Возникновение химических элементов. Происхождение химических элементов Как образовались элементы во вселенной

Знаменитая фраза Карла Сагана гласит, что мы все сделаны из звездной пыли. Это утверждение, в общем-то, близко к истине. Сразу после Большого взрыва Вселенная состояла из водорода, гелия и небольшого количества лития. Однако эти элементы не годятся для формирования каменных планет. Во Вселенной лишь из водорода и гелия Земля никогда бы не появилась на свет.

К счастью для нас, недра звезд являются настоящей химической кузницей. В ходе реакций синтеза внутри них могут формироваться элементы до железа. Когда звезда превращается в красного гиганта, а затем сбрасывает внешние слои своей атмосферы (стадия планетарной туманности), синтезированные в ее недрах элементы разлетаются по всей галактике и со временем входят в состав газопылевых облаков, из которых рождается следующее поколение звезд и планет.

Все, что тяжелее железа, как правило, синтезируется в результате вспышек сверхновых или же столкновения нейтронных звезд. Именно последние являются главным источником появления таких элементов как золото и платина.

Состав остатка сверхновой Кассиопея А

Представленная ниже инфографика подготовлена командой рентгеновского телескопа Chandra. Она демонстрирует источники происхождения химических элементов в Солнечной системе. Оранжевым показаны элементы, возникшие при взрыве массивных звезд, желтым — в недрах умирающих маломассивных звезд вроде нашего Солнца, зеленым — во время Большого взрыва, голубым — при взрыве белых карликов (сверхновые типа Iа), фиолетовым — при слиянии нейтронных звезд, розовым — из-за космических лучей, белым — синтезированные в лабораториях.

Что касается человеческого тела, то 65% его массы проходится на кислород. Весь кислород в Солнечной системе обязан своим происхождения сверхновым типа II. То же касается примерно 50% всего кальция и 40% железа. Поэтому почти три четверти элементов в нашем теле родилось во время взрывов массивных звезд. 16.5% приходится на вещество выброшенное красными гигантами, 1% на сверхновые типа Iа. Таким образом, утверждение Сагана соответствует действительности примерно на 90%. Именно такая часть наших тел является продуктом звездной эволюции.

В таблице Менделеева, принятой у нас, приводятся русские названия элементов. У подавляющего числа элементов они фонетически близки к латинским: аргон - argon, барий - barium, кадмий - cadmium и т.д. Аналогично называются эти элементы и в большинстве западноевропейских языков. У некоторых же химических элементов названия в разных языках совершенно различны.

Всё это не случайно. Наибольшие отличия в названиях тех элементов (либо их самых распространённых соединений), с которыми человек познакомился в древности или в начале средних веков. Это семь металлов древних (золото, серебро, медь, свинец, олово, железо, ртуть, которые сопоставлялись с известными тогда планетами, а также сера и углерод). Они встречаются в природе в свободном состоянии, и многие получили названия, соответствующие их физическим свойствам.

Вот наиболее вероятное происхождение этих названий:

Золото

С древнейших времен блеск золота сопоставлялся с блеском солнца (sol). Отсюда - русское «золото». Слово gold в европейских языках связано с греческим богом Солнца Гелиосом. Латинское aurum означает «жёлтое» и родственно с «Авророй» (Aurora) - утренней зарёй.

Серебро

По-гречески серебро - «аргирос», от «аргос» - белый, блистающий, сверкающий (индоевропейский корень «арг» - пылать, быть светлым). Отсюда - argentum. Интересно, что единственная страна, названная по химическому элементу (а не наоборот), - это Аргентина. Слова silver, Silber, a также серебро восходят к древнегерманскому silubr, происхождение которого неясно (возможно, слово пришло из Малой Азии, от ассирийского sarrupum - белый металл, серебро).

Железо

Происхождение этого слова доподлинно неизвестно; по одной из версий, оно родственно слову «лезвие». Европейские iron, Eisen происходят от санскритского «исира» - крепкий, сильный. Латинское ferrum происходит от fars - быть твёрдым. Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus - звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно.

Сера

Происхождение латинского sulfur неизвестно. Русское название элемента обычно производят от санскритского «сира» - светло-желтый. Интересно было бы проследить, нет ли родства у серы с древнееврейским серафим - множительным числом от сераф; буквально «сераф» означает «сгорающий», а сера хорошо горит. В древнерусском и старославянском сера - вообще горючее вещество, в том числе и жир.

Свинец

Происхождение слова неясно; во всяком случае, ничего общего со свиньей. Самое удивительное здесь то, что на большинстве славянских языков (болгарском, сербско-хорватском, чешском, польском) свинец называется оловом! Наш «свинец» встречается только в языках балтийской группы: svinas (литовский), svin (латышский).

Английское название свинца lead и голландское lood, возможно, связаны с нашим «лудить», хотя лудят опять же не ядовитым свинцом, а оловом. Латинское же plumbum (тоже неясного происхождения) дало английское слово plumber - водопроводчик (когда-то трубы зачеканивали мягким свинцом), и название венецианской тюрьмы со свинцовой крышей - Пьомбе. Из этой тюрьмы по некоторым данным ухитрился бежать Казанова. А вот мороженое здесь ни при чём: пломбир произошёл от названия французского курортного городка Пломбьер.

Олово

В Древнем Риме олово называли «белым свинцом» (plumbum album), в отличие от plumbum nigrum - чёрного, или обыкновенного, свинца. По-гречески белый - алофос. По-видимому, от этого слова и произошло «олово», что указывало на цвет металла. В русский язык оно попало в XI веке и означало как олово, так и свинец (в древности эти металлы плохо различали). Латинское stannum связано с санскритским словом, означающим стойкий, прочный. Происхождение английского (а также голландского и датского) tin неизвестно.

