التفتت الناتج عن الأشعة الكونية

التفتت الناتج عن الأشعة الكونية ، والمعروف أيضًا باسم عملية إكس ، هو مجموعة من التفاعلات النووية الطبيعية التي تُسبب التخليق النووي ؛ ويشير إلى تكوين العناصر الكيميائية نتيجة اصطدام الأشعة الكونية بجسم ما. الأشعة الكونية عبارة عن جسيمات مشحونة عالية الطاقة قادمة من خارج الأرض ، تتراوح بين البروتونات وجسيمات ألفا ونوى العديد من العناصر الأثقل. كما تحتوي حوالي 1% من الأشعة الكونية على إلكترونات حرة.

تُسبب الأشعة الكونية التفتت النووي عندما يصطدم جسيم شعاعي (مثل البروتون) بالمادة ، بما في ذلك الأشعة الكونية الأخرى. وينتج عن هذا الاصطدام قذف جسيمات (بروتونات، نيوترونات، وجسيمات ألفا ) من الجسم المصطدم. ولا تقتصر هذه العملية على الفضاء السحيق فحسب، بل تمتد أيضًا إلى الغلاف الجوي العلوي للأرض وسطح قشرتها (عادةً في الطبقة العليا التي لا تتجاوز عشرة أمتار) نتيجةً للتأثير المستمر للأشعة الكونية.

يُعتقد أن التفتت الناتج عن الأشعة الكونية مسؤول عن وفرة بعض العناصر الخفيفة في الكون [1] - الليثيوم والبريليوم والبورون ^{- بالإضافة إلى} نظير الهيليوم -3 . وقد اكتُشفت هذه العملية ( التخليق النووي الكوني) بشكل عرضي خلال سبعينيات القرن الماضي: إذ أشارت نماذج التخليق النووي للانفجار العظيم إلى أن كمية الديوتيريوم كانت كبيرة جدًا بحيث لا تتوافق مع معدل تمدد الكون، ولذلك كان هناك اهتمام كبير بالعمليات التي يمكن أن تُنتج الديوتيريوم بعد التخليق النووي للانفجار العظيم. وقد دُرست عملية التفتت الناتج عن الأشعة الكونية كعملية محتملة لتوليد الديوتيريوم. وكما اتضح، فإن التفتت لا يُمكنه توليد كميات كبيرة من الديوتيريوم، ولكن الدراسات الجديدة للتفتت أظهرت أن هذه العملية يُمكن أن تُنتج الليثيوم والبريليوم والبورون. في الواقع، تتواجد نظائر هذه العناصر بشكل مفرط في نوى الأشعة الكونية، مقارنة بالأغلفة الجوية الشمسية (في حين أن الهيدروجين والهيليوم موجودان بنسب بدائية تقريبًا في الأشعة الكونية).

من أمثلة التفتت الناتج عن الأشعة الكونية اصطدام نيوترون بنواة نيتروجين-14 في الغلاف الجوي للأرض، مما ينتج عنه بروتون وجسيم ألفا ونواة بريليوم-10 ، التي تتحلل في النهاية إلى بورون-10. وبالمثل، يمكن أن يصطدم بروتون بأكسجين-16، مما ينتج عنه بروتونان ونيوترون، ثم جسيم ألفا ونواة بريليوم-10. كما يمكن أن يتكون البورون مباشرةً، حيث يتساقط البريليوم والبورون على سطح الأرض بفعل الأمطار. ^{[ 2 ]} انظر إلى النظائر الكونية للاطلاع على قائمة بالنظائر الناتجة عن التفتت الناتج عن الأشعة الكونية.

تُعدّ عملية X في الأشعة الكونية الوسيلة الأساسية لتخليق العناصر الخمسة المستقرة من الليثيوم والبريليوم والبورون. ^{[ 3 ]} ولأن تفاعل سلسلة البروتون-بروتون لا يمكن أن يستمر بعد ^{الهيليوم-4} بسبب طبيعة الهيليوم ^-5 والليثيوم ^-5 غير المرتبطة ، ^{[ 4 ]} ولأن عملية ألفا الثلاثية تتجاوز جميع الأنواع بين ^{الهيليوم-4} والكربون ^-12 ، فإن هذه العناصر لا تُنتَج في التفاعلات الرئيسية لتخليق العناصر النجمية . إضافةً إلى ذلك، فإن نوى هذه العناصر (مثل الليثيوم ^-7 ) مرتبطة بشكل ضعيف نسبيًا ، مما يؤدي إلى تدميرها السريع في النجوم وعدم تراكمها بشكل ملحوظ، على الرغم من أن نظرية جديدة تشير إلى أن الليثيوم ^-7 يتولد بشكل أساسي في ثورات المستعرات العظمى . ^{[ 5 ]} ولذلك، افترض الباحثون أن عملية تخليق عناصر أخرى تحدث خارج النجوم ضرورية لتفسير وجودها في الكون. من المعروف الآن أن هذه العملية تحدث في الأشعة الكونية، حيث تساعد درجات الحرارة المنخفضة وكثافة الجسيمات على حدوث تفاعلات تؤدي إلى تخليق الليثيوم والبريليوم والبورون. ^{[ 3 ]}

