Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ПОХОДЖЕННЯ ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

У поняттях науки XVIII-XIX ст. матерія була вічною, і питання про походження хімічних елементів був би просто некоректне. Якщо матерія вічна, то у неї немає і походження. У XX ст. ситуація швидко змінювалася. Була розроблена теорія відносності, відкрито розширення Всесвіту, розроблена теорія будови і еволюції зірок, відкрито так зване реліктове випромінювання, тісно пов'язане з розширенням Всесвіту. Все це призвело до найбільш правдоподібною, хоча і важко вміщається в голові теорії Великого вибуху. Припускають, що Всесвіт почала своє буття з незбагненного (поки що?) Імпульсу, що призвів до триваючого і понині розширенню гігантського згустку матерії з однієї точки.

Вивчаючи речовини і їх хімічні перетворення, цілком природно задуматися над питанням, звідки взялися всі ті види атомів, з яких складаються речовини і які самі при хімічних реакціях перетворенням не схильні до? Постараємося коротко відповісти на це питання, наскільки це можливо в даний час.

За різними даними, Великий вибух стався від 15 до 18 млрд років тому. У неймовірно гарячому і щільному, стрімко розширюється і охолоджується згустку матерії безперервно виникали певні «покоління» частинок, відповідні умов, що змінюються.

Через три хвилини розширення і охолодження плазми виник набір часток, який вже не змінювався до початку утворення зірок. Найважливіші риси цього складу зводяться до того, що у Всесвіті склалося співвідношення між протонами і фотонами, рівне 1:10 9 . Це вражаюче безліч фотонів (але порівняно з атомами) і в даний час заповнює простір у вигляді реліктового випромінювання, що не має джерела.

Протягом декількох хвилин розширення Всесвіт охолола настільки, що швидкість ядерних реакцій між наявними частками впала до нуля. Нейтрони з'єдналися з протонами, утворивши дейтерій, а ядра дейтерію швидко з'єднувалися в ядра гелію ( 4 Не). Початкові умови у Всесвіті виявилися такі, що нейтронів вистачило на освіту приблизно 10% гелію із загального числа ядер. Решта протони збереглися у вільному вигляді і разом з електронами в подальшому склали хімічний елемент водень. Будь у Всесвіті більше нейтронів, то в речовині міг би перевагу гелій, що докорінно відбилося б на наступних процесах зореутворення. Гелій в зірках перетворювався б у важкі елементи в кілька разів швидше, ніж водень, і тривалість життя зірок сильно скоротилася. Це, очевидно, вплинуло б на можливість еволюції біологічного життя.

Ще один вид часток, що володіють масою спокою і необхідних для утворення атомів, - електрони - збереглися в кількості, приблизно рівній кількості протонів. Факт існування перерахованих часток по-своєму чудовий і не пояснений. Всі три частки - протони, нейтрони і електрони - мають свої античастинки: антипротони ( р ~), антинейтрони (Я) і антиелектрони (позитрони, е). При зіткненні частинки і античастинки відбувається їх анігіляція з перетворенням в кінцевому рахунку в фотони. При температурі в мільярди градусів фотони безперервно породжують пари електрон - позитрон ( е ~ - е + ), які знову анігілюють, перетворюючись в фотони. Таким чином, електрони, позитрони і фотони знаходяться в рівновазі. При зниженні температури у міру розширення Всесвіту енергія фотонів стає недостатньою для народження пар е ~ - е + , все наявні пари анігілюють, і при цьому виявляється невеликий надлишок електронів, які і збереглися на наступні часи. Невеликим цей надлишок є в порівнянні з числом наявних фотонів, як сказано вище. Те ж саме відноситься і до протонів, яких виявилося трохи більше, ніж антипротонів. Отже, однією з передумов появи атомів виявився нікчемний дисбаланс частинок і античастинок.

Через мільйон років розширення і остигання Всесвіту температура знизилася до -4000 К. Це температурна межа, нижче якої електрони захоплюються тяжінням ядер і утворюються «укомплектовані» атоми. Нейтральний гелій виникає при кілька більш високій температурі, ніж водень, так як його енергія іонізації більше.