Ртуть

Латинское hydrargirum произошло от греческих слов «хюдор» - вода и «аргирос» - серебро. «Жидким» (или «живым», «быстрым») серебром ртуть называется также в немецком (Quecksilber) и в староанглийском (quicksilver) языках, а по-болгарски ртуть - живак: действительно, шарики ртути блестят, как серебро, и очень быстро «бегают» - как живые. Современное английское (mercury) и французское (mercure) названия ртути произошли от имени латинского бога торговли Меркурия. Меркурий был также вестником богов, и его обычно изображали с крылышками на сандалиях или на шлеме. Так что бог Меркурий бегал так же быстро, как переливается ртуть. Ртути соответствовала планета Меркурий, которая быстрее других передвигается по небосводу.

Русское название ртути, по одной из версий, - это заимствование из арабского (через тюркские языки); по другой версии, «ртуть» связана с литовским ritu - качу, катаю, происшедшим от индоевропейского рет(х) - бежать, катиться. Литва и Русь были тесно связаны, а во 2-й половине XIV века русский язык был языком делопроизводства великого княжества Литовского, а также языком первых письменных памятников Литвы.

Углерод

Международное название происходит от латинского carbo - уголь, связанного с древним корнем kar - огонь. Этот же корень в латинском cremare - гореть, а возможно, и в русском «гарь», «жар», «угореть» (в древнерусском «угорати» - обжигать, опалять). Отсюда - и «уголь». Вспомним здесь также игру горелки и украинскую горшку.

Медь

Слово того же происхождения, что и польское miedz, чешское med. У этих слов два источника - древненемецкое smida - металл (отсюда немецкие, английские, голландские, шведские и датские кузнецы - Schmied, smith, smid, smed) и греческое «металлон» - рудник, копь. Так что медь и металл - родственники сразу по двум линиям. Латинское cuprum (от него произошли и другие европейские названия) связано с островом Кипр, где уже в III веке до н.э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди. Римляне называли медь cyprium aes - металл из Кипра. В позднелатинском cyprium перешло в cuprum. С местом добычи или с минералом связаны названия многих элементов.

Кадмий

Открыт в 1818 году немецким химиком и фармацевтом Фридрихом Штромейером в карбонате цинка, из которого на фармацевтической фабрике получали медицинские препараты. Греческим словом «кадмейа» с древних времён называли карбонатные цинковые руды. Название восходит к мифическому Кадму (Кадмосу) - герою греческой мифологии, брату Европы, царю Кадмейской земли, основателю Фив, победителю дракона, из зубов которого выросли воины. Кадм будто бы первым нашёл цинковый минерал и открыл людям его способность изменять цвет меди при совместной выплавке их руд (сплав меди с цинком - латунь). Имя Кадма восходит к семитскому «Ка-дем» - Восток.

Кобальт

В XV веке в Саксонии среди богатых серебряных руд обнаруживали блестящие, как сталь, белые или серые кристаллы, из которых не удавалось выплавить металл; их примесь к серебряной или медной руде мешала выплавке этих металлов. «Нехорошая» руда получила у горняков имя горного духа Коболда. По всей видимости, это были содержащие мышьяк кобальтовые минералы - кобальтин CoAsS, или сульфиды кобальта скуттерудит, сафлорит или смальтин. При их обжиге выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка. Вероятно, имя злого духа восходит к греческому «кобалос» - дым; он образуется при обжиге руд, содержащих сульфиды мышьяка. Этим же словом греки называли лживых людей. В 1735 году шведский минералог Георг Бранд сумел выделить из этого минерала не известный ранее металл, который и назвал кобальт. Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет - этим свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне.

Никель

Происхождение названия сходно с кобальтом. Средневековые горняки называли Никелем злого горного духа, а «купферникелем» (Kupfernickel, медный чёрт) - фальшивую медь. Эта руда внешне походила на медную и применялась в стекловарении для окрашивания стекол в зелёный цвет. А вот медь из неё никому получить не удавалось - её там не было. Эту руду - медно-красные кристаллы никелина (красного никелевого колчедана NiAs) в 1751 году исследовал шведский минералог Аксель Кронштедт и выделил из неё новый металл, назвав его никелем.

Ниобий и тантал

В 1801 году английский химик Чарлз Хатчет проанализировал чёрный минерал, хранившийся в Британском музее и найденный ещё в 1635 году на территории современного штата Массачусетс в США. Хатчет обнаружил в минерале оксид неизвестного элемента, который получил название Колумбии - в честь страны, где он был найден (в то время США ещё не имели устоявшегося названия, и многие называли их Колумбией по имени первооткрывателя континента). Минерал же назвали колумбитом. В 1802 году шведский химик Андерс Экеберг выделил из колумбита ещё один оксид, который упорно не хотел растворяться (как тогда говорили - насыщаться) ни в одной кислоте. «Законодатель» в химии тех времён шведский химик Йене Якоб Берцелиус предложил назвать содержащийся в этом оксиде металл танталом. Тантал - герой древнегреческих мифов; в наказание за свои противоправные действия он стоял по горло в воде, к которой склонялись ветви с плодами, но не мог ни напиться, ни насытиться. Аналогично и тантал не мог «насытиться» кислотой - она отступала от него, как вода от Тантала. По свойствам этот элемент настолько был похож на колумбий, что в течение длительного времени шли споры о том, являются ли Колумбий и тантал одним и тем же или всё же разными элементами. Только в 1845 году немецкий химик Генрих Розе разрешил спор, проанализировав несколько минералов, в том числе и колумбит из Баварии. Он установил, что на самом деле существуют два близких по свойствам элемента. Колумбий Хатчета оказался их смесью, а формула колумбита (точнее, манганоколумбита) - (Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6. Второй элемент Розе назвал ниобием, по имени дочери Тантала Ниобы. Однако символ Cb до середины XX века оставался в американских таблицах химических элементов: там он стоял на месте ниобия. А имя Хатчета увековечено в названии минерала хатчита.

