Происхождение элементов

Рассматривая распространенность элементов, мы уже обращали внимание на необычность для Вселенной тяжелых изотопов, отли­чающихся не только малой распространенностью, но и радиоактив­ностью. Последнее подтверждало их неустойчивость, чужеродность современным термодинамическим условиям Вселенной. Поэтому мог быть сделан вывод, что возникновение элементов должно было происходить в колоссальных сгущениях вещества при значительном возрастании давления и температуры.

Существующие теории зарождения элементов предполагают два возможных варианта условий:

1) термодинамическое равновесие в среде заряженных частиц либо в нейтронной среде;

2) отсутствие термодинамического равновесия в результате синтеза тяжелых ядер за счет более легких.

Первая из этих теорий принадлежит Г. Н. Покровскому, исходив­шему из идеи первичного идеального газа с Т=10⁹-10¹⁰ °К и энер­гией частиц около п Мэв. При последующем охлаждении такой си­стемы синтез ядер должен был бы прекратиться.

Однако эта теория не смогла разрешить вопрос о современной распространенности тяжелых ядер, оказавшейся на несколько по­рядков больше расчетной.

В 1940 г. В. В. Чердынцев предложил вероятный механизм син­теза ядер в нейтронной среде, отвечающей 0,0 п плотности ядра. При взрыве подобной системы возникали нейтронные ядра и их осколки, путем последующего медленного бета-распада превращав­шиеся преимущественно в четные ядра. По относительной распро­страненности образующиеся элементы должны были бы отвечать современным космическим кларкам элементов. Тем самым эта гипо­теза значительно лучше других объясняла современную распро­страненность элементов.

Теория образования тяжелых ядер из заряженных частиц была впервые предложена Р. Аткинсоном и Ф. Гаутермансом в 1929 г. Предполагаемая среда для протекания таких реакций слияния лег­ких ядер - недра звезд - не позволяла преодолеть температурный барьер. Дальнейшие попытки С. Вейцзеккера привлечь для этого процесса нейтроны, возникающие при ядерных реакциях, наталки­вались на трудности, например возможные реакции альфа-распада, накопление гелия и др.

В 1948 г. на основании сделанного ранее (1934 г.) открытия роли нейтронов в синтезе тяжелых ядер была создана альфа-бета-гамма-теория. Согласно этой теории, кривая сечения захвата σ нейтронов атомными ядрами является функцией атомного веса и зеркальным отражением кривой кларков.

Этот процесс мог протекать в среде плотностью 10^-3 г/см³при Т = 10⁹ °К, то есть в расширяющемся газовом облаке.

Однако эта концепция не объясняет современного преимущест­венного распространения четных ядер, и кроме того, известные дан­ные о сечениях захвата нейтронов в ряде случаев противоречат тео­рии. Так, для РЬ²⁰⁸ и Bi²⁰⁹ σ равны, в то время как распространен­ность РЬ²⁰⁸ в 70 раз больше, чем Bi²⁰⁹.

Из рассмотренных теорий происхождения элементов наиболее рациональна концепция В. В. Чердынцева об исходной плотной ней­тронной среде (10⁷ - 10¹³ г/см³), соответствующей Т = 10¹¹-10¹⁰ °К. Если теперь представить, что подобная среда, вызвавшая образо­вание в первую очередь тяжелых ядер, могла существовать в началь­ную стадию расширяющейся Вселенной, то наблюдающееся сейчас соотношение между элементами должно отвечать термодинамиче­ским равновесиям, установившимся к моменту завершения нуклео­синтеза.

Наиболее образно эту идею выразили Г. Зюсс и Г. Юрей: «Пред­ставляется, что распространенность элементов и их изотопов опре­деляется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество по­хоже на золу космического ядерного пожара, в котором оно было создано».

Если легкие ядра могли возникнуть при термоядерных процессах подобно сгоранию водорода в гелии, то более тяжелые ядра образо­вывались при последовательном захвате нейтронов, в ряде случаев сопровождавшемся бета-распадом.

Можно наметить несколько процессов, ведущих к образованию ныне известных ядер в космосе:

1) «сгорание» водорода с образованием гелия;

2) «сгорание» гелия с образованием С¹², О¹⁶, Ne²⁰;

3) образование Si²⁸, S³², Ar⁴⁰, Ca⁴⁰ при захвате альфа-частиц ядрами О¹⁶ и Ne²⁰;

4) s-процесс — захват медленных нейтронов, приводящий к об­разованию элементов до Bi²⁰⁹ включительно;

5) r-процесс — захват быстрых нейтронов (образование Cf²⁵⁴) (калифорний).

Проведенные наблюдения подтверждают существование и современных процессов нуклеосинтеза. К числу их относятся ката­строфические события в космосе, приводящие к вспышкам Сверх­новых, объясняемых ядерными явлениями.

Так, например, затухание вспышки Сверхновой происходит в течение 60 дней - времени, совпадающего с периодом полурас­пада Cf²⁶⁴. Выделяющаяся при этом энергия порядка 10⁴⁷ эрг может быть обусловлена 10²⁹ г Cf²⁶⁴, возникшего при предшеству­ющих этому событию явлениях ядерного синтеза в недрах сверх­плотных туманностей.

В спектрах некоторых гигантских звезд был обнаружен Тс⁹⁹ (технеций) - радиоактивный изотоп с весьма коротким периодом полураспада (2,16.10⁵ лет). Следовательно, можно полагать, что его появление в таких звездах - сравнительно недавнее событие (менее 1 млн. лет назад).

О «недавнем» преобразовании трансуранов в космических телах можно судить и по аномальным концентрациям I¹²⁹ и Хе¹³⁶, Хе¹²⁹ и метеоритах (П. Курода), поскольку все три изотопа являются продуктами радиоактивного распада Рu²⁴⁴ (плутоний).

Таким образом, обилие изотопов во Вселенной - результат едва ли только крайнего одноактного процесса, относящегося к начальным стадиям расширяющейся Вселенной, но и следствие процесса, регионально протекающего и сейчас в различных районах мироздания и определяющего сложную эволюцию состава вещества Вселенной.

Тестовые вопросы:

1. Определение термина «геохимия» по В.И. Вернадскому.
2. Какие процессы изучает наука геохимия?
3. Основные естественные науки, с которыми связана геохимия.
4. Отраслевая структура геохимии.
5. Перечислить основные направления современной геохимии.
6. Задачи геохимии по А.А. Саукову.
7. Объекты изучения геохимии.