Espalación de rayos cósmicos
espalación de rayos cósmicos, también conocida como proceso x, es un conjunto de reacciones nucleares que ocurren naturalmente y 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 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 están formados por 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 impactado. Este proceso ocurre no sólo en el espacio profundo, sino también en la atmósfera superior de la Tierra y en la superficie de la corteza terrestre (normalmente los diez metros superiores) debido al impacto continuo de los rayos cósmicos.
El proceso
Se cree que la espalación de los 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) fue descubierto un tanto por accidente durante la década de 1970: los modelos de nucleosíntesis del Big Bang sugerían 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 podrían generar deuterio después de la nucleosíntesis del Big Bang. Se investigó la espalación de rayos cósmicos como un posible proceso para generar deuterio. Resultó que la espalación no podía generar mucho deuterio, pero los nuevos estudios sobre la espalación demostraron que este proceso podía generar litio, berilio y boro; de hecho, los isótopos de estos elementos están sobrerrepresentados en los núcleos de los 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 golpea 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 caen al suelo mediante la lluvia. Consulte 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 de los cinco isótopos estables de litio, berilio y boro. Como la reacción en cadena protón-protón no puede avanzar más allá de 4He debido a la naturaleza libre de 5He y 5Li, y el proceso triple alfa omite todas las especies entre 4He y 12C, estos elementos no se producen en las reacciones principales de la nucleosíntesis estelar. Además, los núcleos de estos elementos (como 7Li) están relativamente débilmente unidos, lo que resulta en su rápida destrucción en las estrellas y sin acumulación significativa, aunque una nueva teoría sugiere que 7 El Li se genera principalmente en erupciones de novas. Por 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 una temperatura más baja y una densidad de partículas favorecen 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 mediante espalación de rayos cósmicos, y se denominan nucleidos cosmogénicos. Dado que permanecen atrapados en la atmósfera o en la roca en la que se formaron, algunos pueden ser muy útiles en la datación de materiales mediante datación con radionúclidos cosmogénicos, particularmente en el campo geológico. En la formación de un nucleido cosmogénico, un rayo cósmico interactúa con el núcleo de un átomo in situ del Sistema Solar, provocando la espalación del rayo cósmico. Estos isótopos se producen dentro de materiales terrestres como rocas o suelo, en la atmósfera terrestre 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 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 mediante espalación de rayos cósmicos, predominantemente antes de la formación del Sistema Solar, y por lo tanto se Son por definición nucleidos primordiales y no cosmogénicos. Por el contrario, el nucleido radiactivo berilio-7 entra en el mismo rango de elementos ligeros, pero tiene una vida media demasiado corta para haberse 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, ese isótopo es, por tanto, cosmogénico.