Прометий

Его много раз «открывали» в различных минералах при поисках недостающего редкоземельного элемента, который должен был занимать место между неодимом и самарием. Но все эти открытия оказались ложными. Впервые недостающее звено в цепи лантанидов обнаружили в 1947 году американские исследователи Дж. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл, разделив хроматографически продукты деления урана в ядерном реакторе. Жена Кориэлла предложила назвать открытый элемент прометием, по имени Прометея, похитившего у богов огонь и передавшего его людям. Этим подчеркивалась грозная сила, заключенная в ядерном «огне». Жена исследователя оказалась права.

Торий

В 1828 году Й.Я. Берцелиус обнаружил в редком минерале, присланном ему из Норвегии, соединение нового элемента, который он назвал торием - в честь древнескандинавского бога Тора. Правда, название это Берцелиус придумал ещё в 1815 году, когда ошибочно «открыл» торий в другом минерале из Швеции. Это был тот редкий случай, когда сам исследователь «закрыл» якобы обнаруженный им элемент (в 1825 году, когда оказалось, что ранее у Берцелиуса был фосфат иттрия). Новый же минерал назвали торитом, это был силикат тория ThSiO4. Торий радиоактивен; период его полураспада 14 млрд. лет, конечный продукт распада - свинец. По количеству свинца в ториевом минерале можно определить его возраст. Так, возраст одного из минералов, найденного в штате Вирджиния, оказался равным 1,08 млрд. лет.

Титан

Считается, что этот элемент открыл немецкий химик Мартин Клапрот. В 1795 году он обнаружил в минерале рутиле оксид неизвестного металла, который назвал титаном. Титаны - в древнегреческой мифологии гиганты, с которыми боролись боги-олимпийцы. Через два года выяснилось, что элемент «менакин», который обнаружил в 1791 году английский химик Уильям Грегор в минерале ильмените (FeTiO3), тождествен титану Клапрота.

Ванадий

Открыт в 1830 году шведским химиком Нильсом Сефстремом в шлаке доменных печей. Назван в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис, или Вана-Дис. В этом случае тоже выяснилось, что ванадий открывали и раньше, и даже не один раз - мексиканский минералог Андрее Мануэль дель Рио в 1801 году и немецкий химик Фридрих Вёлер незадолго до открытия Сефстрема. Но дель Рио сам отказался от своего открытия, решив, что имеет дело с хромом, а Вёлеру завершить работу помешала болезнь.

Уран, нептуний, плутоний

В 1781 году английский астроном Уильям Гершель открыл новую планету, которую назвали Ураном - по имени древнегреческого бога неба Урана, деда Зевса. В 1789 году М. Клапрот выделил из минерала смоляной обманки чёрное тяжёлое вещество, которое он принял за металл и, по традиции алхимиков, «привязал» его название к недавно открытой планете. А смоляную обманку он переименовал в урановую смолку (именно с ней работали супруги Кюри). Лишь спустя 52 года выяснилось, что Клапрот получил не сам уран, а его оксид UO2.

В 1846 году астрономы открыли предсказанную незадолго до этого французским астрономом Леверье новую планету. Её назвали Нептуном - по имени древнегреческого бога подводного царства. Когда в 1850 году в минерале, привезенном в Европу из США, обнаружили, как полагали, новый металл, его, под впечатлением открытия астрономов, предложили назвать нептунием. Однако вскоре выяснилось, что это был уже открытый ранее ниобий. О «нептунии» забыли почти на целое столетие, пока в продуктах облучения урана нейтронами не обнаружили новый элемент. И как в Солнечной системе за Ураном следует Нептун, так и в таблице элементов за ураном (№ 92) появился нептуний (№ 93).

В 1930 году была открыта девятая планета Солнечной системы, предсказанная американским астрономом Ловеллом. Её назвали Плутоном - по имени древнегреческого бога подземного царства. Поэтому было логично назвать следующий за нептунием элемент плутонием; он был получен в 1940 году в результате бомбардировки урана ядрами дейтерия.

Гелий

Обычно пишут, что его открыли спектральным методом Жансен и Локьер, наблюдая полное солнечное затмение в 1868 году. На самом деле всё было не так просто. Спустя несколько минут после окончания солнечного затмения, которое французский физик Пьер Жюль Жансен наблюдал 18 августа 1868 года в Индии, ему впервые удалось увидеть спектр солнечных протуберанцев. Аналогичные наблюдения провёл английский астроном Джозеф Норман Локьер 20 октября того же года в Лондоне, особо подчеркнув, что его способ позволяет изучать солнечную атмосферу во вне-затменное время. Новые исследования солнечной атмосферы произвели большое впечатление: в честь этого события Парижская академия наук вынесла постановление о чеканке золотой медали с профилями учёных. При этом ни о каком новом элементе речи не было.