Поки нічого не говорилося про існування інших хімічних елементів, крім водню з його ізотопом дейтерієм і гелію. На етапі еволюції до появи зірок їх дійсно не було. Зірки почали утворюватися в результаті гравітаційної конденсації речовини після виникнення нейтральних атомів. Час появи галактик і складових їхніх зірок недостатньо виразно. З точки зору фізики розробити теорію процесів, що відбувалися протягом перших хвилин після Великого вибуху, виявилося легше, ніж «сценарій» подальших подій, пов'язаних з фрагментацією речовини на окремі галактики і зірки. Можна сприймати як орієнтовною цифри, що перше покоління зірок виникло через мільярд років після Великого вибуху.

При гравітаційному стисненні згустку воднево-гелієвої суміші потенційна енергія переходила в кінетичну і відповідно підвищувалася температура. Коли вона досягала 10-15 млн градусів, в центральній області протозвезди (ядрі) починалися термоядерні реакції і зірка спалахувала. У термоядерних реакціях беруть участь як водень, так і гелій. Водень спочатку перетворюється в гелій по ланцюжку реакцій:

  • + = d + + е + + v дуже повільно; d + + р + = 3 Чи не 2+ + у швидко;
  • 2 3 Чи не 2+ = 4 Чи не 2+ + 2относітельно повільно (тут б / + - дейтрон, е + - позитрон, v - нейтрино, у - гамма-квант).

Можна запитати: чому водень не перетворився на гелій за цими послідовним реакцій в перші хвилини після Великого вибуху, але перетворюється в зірках? Причина дуже проста. У перші хвилини сприятлива температура для даного процесу тривала миті, так як йшло розширення і охолодження Всесвіту, а в зірках цей процес йде як би в тліючому режимі при стаціонарних умовах. Повільність першої стадії обумовлена слабким ядерним взаємодією і є однією з умов тривалого існування зірки. Після вигоряння водню в ядрі підвищується температура, і при ~ 1 Ю 8 градусів починається «горіння» гелію, що представляє собою послідовне злиття його ядер в ядра наступних елементів, що супроводжується виділенням величезної енергії. При зіткненні двох ядер 4 Чи не стійке ядро 8 Ве не утворюється. Цей ізотоп берилію взагалі не існує. Але якщо за зіткненням двох ядер швидко слід зіткнення з третім ядром гелію, то утворюється ядро вуглецю 12 С. Це ядро реагує з гелієм далі, перетворюючись в кисень 16 0. Дивовижна удача (з точки зору наявності матеріма для існування життя) полягає в тому, що реакція вуглецю з гелієм йде досить повільно. Тому при утворенні кисню зберігається і значна кількість необхідного для життя вуглецю. На цьому закінчується етап горіння гелію. При подальшому підвищенні температури горять вуглець і кисень. При реакціях між ядрами вуглецю або між ядрами кисню утворюються більш важкі елементи магній, натрій, сірка, фосфор, кремній і ін. З одночасним вильотом протонів, нейтронів, а-частинок. Останні, послідовно приєднуючись до стійким ядер, наприклад 28 Si, утворюють хімічні елементи аж до заліза.

Зірку можна назвати котлом, в якому вариться сировину, перетворюючись в набір хімічних елементів. Але готовий продукт з котла треба витягти. Без цього утворилися елементи в надрах зірки ніяк себе не проявляють. Тут дуже до речі виявляється здатність зірок певного типу вибухати. На відповідному етапі еволюції зірки в шарі на деякій відстані від центру лавиноподібно наростає потужність виділення енергії. Що виникає тиск відмітає в простір всю зовнішню масу зірки і одночасно стискає залишилася центральну частину. Це вибух неймовірної потужності. Па короткий час світність зірки зростає до світності цілої галактики. При цьому ядерні процеси призводять до утворення всіх елементів важче заліза. Зірка скидає оболонку, яка розсіюється в навколишньому просторі.

Тепер міжзоряний газ збагачений усіма хімічними елементами. Слід також підкреслити, що утворилися в ядрі зірки елементи в середньому становлять лише 1-2% від усієї кількості речовини зірки. У міжзоряному газі і раніше переважають водень і гелій. З матеріалу підірваних зірок утворюються зірки наступного покоління, планети, їх супутники, комети. У астрофізиці розглядаються й інші шляхи освіти важких елементів, зокрема в ядрах галактик. Але це лише доповнює основний факт, який зводився до того, що всі важкі елементи утворюються з первинних елементів - водню і гелію.

 
<<   ЗМІСТ   >>