<<
>>

Происхождение химических элементов

Совершенно очевидно, что жизнь не могла бы возникнуть на Земле, если бы в природе не существовали тяжелые элементы, по крайней мере тяжелее кальция, из которого состоят скелеты большинства животных, железа, без которого невозможен обмен веществ в организме, и целого ряда других, более тяжелых элементов, необходимых для всех живых существ в микроконцентрациях.

Молодая Вселенная состояла в основном из водорода и гелия. Но постепенно в недрах звезд, образовавшихся из газовых скоплений в результате термоядерных процессов, стали образовываться более тяжелые элементы.

Впервые объяснение этому явлению дал известный немецкий физик-теоретик Ханс Альбрехт Бете, уехавший в США из Германии в 1933 г. За работы по физике ядерных реакций и в частности за объяснения механизма термоядерных реакций в 1967 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике.

Для образования тяжелых элементов из водорода и гелия нужны нейтроны. Частично нейтроны образуются уже при первичных термоядерных реакциях горения водорода:

p + p = D + e++v,

D + р = 3Не + у,

D + D = 3Не + п.

Часть нейтронов быстро захватывается протонами в реакции

р + n = D + у.

К образованию ядер 4 Не приводит реакция 3Не + 3Не = 4Не + 2р, замыкающая цикл.

Важно, что последняя реакция имеет существенно меньшую скорость протекания, чем предыдущие реакции, обусловленную вчетверо большим кулоновским барьером.

Каково же среднее удельное энерговыделение внутри Солнца за счет термоядерных реакций?

Это совсем нетрудно оценить.

Светимость Солнца составляет 4 • 1033 эрг/с, его масса т = 2 • 1033 г, откуда для стационарного состояния сразу получаем величину 4 • 1033/2 • 1033 = 2 эрг/с • г, т. е. 2 • ИГ7 Вт/г. Теплокровные животные вырабатывают в результате обмена веществ примерно 10_3 Вт/г.

Как видно из рис. 4.1, при температурах в 15-20 млн градусов (которая оценивается обычно из уравнения со-

Энергия частицы, эВ

1000 10000 100000

Температура, млн К, соответсвующая данной средней энергии

Рис.

4.1. Г рафик зависимости уровня кулоновского барьера от температуры

стояния Клайперона-Менделеева), характерных для центральных областей большинства звезд вроде Солнца и по

добных ему, кулоновский барьер уменьшает скорость реакций Не-Не почти на восемь-девять порядков.

Малая проницаемость барьера стабилизирует цикл, который в противном случае имел бы взрывной характер, как в водородной бомбе.

Если же по какой-либо причине температура внутри звезды резко увеличивается, например в результате гравитационного коллапса, до нескольких миллиардов градусов, то стабильность циклов резко нарушается, так как проницаемость кулоновского барьера увеличивается на много порядков и становятся возможными термоядерные реакции не только с участием водорода и гелия, но и с участием более тяжелых атомов.

Эта ситуация приведена на рис. 4.1, отображающем зависимость проницаемости кулоновского барьера Т при соударениях протонов, дейтронов и ядер гелия (р-р, D-D и Не-Не реакций).

Как видно из рисунка, при температуре в 1 млрд градусов скорости реакций с участием гелия возрастают на 10 порядков, это, по-видимому, и приводит к взрыву ядра звезды.

Дальнейшее утяжеление легких ядер происходит в недрах звезд в результате углеродного цикла Бете. Сначала в результате редких тройных столкновений ядер гелия образуются ядра углерода:

Ядра 4Не при столкновении с протонами образуют ядра азота:

Ядронеустойчиво и путем ^-распада с периодом полураспада 14 минут превращается в стабильный изотоп углерода 13 С:

Ядрозахватывает протон и переходит в устойчивый изотоп

Ядро 14N захватывает еще один протон и превращается в ядро кислорода 15О, которое неустойчиво и вновь путем (3-распада быстро переходит в ядро 15N.

Цикл завершается захватом еще одного протона:

В конечном счете ядро углерода восстанавливается, но дополнительно из четырех протонов образуется еще одно

ядро гелия, плюс выделяется 26,8 МэВ энергии в виде быстрых позитронов, 'и нейтрино.

Одновременно могут идти и другие реакции, приводящие к образованию более тяжелых ядер, но видимо,

не тяжелее калия, так как для ядер с большим порядковым номером Z резко повышается кулоновский барьер термоядерных реакций при явном недостатке нейтронов для продолжения цепочек нейтронных реакций типа

Как же образуются более тяжелые элементы?