Итальянский астроном Анджело Секки 13 ноября того же года обратил внимание на «замечательную линию» в солнечном спектре вблизи известной жёлтой D-линии натрия. Он предположил, что эту линию испускает водород, находящийся в экстремальных условиях. И только в январе 1871 года Локьер высказал идею, что эта линия может принадлежать новому элементу. Впервые слово «гелий» произнёс в своей речи президент Британской ассоциации содействия наукам Уильям Томсон в июле того же года. Название было дано по имени древнегреческого бога солнца Гелиоса. В 1895 году английский химик Уильям Рамзай собрал выделенный из уранового минерала клевеита при его обработке кислотой неизвестный газ и с помощью Локьера исследовал его спектральным методом. В результате «солнечный» элемент был обнаружен и на Земле.

Цинк

Слово «цинк» ввёл в русский язык М.В. Ломоносов - от немецкого Zink. Вероятно оно происходит от древнегерманского tinka - белый, действительно, самый распространённый препарат цинка - оксид ZnO («философская шерсть» алхимиков) имеет белый цвет.

Фосфор

Когда в 1669 году гамбургский алхимик Хеннинг Бранд открыл белую модификацию фосфора, он был поражён его свечением в темноте (на самом деле светится не фосфор а его пары при их окислении кислородом воздуха). Новое вещество получило название, которое в переводе с греческого означает «несущий свет». Так что «светофор» - лингвистически то же самое, что и «Люцифер». Кстати, греки называли Фосфоросом утреннюю Венеру, которая предвещала восход солнца.

Мышьяк

Русское название, наиболее вероятно, связано с ядом которым травили мышей, помимо прочего, по цвету серый мышьяк напоминает мышь. Латинское arsenicum восходит к греческому «арсеникос» - мужской, вероятно, по сильному действию соединений этого элемента. А для чего их использовали, благодаря художественной литературе знают все.

Сурьма

В химии у этого элемента три названия. Русское слово «сурьма» происходит от турецкого «сюрме» - натирание или чернение бровей в древности краской для этого служил тонко размолотый чёрный сульфид сурьмы Sb2S3 («Ты постом говей, не сурьми бровей». - М. Цветаева). Латинское название элемента (stibium) происходит от греческого «стиби» - косметического средства для подведения глаз и лечения глазных болезней. Соли сурьмяной кислоты называют антимонитами, название, возможно, связано с греческим «антемон» - цветок сростки игольчатых кристаллов сурьмяного блеска Sb2S2 похожи на цветы.

Висмут

Вероятно это искажённое немецкое «weisse Masse» - белая масса с древности были известны белые с красноватым оттенком самородки висмута. Кстати в западноевропейских языках (кроме немецкого) название элемента начинается на «b» (bismuth). Замена латинского «b» русским «в» - распространённое явление Abel - Авель, Basil - Василий, basilisk - василиск, Barbara - Варвара, barbarism - варварство, Benjamin - Вениамин, Bartholomew - Варфоломей, Babylon - Вавилон, Byzantium - Византия, Lebanon - Ливан, Libya - Ливия, Baal - Ваал, alphabet - алфавит… Возможно переводчики полагали, что греческая «бета» - это русская «в».

Была выяснена механика движения планет и звёзд. После того как этот рубеж остался позади, мифотворческие концепции происхождения энергии Солнца и звёзд уже не могли восприниматься всерьёз, и хорошо, казалось бы, но изученное астроно́мами небо вдруг покрылось вопросительными знаками. Для проникновения в недра звёзд учёные располагали единственным орудием - «аналитической бурово́й машиной» собственного мозга, по выражению английского астрофизика Артура Стэнли Э́ддингтона (1882-1944).

Первым выдвинул идею о возможности «перекачки» звёздной массы в энергию через термоядерные реакции синтеза гелия и водорода (1920 г.). Он писал: «Внутренние области звезды представляют собой смесь из атомов, электронов и волн эфира (так учёный называет электромагнитные волны). Мы должны призвать на помощь новейшие достижения атомной физики для того́, чтобы понять законы этого хаоса. Мы начали исследовать внутреннее строение звезды; вскоре мы обнаружили, что исследуем внутреннее строение атома». И далее: «...необходимая энергия может освободиться при перегруппировке протонов и электронов в атомных я́драх (превращение элементов) и гораздо бо́льшая энергия - при их аннигиляции... Тот или другой процесс может быть использован для получения солнечного тепла...».

О каких же этапах звёздных биографий может рассказать современная наука?

Сразу оговоримся: существующие представления о происхождении и развитии звёзд, несмотря на широкое признание, пока не вступили в права незы́блемой теории. Много сложных вопросов ещё ждут ответа. Однако эти представления, по-видимому, достаточно правильно обрисо́вывают контуры звёздной эволюции. Бытие звезды начинается с огромного холодного облака газа, состоящего в основном из водорода. Под действием сил тяготения оно постепенно сжима́ется. Потенциальная гравитационная энергия частичек газа переходит в кинетическую, т.е. тепловую, около половины которой расходуется на излучение. Остальная идёт на разогрев образующегося в центре плотного сгустка - ядра́. Когда температура и давление в ядре возрастают настолько, что становятся возможными термоядерные реакции, начинается самый долгий этап эволюции звезды - термоядерный. Часть энергии, выделяющейся в её ядре при синтезе гелия из водорода, уно́сится в мировое пространство всепроника́ющими нейтрино, а основная доля переносится к поверхности светила γ-квантами и частицами сильно ионизованного газа. Этот истекающий от центра поток энергии противостоит давлению внешних слоёв и препятствует дальнейшему сжатию. Такое равновесное состояние звезды с массой, вдвое превышающей массу Солнца, длится почти 10 млрд. лет.

