Espalación de rayos cósmicos

Nucleosíntesis
Nucleosíntesis estelar Nucleosíntesis del Big Bang Nucleosíntesis de supernova Espalación de rayos cósmicos
Temas relacionados
Astrofísica Fusión nuclear Proceso R Proceso S Fisión nuclear
en a mi

La espalación de rayos cósmicos , también conocida como proceso x , es un conjunto de reacciones nucleares naturales que provocan 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 provenientes 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 consisten en electrones libres. ^{[ cita requerida ]}

Los rayos cósmicos provocan espalación cuando una partícula de un rayo (por ejemplo, un protón) impacta con materia , incluidos otros rayos cósmicos. El resultado de la colisión es la expulsión de partículas (protones, neutrones y partículas alfa ) del objeto impactado. Este proceso no solo ocurre en el espacio profundo, sino también en la atmósfera superior y la superficie de la corteza terrestre (normalmente los diez metros superiores) debido al impacto continuo de los rayos cósmicos.

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 de alguna manera 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, hubo un gran interés en los procesos que podrían generar deuterio después de la nucleosíntesis del Big Bang. La espalación de rayos cósmicos se investigó como un posible proceso para generar deuterio. Al final, resultó que la espalación no podía generar mucho deuterio, pero los nuevos estudios de espalación mostraron que este proceso podía 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 aproximadamente primordiales en los rayos cósmicos).

Un ejemplo de espalación de rayos cósmicos es un neutrón que choca con un núcleo de nitrógeno-14 en la atmósfera de la Tierra, produciendo un protón, una partícula alfa y un núcleo de berilio-10 , que finalmente se desintegra en boro-10. Alternativamente, un protón puede chocar con 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 son arrastrados al suelo por la lluvia. ^[1] Véase Nuclido cosmogénico para obtener una lista de nucleidos producidos por espalación de rayos cósmicos.

El proceso x en los rayos cósmicos es el principal medio de nucleosíntesis para los cinco isótopos estables de litio, berilio y boro. ^[2] Como la reacción en cadena protón-protón no puede proceder más allá de ⁴ He debido a la naturaleza no ligada de ⁵ He y ⁵ Li, ^[3] y el proceso triple-alfa omite todas las especies entre ⁴ He y ¹² C, estos elementos no se producen en las reacciones principales de la nucleosíntesis estelar . Además, los núcleos de estos elementos (como ⁷ Li) están ligados de manera relativamente débil , lo que resulta en su rápida destrucción en las estrellas y ninguna acumulación significativa, aunque la nueva teoría sugiere que ⁷ Li se genera principalmente en erupciones de novas . ^[4] Por lo tanto, se postuló que era necesario otro proceso de nucleosíntesis que ocurriera 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. ^[2]

Además de los elementos ligeros mencionados anteriormente, el tritio y los isótopos de aluminio , carbono ( carbono-14 ), fósforo ( fósforo-32 ), cloro , yodo y neón se forman en 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 roca en la que se formaron, algunos pueden ser muy útiles en la datación de materiales mediante la datación por radionucleidos 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 , lo que provoca la espalación de rayos cósmicos. Estos isótopos se producen en materiales de la Tierra, como rocas o suelo , en la atmósfera de la Tierra y en elementos extraterrestres como los meteoritos . Al medir los isótopos cosmogénicos, los científicos pueden obtener información sobre una variedad de procesos geológicos y astronómicos . Existen isótopos cosmogénicos tanto radiactivos como 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 nucleidos estables de litio, berilio y boro que se encuentran en la Tierra se formaron mediante el mismo proceso que los nucleidos 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, nucleidos primordiales y no cosmogénicos. En contraste, 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 rayos cósmicos es la fuente más probable de berilio-7 en el medio ambiente, ese isótopo es, por lo tanto, cosmogénico.

• Greenwood, NN ; Earnshaw, A. (1998). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-3365-9.

• 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.

• Instituto Tecnológico de California: Espectrómetro de isótopos de rayos cósmicos (CRIS)
• Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Leeds: ¿El tiempo de residencia de los rayos cósmicos es E^-0,6 (espallación) o E^-(1/3) (anisotropía, turbulencia)?
• Propagación de rayos cósmicos ultrapesados ​​utilizando nuevas expresiones de sección transversal por espalación
• Hallan evidencia de producción de helio y neón por espalación de rayos cósmicos en volcanes