Из рис. 4.2 следует, что для образования стабильных изотопов тяжелее кальция (относительное число нейтронов становится больше 1) необходимо дополнительное число нейтронов, которых в солнечном цикле Бете вообще не вырабатывается, если не считать D-D реакций. Но эти нейтроны очень быстро захватываются водородом снова.

Как показывают спектроскопические исследования, для Солнца, большинства звезд и межзвездного газа содержание элементов практически одинаково, но их отно

сительное содержание в земной коре несколько отличается от того, что наблюдается в космосе (рис. 4.3).

Средняя тепловая скорость атома водорода при комнатной температуре составляет 2200 м/с, а при температуре 10 000 К — примерно в 5 раз больше, т. е. примерно равна второй космической скорости.

Особенно большое различие наблюдается в относительном содержании в земной коре и в космосе самых легких элементов — водорода и гелия.

Одной из причин такого различия может быть диссипация этих элементов из первичной атмосферы Земли в космос еще на ранних геологических стадиях ее эволюции.

В современной атмосфере температура довольно значительно изменяется с высотой над уровнем моря и в ионосфере на высотах около 100 км может достигать нескольких тысяч градусов. Это происходит за счет поглощения ультрафиолетового излучения Солнца молекулами озона и кислорода.

Легкие газообразные элементы, к которым относятся водород и гелий, постепенно диссипировали с Земли в космос в достаточно большом количестве. Правда, в последнее время стали высказываться предположения, что большая часть первичного водорода оказалась связанной в мантии Земли в виде гидридов металлов и постепенно выносится на поверхность через разломы земной коры и извержения вулканов.

Гелий — элемент очень инертный. Поэтому он не связывался с другими элементами при формировании тела планеты из газового облака и в существенной степени улетел с Земли в космос за те 5 млрд лет, которые прошли со времени ее образования.

На Солнце и в атмосферах звезд все обстоит совсем по-другому. Представление о том, что Солнце и подобные ему звезды — это газовые шары, состоящие из водорода и гелия, совершенно неправомерно.

Вторая космическая скорость для поверхности Солнца составляет 670 км/с. Поэтому даже при температуре 6000 К тепловых скоростей атомов водорода совершенно не достаточно для их тепловой диссипации с поверхности звезды. Поэтому, скорее всего, элементный состав Солнца не сильно отличается от состава первоначальной протозвезды, из которой оно образовалось. Хотя необходимо учитывать выгорание водорода и некоторых других легких элементов в процессе термоядерного синтеза. Поэтому в спектрах излучения Солнца наблюдается дефицит таких легких элементов, как бериллий, литий и бор. Они просто выгорели там. И наоборот, на Солнце больше углерода, азота и кислорода. Эти элементы накопились в результате углеродного цикла Бете.

Однако даже в таком адском котле, каким являются недра большинства звезд, невозможно сварить элементы с числом Z больше 20: слишком высок кулоновский барьер для таких реакций при всех мыслимых стационарных условиях в недрах звезд.

По мнению большинства астрофизиков, подавляющая часть тяжелых элементов образовалась во Вселенной в результате взрывов новых, но в подавляющем большинстве случаев — при взрывах сверхновых звезд.

Попробуем оценить эти условия. Для более или менее точных расчетов нам потребовались бы какие-то модели внутреннего строения звезд и целая куча данных о скоростях и сечениях ядерных реакций. Попробуем обойтись без таких данных, не претендуя на относительно точные результаты и довольствуясь лишь оценками по порядку величины.

Рассмотрим такой сценарий.

В звезде с массой 2М = 4-1033 г (2 солнечных) выгорел весь водород, и прекратилось выделение энергии. Температура в недрах звезды стала падать и, следовательно, стало падать газокинетическое давление.

Гравитационные силы, не сдерживаемые более противодавлением горячей плазмы, начинают сжимать ядро звезды и вновь резко поднимать его температуру. В оболочке звезды термоядерные реакции шли медленнее, так как там температура и давление были ниже и водород там не выгорел до конца.

Пусть, для определенности, масса ядра равна 3/4 всей массы звезды, т. е. равна З-Ю33 г. Этого достаточно, чтобы ядро превратилось в нейтронную звезду радиусом 5 км. Нетрудно оценить потенциальную энергию тяготения, которая выделится при таком коллапсе:

Е = Gm2 / гЯДра,              (4.1)

где г ядра — Радиус, до которого сожмется ядро звезды, равный 5 км = 5 • 105 см.