После того как большая часть водорода в ядре вы́горела, энергии для поддержания равновесия уже не хватает. «Термоядерный реактор» звезды постепенно переходит на новый режим. Звезда сжима́ется, давление и температура в её центре возрастают, и примерно при 100 млн. градусов в реакции наряду́ с протонами вступают я́дра гелия. Синтезируются более тяжёлые элементы - углерод, азот, кислород, а от центра звезды к поверхности, подобно одному из кругов, разбега́ющихся по воде от брошенного камня, движется слой, в котором продолжает сгорать водород.

Со временем исчерпываются и ресурсы гелия. Звезда ещё сильнее сжима́ется, температура в её центре повышается до 600 млн. градусов. Теперь в реакциях участвуют ядра с Z > 2 . А к периферии движется слой сгорающего гелия.

Шаг за шагом вещество в ядре занимает всё новые клетки в таблице Менделеева и при 4 млрд. градусов «добирается» наконец до желе́за и элементов, близких к нему по массе ядра́. У этих элементов максимальный дефект масс, т.е. энергия связи в я́драх наибольшая, и они представляют собой «шлак» «термоядерных звёздных реакторов»: никакие ядерные реакции более не способны извлечь из них энергию. А раз так, невозможно и дальнейшее выделение энергии за счёт реакций синтеза - термоядерный период звезды закончился. Дальнейший ход эволюции вновь определяется гравитационными силами, сжима́ющими звезду. Начинается её гибель.

Как именно будет умирать звезда, зависит от её массы. Например, звёздам с массой, превышающей две солнечные, уготован самый драматический конец. Силы тяготения оказываются настолько мощными, что осколки раздавленных атомов - электроны и я́дра - образуют как бы два растворённых друг в друге газа - электронный и ядерный. Хотя ход эволюции таких звёзд на стадиях, следующих за выгора́нием лёгких элементов, не может считаться точно установленным, тем не менее существующая теория признаётся большинством астрофизиков. Своим успехом эта теория прежде всего обязана тому, что предлагаемый ею механизм образования химических элементов и предска́зываемая распространённость элементов во Вселенной хорошо согласуются с данными наблюдений.

Итак, массивная звезда исчерпа́ла все запасы ядерного горючего. Последовательно нагрева́ясь до нескольких миллиардов градусов, она обратила основную часть вещества в ядерную золу́ - элементы группы желе́за с атомными массами от 50 до 65 (от вана́дия до цинка). Дальнейшее сжатие звезды приводит к нарушению стабильности образовавшихся я́дер, которые начинают разрушаться. Их осколки - alfa -частицы, протоны и нейтроны - вступают в реакции с я́драми группы желе́за и соединяются с ними. Образуются более тяжёлые элементы, тоже вступающие в реакции, - заполняются следующие клетки периодической таблицы. Из-за чрезвычайно высоких температур эти процессы протекают очень быстро - в течение нескольких тысячелетий.

«Тяжёлая» область таблицы Менделеева

При делении я́дер группы желе́за, как и при слиянии с ними нуклонов и лёгких я́дер (в реакциях синтеза, приводящих к заполнению «тяжёлой» области таблицы Менделеева), энергия не выделяется, а, наоборот, поглощается. В результате сжатие звезды всё убыстряется. Электронный газ более не способен противостоять давлению газа ядерного. Наступает коллапс - за несколько секунд ядро звезды претерпевает катастрофическое сжатие: оболочка звезды обрушивается, «взрывается внутрь». Плотность вещества увеличивается настолько, что даже нейтри́но не могут покинуть звезду. Однако «пленение» мощного нейтринного потока, уносящего большую часть энергии коллапси́рующего ядра звезды, не длится долго. Рано или поздно импульс «запертых» нейтри́но сообщается оболочке, и она сбрасывается, увеличивая в миллиарды раз свечение звезды.

Астрофизики считают, что именно так вспыхивают сверхновые звёзды. Гигантские взрывы, сопровождающие эти события, выбрасывают в межзвёздное пространство значительную часть вещества звезды: до 90% её массы.

Крабовидная туманность, например, представляет собой взорва́вшуюся и расширя́ющуюся оболочку одной из самых ярких сверхновых. Вспышка её произошла, как свидетельствуют звёздные летописи китайских и японских астрономов, в 1054 г. и была необычайно яркой: звезду видели даже днём в течение 23 суток. Измерения скорости расширения Крабовидной туманности показали, что за девять веков она могла достигнуть своих нынешних размеров, т. е. подтвердили дату её рождения. Однако гораздо более весомое доказательство правильности изложенной модели и основанных на ней теоретических предсказаний мощности нейтринного потока было получено 23 февраля 1987 г. Тогда астрофизики зарегистрировали нейтринный импульс, которым сопровождалось рождение сверхновой в Большом Магеллановом Облаке.

В них обнаружили линии тяжёлых элементов, на основании чего немецкий астроном Ва́льтер Бааде (1893-1960 г.) пришёл к выводу, что Солнце и большинство звёзд представляют собой по крайней мере второе поколение звёздного населения. Материалом для этого второго поколения послужили межзвёздный газ и космическая пыль, в которую превратилось вещество сверхновых более раннего поколения, рассеянное их взрывами.

Не могут ли во взрывах звёзд рождаться я́дра сверхтяжёлых элементов? Ряд теоретиков такую возможность допускают.

