nükleosentez sürecinin, evrendeki varlıklarını açıklamak için gerekli olduğu varsayıldı. Bu sürecin artık daha düşük sıcaklık ve parçacık yoğunluğunun lityum, berilyum ve bor sentezine yol açan reaksiyonları desteklediği kozmik ışınlarda meydana geldiği bilinmektedir.

Yukarıdaki hafif elementlere ek olarak, trityum ve alüminyum, karbon (karbon-14), fosfor (fosfor-32), klor, iyot ve neon izotopları, kozmik ışın spallasyonu yoluyla güneş sistemi materyallerinde oluşur ve kozmojenik çekirdek olarak adlandırılır. Oluştukları atmosfer veya kayada hapsolduklarından bazıları, özellikle jeolojik alanda, kozmojenik radyonüklid tarihlemesi ile materyallerin tarihlendirilmesinde çok faydalı olabilir. Kozmojenik bir çekirdek oluşumunda, kozmik bir ışın, situ güneş sistemi atomunun çekirdeği ile etkileşime girerek kozmik ışın parçalanmasına neden olur. Bu izotoplar, Dünya atmosferinde kayalar veya toprak gibi toprak materyallerinde ve göktaşları gibi dünya dışı öğelerde üretilir. Bilim adamları, kozmojenik izotopları ölçerek, bir dizi jeolojik ve astronomik süreç hakkında fikir edinebilirler. Hem radyoaktif hem de kararlı kozmojenik izotoplar vardır. İyi bilinen doğal olarak oluşan radyoizotoplardan bazıları trityum, karbon-14 ve fosfor-32'dir.

Oluşumlarının zamanlaması, kozmik ışın spallasyonu tarafından oluşturulan çekirdeklerin ilkel mi yoksa kozmojenik mi (bir çekirdek her iki sınıfa ait olamaz) olarak mı adlandırıldığını belirler. Yeryüzünde bulunan kararlı lityum, berilyum ve bor çekirdeklerinin, kozmojenik çekirdeklerin aynı süreçle oluştuğu, ancak daha erken bir zamanda, ağırlıklı olarak güneş sisteminin oluşumundan önce kozmik ışın spallasyonunda oluştuğu düşünülmektedir ve bu nedenle tanım gereği ilkeldirler. Buna karşılık, radyoaktif çekirdek berilyum-7 aynı ışık elementi aralığına düşer, ancak güneş sisteminin oluşumundan önce oluşması için çok kısa bir yarı ömre sahiptir, bu nedenle ilkel bir çekirdek olamaz. Kozmik ışın parçalanma yolu çevredeki en olası berilyum-7 kaynağı olduğundan, bu nedenle kozmojeniktir.