Здесь мы, конечно, немножко «перебрали», так как не вся масса звезды будет падать на центр с бесконечно большой высоты. Для того чтобы это учесть, надо знать первоначальное распределение массы звезды по ее радиусу и потом брать кратные интегралы по объему звезды. По этой причине тройку в значении массы мы отбросим.

Величина G — универсальная константа закона всемирного тяготения и G = 6,67 • 10-8 см3/г • с2. Подстановка выбранных значений в (4.1) дает энергию Е = 1,3 • 1053 эрг.

Эта чудовищная энергия частью перейдет в кинетическую энергию и излучение оболочки, разлетающейся со скоростью около 2000 км/с. Кинетическую энергию оболочки нетрудно оценить: ^оболочки = mV2 / 2 = 1047 ЭЦГ.

Другая часть выделившейся энергии уходит на разогрев разлетающейся оболочки и разогрев сжатого гравитационными силами ядра.

= 6 * 10

Если вся гравитационная энергия переходит в разогрев ядра, то можно оценить и его температуру. Если считать, что средняя масса атомов ядра А приблизительно равна 10, то общее число частиц в ядре будет:

а энергия, приходящаяся на одну частицу, будет равна Е/п = 2 • 1(Г3 эрг = 1,25 • 109 эВ.

Состояние вещества в этих условиях представляет собой вырожденный Ферми-газ, поэтому статистика Максвелла-Больцмана здесь неприменима и следует пользоваться формулами квантовой статистики. Оценки дают величину температуры Ю9-Ю10 К.

Это чудовищная температура, при которой могут идти практически любые термоядерные реакции. Вот в этом-то котле и варятся тяжелые элементы.

В табл. 4.1 приведены основные ядерные реакции синтеза тяжелых ядер.

Реакции типа 1 могут идти в недрах Солнца. Реакции 2 на Солнце идут очень медленно, в самых горячих его областях. Реакции 2 и 3 протекают в недрах больших горячих звезд, которые в конце своей эволюции превращаются в нейтронные звезды и черные дыры. Последние два процесса происходят во время вспышек новых и особенно сверхновых звезд до стадии их полного коллапса.

Данные, приведенные в таблице — это, конечно, оценки теоретиков. Но тем не менее задача по измерению скоростей термоядерных процессов и температуры в недрах Солнца сейчас уже не кажется нерешаемой.

Одной из возможностей ее решения является регистрация потока солнечных нейтрино и определение их энергетического спектра.

Работы в этом направлении были начаты в Советском Союзе в конце 80-х гг. Американцы уже получили первые результаты по измерению потока солнечных нейтрино, и оказалось, что он в несколько раз меньше, чем ожидалось. В чем здесь дело, физики пока разбираются. Но несомненно, что в ближайшие годы эта проблема должна прояснится как с теоретической, так и с экспериментальной точки зрения. Она имеет большое практическое значение, так как позволит более детально разобраться с тем, что происходит внутри Солнца и более точно прогнозировать его активность, которая сильно влияет на магнитосферу и климат Земли. 

<< | >>
Источник: Богданкевич О. В. Лекции по экологии. 2002

Еще по теме Происхождение химических элементов:

  1. § 3.1.2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА В КУРСЕ ХИМИИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ
  2. § 3.2.2. ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ СИСТЕМЫ ПОНЯТИЙ «ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ» В КУРСЕ ХИМИИ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ Значение понятия «химический элемент» в курсе химии средней школы
  3. 1.4 Химический состав ламинарии и особенности ее применения в хлебопекарных технологиях и других отраслях
  4. 1.3.2 Химический состав зерносырья
  5. Происхождение человека, как творца археологических памятников.
  6. Водородное охрупчивание эксплуатационного происхождения
  7. 3.3. Понятие токсичности и канцерогенности элементов и соединений
  8. Некоторые изменения в биогеохимических круговоротах
  9. Нарушения в биогеохимии органического вещества и связанных с ним биофильных элементов
  10. О БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ ИЗОТОПОВ СЕРЫ В ПОЧВАХ В. В. Буйлов, И. В. Буйлова
  11. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОГЕОХИМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ НА ГЕОГРАФИЧЕСКОМ ФАКУЛЬТЕТЕ В МГУ М.А. Глазовская