Уважаемые посетители!

У вас отключена работа JavaScript . Включите пожалуйста скрипты в браузере, и вам откроется полный функционал сайта!

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http :// www . allbest . ru /

Возникновение химических элементов

1. Возникновение Вселенной

Большинство космологов полагает, что Вселенная возникла как плотный сгусток вещества и энергии, который начал расширяться примерно 18 млрд. лет тому назад. Образование элементов уходит своими корнями к Большому взрыву. Возникновение элементов в результате Большого взрыва впервые было обосновано Гамовым в 1946 г. (Gamov, 1946).

По Гамову на ранних этапах образования Вселенной температуры и давления были экстремально высокими, при этом протоны, нейтроны, электроны и нейтрино находились в равновесии. Когда Вселенная начала расширяться, температура упала, и состояние равновесия нарушилось. Гамов полагал, что последовательное повторение процессов -распада и захвата нейтронов привело к образованию тяжелых элементов. Потребовалось всего около 20 мин. для возникновения всех ныне существующих элементов, но в настоящее время полагают, что во время Большого взрыва образовались легкие элементы, которые затем посредством ядерных реакций внутри звезд дали начало элементам с атомным номером 6 и выше (Озима, 1990).

Исходно, большая часть материи существовала в виде энергии. Вещество начало оформляться по мере остывания. Общая картина возникновения элементов может быть выражена следующей схемой.

«Горение» водорода. В процессе ядерного синтеза атомы водорода сливаются вместе, образуя атом гелия и высвобождая энергию. Масса частиц, из которых состоит гелий, составляет: 2 протона (по 1,0076) и 2 нейтрона (по 1,0089) = 2 1,0076+2 1,0089 = 4,033. Ядро атома гелия имеет массу 4,0028. Уменьшение в 0,0302 единицы массы называется дефектом массы, который в соответствии с уравнением Эйнштейна E = mc2 эквивалентен 4,512 Дж атом-1. Этот процесс требует температуры 107 - 108 K:

«Горение» гелия происходит при температуре > 108 K и давлении 105 г см2.

2. Образование звезд

Водород и другие легкие элементы рассеялись во вселенной и, сгруппировавшись, образовали звезды. Под действием собственной силы тяжести звезды начали постепенно сжиматься, что приводило к повышению температуры. Когда температура в центре каждой из звезд достигла нескольких миллионов градусов, атомы водорода объединились и образовали атомы гелия, т.е. произошла реакция «горения» ядер. Затем возникли атомы C и других тяжелых элементов.

Таким образом, элементарный состав Вселенной определяется ядерными процессами в звездах. Так, температура 108 K возможна внутри звезды с массой равной массе нашего солнца. Внутри солнца постоянно идет процесс ядерных превращений:

Рис. 1. Схематическое изображение нашего солнца

Видно, что эти реакции можно представить в виде автокаталитического цикла, известного как углеродный цикл Бете - фон Вайцзекера (рис. 2).

Размещено на http :// www . allbest . ru /

Рис. 2. Углеродный цикл Бете - фон Вайцзекера

В звездах с большими массами температуры выше и там идут процессы синтеза более тяжелых элементов. В звездах тяжелее солнца вдвое (рис. 3):

Рис. 3. Звезды вдвое (а), втрое (б) тяжелее Солнца и звезда перед взрывом сверхновой (в).

Звезды с массой 20 солнечных масс (рис. 3) способны к синтезу всех элементов, вплоть до железа. Но реакции «горения» ядер не могут развиваться дальше образования ядер Fe. После этого подобная реакция приводит к энергетической нестабильности ядер. Ядра Fe можно считать завершением термоядерных реакций (r-процессов). Железо (№ 26) имеет наиболее стабильное ядро. Каждый шаг ядерного синтеза от гелия до железа освобождает энергию и формирует более устойчивое ядро (рис. 4). С ходом времени количество водорода и гелия во Вселенной уменьшается, тяжелых элементов - возрастает. Относительная распространенность элементов во Вселенной приведена на рис. 5.

Рис. 4. Устойчивость ядер химических элементов

Ядра всех элементов после железа менее устойчивы, чем исходный материал, и не могут использоваться для образования энергии звезд. Элементы от № 27 (Mg) до № 92 (U) образуются, когда звезда истощает свое ядерное топливо, коллапсирует и взрывается как сверхновая. Ударная волна от взрыва сверхновой производит избыточную энергию, необходимую для синтеза элементов тяжелее железа.

Рис. 5. Относительная распространенность элементов во Вселенной.

Нейтроны возникают в звездах при «горении» Не. Поскольку они лишены заряда, они сравнительно легко включаются в ядра. Поглощая нейтроны и претерпевая реакции -распада ядра постепенно «тяжелеют». Эта реакция называется s-процессом. Считается, что Bi - конечный продукт s-процесса. Некоторые из образующихся элементов нестабильны и спонтанно распадаются до более стабильных веществ. Этот процесс, ядерный распад, идет с освобождением энергии.

3. История арены действия химии окружающей среды

Возникновение Солнечной системы

Сейчас общепринято, что элементы, составляющие в настоящее время Солнечную систему и нашу Землю, в большинстве своем возникли в результате ядерных реакций в звездах. Исключение составляют Н (полагают, что он существует с момента образования Вселенной), Не и нескольких легких элементов (D, Li, Be, B), которые образовались из Н во время Большого взрыва (Озима, 1990).