بالإضافة إلى العناصر الخفيفة المذكورة أعلاه، يتشكل التريتيوم ونظائر الألومنيوم والكربون ( الكربون -14 ) والفوسفور ( الفوسفور-32 ) والكلور واليود والنيون داخل مواد النظام الشمسي من خلال التفتت الإشعاعي للأشعة الكونية، وتُسمى هذه النظائر بالنويدات الكونية . ونظرًا لبقائها محصورة في الغلاف الجوي أو الصخور التي تشكلت فيها، يُمكن أن يكون بعضها مفيدًا جدًا في قياس المدة الزمنية التي تعرضت فيها الصخور لسطح الأرض أو بالقرب منه. يُعرف هذا باسم التأريخ الإشعاعي الكوني . في عملية تكوين النظير الكوني، يتفاعل شعاع كوني مع نواة ذرة في النظام الشمسي ، مما يُسبب التفتت الإشعاعي للأشعة الكونية. تُنتج هذه النظائر داخل مواد الأرض مثل الصخور والتربة ، وفي الغلاف الجوي للأرض ، وفي الأجسام الفضائية مثل النيازك . من خلال قياس النظائر الكونية، يتمكن العلماء من فهم مجموعة واسعة من العمليات الجيولوجية والفلكية . توجد نظائر كونية مشعة وأخرى مستقرة . ومن أشهر النظائر المشعة الطبيعية: التريتيوم ، والكربون-14، والفوسفور-32 .

يُحدد توقيت تكوّن النظائر المشعة الناتجة عن تفتت الأشعة الكونية ما إذا كانت تُصنف كنظائر بدائية أم كنظائر كونية المنشأ (لا يمكن للنظير الواحد أن ينتمي إلى كلا التصنيفين). يُعتقد أن النظائر المستقرة لليثيوم والبريليوم والبورون الموجودة على الأرض قد تشكلت بنفس عملية تشكل النظائر الكونية المنشأ، ولكن في وقت سابق من تفتت الأشعة الكونية، وتحديدًا قبل تشكل النظام الشمسي، وبالتالي فهي بحكم تعريفها نظائر بدائية وليست كونية المنشأ. في المقابل، يقع نظير البريليوم-7 المشع ضمن نفس نطاق العناصر الخفيفة، لكن عمر النصف له قصير جدًا بحيث لا يمكن أن يكون قد تشكل قبل تشكل النظام الشمسي، لذا لا يمكن اعتباره نظيرًا بدائيًا. وبما أن مسار تفتت الأشعة الكونية هو المصدر الأرجح للبريليوم-7 في البيئة، فإن هذا النظير يُصنف بالتالي كنظير كوني المنشأ.

• غرينوود، ن.ن .؛ إيرنشو، أ. (1998). كيمياء العناصر (  الطبعة الثانية). باتروورث-هاينمان. ISBN 978-0-7506-3365-9.

• مينغوزي، م.؛ أودوز، ج.؛ ريفز، هـ. (1971). "إنتاج عناصر الليثيوم والبريليوم والبورون بواسطة الأشعة الكونية المجرية في الفضاء وعلاقته بالرصد النجمي". علم الفلك والفيزياء الفلكية . 15 : 337. Bibcode : 1971A & A....15..337M .

• معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا: مطياف نظائر الأشعة الكونية (CRIS)
• قسم الفيزياء وعلم الفلك، جامعة ليدز: هل زمن بقاء الأشعة الكونية E^-0.6 (التفتت) أم E^-(1/3) (التباين، الاضطراب)؟
• انتشار الأشعة الكونية فائقة الثقل باستخدام تعابير جديدة للمقطع العرضي للتفتت
• تم العثور على أدلة على إنتاج الهيليوم والنيون عن طريق التفتت الإشعاعي الكوني في البراكين.