Поскольку скорость распада большинства тяжелых элементов хорошо известна, можно рассчитать точный возраст веществ, содержащих долгоживущие изотопы. Так был установлен возраст нашей Солнечной системы? 5 млрд. лет. Так как масса Солнца недостаточна для образования тяжелых элементов, следует полагать, что Солнечная система образовалась на месте взрыва сверхновой звезды. Гравитационные силы собрали рассеянное вещество. Большая часть его сконцентрировалась в виде Солнца, достаточно горячего для начала процесса ядерного синтеза.

Планеты Солнечной системы образовались, по-видимому, из дискообразного облака горячих газов, остатков взрыва сверхновой звезды. Сконденсировавшиеся пары образовали твердые частицы, объединившиеся в небольшие тела (планетезимали), в результате срастания которых возникли плотные внутренние планеты (от Меркурия до Марса). Крупные внешние планеты, будучи более удалены от Солнца, состоят из газов меньшей плотности, конденсация которых происходила при гораздо более низких температурах.

Практически все атомы нашей системы сконцентрированы в Солнце, где сосредоточено более 99,9 % массы всего вещества системы. С точки зрения химического состава Солнечной системы в целом, Земля состоит главным образом из кислорода и нелетучих элементов (таких как Fe, Mg, Si), причем доля последних << 0,1 % от общего числа атомов Солнечной системы (Озима, 1990).

Большинство элементов образовались до формирования Солнечной системы, во время взрыва Сверхновой, но некоторые появились после, при распаде радиоактивных изотопов. Например, установлено, что практически весь (более 99 %) аргон, который составляет около 1 % земной атмосферы, возник в результате реакции распада 40K 40Ar в недрах Земли после ее формирования и впоследствии улетучился. Все остальные элементы, кроме радиогенных Радиогенные элементы - элементы, возникшие в результате ядерных реакций распада., уже существовали до возникновения Солнечной системы.

Возникновение и история Земли

Образование Земли

Образование Земли было связано с аккумуляцией вещества солнечного газа. Относительно способа аккумуляции единого мнения не существует. В настоящее время имеются три главные гипотезы (Войткевич, 1988).

Гомогенная аккумуляция. Современное оболочечное строение Земли возникло лишь в ходе разогревания, частичного плавления и дифференциации первично гомогенного земного вещества.

Гетерогенная аккумуляция. Сначала возникло металлическое ядро, затем на него осели поздние конденсаты в виде силикатов, образовавшие мощную мантию.

Частично гетерогенная аккумуляция. Наибольшая разница в составе существовала лишь между центральными частями планеты и ее поверхностными слоями. Первоначально между ядром и мантией не было резких границ, установившихся позже.

Большая часть планетарного вещества сгруппировалась 4,56-4,7 млрд. лет назад. Масса планеты продолжала нарастать и через некоторое время стала достаточной для удержания атмосферы (4,4 млрд. лет назад).

Старейшие породы на Земле - цирконы западной Австралии, возраст которых около 4,1-4,3 млрд. лет. Тепло, выделяемое сначала благодаря процессу аккреции, а затем и радиоактивному распаду, расплавило сердцевину планеты и дало начало геотермальному циклу. Это вызвало дифференциацию элементов, впервые объясненную В. М. Гольдшидтом.

Первичная дифференциация элементов осуществлялась по их химическому сродству к железу, что естественно, поскольку железо составляет 35 % массы Земли.

В.М. Гольдшмидт разделил элементы на 4 группы:

Сидерофилы - восстанавливаются железом;

Литофилы - не восстанавливаются железом и склонны к образованию окислов;

Халькофилы - элементы не восстанавливающиеся железом и образуют сульфиды;

Атмофилы - элементы, улетучившиеся в атмосферу.

Элементы, занимающие минимумы на кривой атомных объемов, дают сплавы с железом, в ходе дифференциации они образовали земное ядро (сидерофильные элементы). Ионы сидерофилов (11 элементов) имеют оболочку из 8-18 электронов. Редокс потенциал их равен или выше, чем у железа. Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Mo, W, Re, Au, Ge, Sn составляют большую часть полиметаллических руд. Они тесно перемежаются с элементами, обнаруживая повышенное сродство к сере, мышьяку, а также фосфору, углероду и азоту.

Элементы, занимающие максимумы на кривой и расположенные на ее нисходящих частях, обладают сродством к кислороду (54 элемента), они образовали земную кору и верхнюю мантию (литофильные элементы). Образуют ионы с 8-электронной оболочкой. Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Sc, Y, Редкоземельные элементы, Si, Ti, Zr, Hf, Th, P, V, Nb, Ta, Cr, U, F. Cl, Br, I, Mn К этой группе относят и «факультативные» литофильные элементы: C, P, W, H, Tl, Ga, Ge, Fe. входят в состав силикатных, алюмосиликатных горных пород, образуют сульфатные, карбонатные, фосфатные, боратные и галогенидные минералы.

Элементы, занимающие восходящие части кривой, обладают сродством к сере, селену, теллуру (19 элементов), они сосредоточились в нижней мантии (халькофильные элементы). Имеют оболочку из 18 электронов. Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Bp, As, Sb, Bi, S, Se, Te Fe, Mo, Ca - «факультативные» халькофилы. образуют многочисленную группу сульфидных и теллуридных минералов. Они могут встречаться в самородном состоянии.

Инертные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) относятся к атмофильной группе. Их атомы (кроме He) имеют 8-электронную оболочкой.

В настоящее время выделяют еще и биофилы. Биофильные элементы - это так называемые элементы жизни. Они делятся на макробиогенные (H, C, N, O, Cl, Br, S, P, Na, K, Mg, Ca) и микробиогенные (V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Si, Mo, F).

Современная биогеохимическая классификация элементов приведена в таблице 1.

Таблица 1 Биогеохимическая классификация элементов

гамов вселенная биогеохимический термоядерный

Дифференциация мантии и образование геосфер

В процессе формирования планеты выплавлялись легкоплавкие, но тяжелые компоненты (железосернистые массы), опускавшиеся к центру и образовавшие ядро. При этом из первичной мантии увлекались к ядру сидеро- и халькофильные элементы. Одновременно менее легкоплавкие силикатные массы образовывали базальтовую магму, а затем и базальтовую кору океанического типа. В этот процесс вовлекались преимущественно лито- и атмофильные элементы.

При плавлении и дегазации верхней мантии на поверхность Земли поступала базальтовая магма, несущая растворенные в ней воду и газы. И первичная атмосфера, и первичная гидросфера Земли возникли за счет дегазации мантии. Из паров мантийного материала возникла кислая, сильно минерализованная гидросфера, изначально богатая анионами F-, Cl-, Br-, I-. Пресные воды образовались в результате естественной дистилляции. Тогда же образовалась и восстановительная первичная атмосфера.

Эволюция атмосферы

Атмосфера состоит из газов, окружающих Землю, и ее состав существенно менялся с момента образования планеты. Долгое время господствовала точка зрения, что первичная атмосфера Земли состояла преимущественно из аммиака и метана.

Первая атмосфера Земли была потеряна в космосе в первый миллион лет после аккреции. Эта атмосфера состояла из газов, заключенных внутри планетоидов, сформировавших Землю. Состояла она из углекислоты и азота со следовыми количествами метана, аммиака, двуокиси серы и соляной кислоты. Кислород отсутствовал.

Вторая атмосфера Земли предположительно содержала двуокись углерода, азот, воду. С охлаждением поверхности планеты образовались океаны, начались гидрологический цикл и процессы выветривания. Кроме того, океаны стали интенсивно поглощать углекислоту. Условия, существовавшие на поверхности планеты в те времена, по большей части неизвестны, поскольку интенсивность солнечного излучения была ниже современной на 30 %, а точный состав атмосферы неясен.

Бактериальный фотосинтез начался между 3,5-4 млрд. лет назад, но практически весь кислород поглощался океаном (в основном ионами железа). Два миллиарда лет тому назад кислород начал поступать в атмосферу, и современный состав атмосферы сформировался примерно 1,5 млрд. лет назад. В атмосфере кислород под действием ультрафиолетового излучения образовал озон. Озон выступил в качестве фильтра жесткой солнечной радиации, позволив жизни выйти на сушу из океана.

Возникновение жизни

Возникновение биосферы относится к самым ранним периодам развития планеты. Первые известные окаменелые остатки живых организмов (возраст - 3,55 млрд. лет), были обнаружены в Западной Австралии Уильямом Шопфом. Они чрезвычайно похожи по структуре на современных цианобактерий (иначе называемых сине-зелеными водорослями), достаточно высокоразвитых фотосинтетиков. Геохимические данные свидетельствуют о том, что фотоавтотрофная жизнь на планете существовала 4 млрд. лет тому назад. С биологической точки зрения ей должна была бы предшествовать жизнь гетеротрофная. Но, как и, главное, когда она успела возникнуть?

Многовековая борьба за доказательство невозможности возникновения живого из неживого, завершилась триумфальными экспериментами Л. Пастера, которые поставили, казалось бы, точку в этом споре. Но, тогда оказалось, что жизнь могла быть сотворена лишь Богом. С этим не могла смириться материалистическая наука ХХ в. А. И. Опарин в 1924 г., а затем Дж. Холдейн в 1929 г. выдвинули гипотезы биогенеза - возможности самопроизвольного зарождения жизни на Земле (см. Опарин, 1960; Бернал, 1969). Вообще говоря, было создано множество гипотез зарождения жизни, экспериментальной базой которых послужила, главным образом возможность синтеза простейших органических соединений в условиях древней Земли, как мы их себе сейчас представляем. Толчком к этому послужило открытие Миллером легкости образования аминокислот из неорганических предшественников (Miller, 1953). Как пишет Л. Маргелис (1983, с. 76): «Пуристы злословили, что это якобы никуда не годная экспериментальная органическая химия, состоящая в том, что создают среду, предположительно сходную с гадейской Гадейский эон, который начался, когда Земля превратилась в сплошное твердое тело., вносят в нее неорганические реагенты и подводят энергию, а затем среди продуктов реакций разыскивают молекулы, имеющие важное значение для современной жизни». Этот подход породил множество работ, доказывавших возможность синтеза достаточно сложных органических веществ в условиях древней Земли (см. например работы Горовица (Horowitz, 1962), Понампернума (Ponnamperuma, 1968), Фокса (1975), очерк Н. Л. Добрецова (2005) и мн. др.). Вместе с тем, «данные космохимии метеоритов, астероидов и комет свидетельствуют, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением» (Войткевич, 1988, с. 105).

Любой человек, знающий биологию хотя бы в пределах элементарного курса, представляет себе, что для возникновения жизни были необходимы:

эволюция малых молекул;

образование из них полимеров;

возникновение у них каталитических функций;

самосборка молекул;

возникновение мембран и создание доклеточной организации;

возникновение механизма наследственности;

образование клетки.

Если мы обратимся к С. Лему, более известному как писателю-фантасту, чем ученому, то и он пишет: «Осуществление каждого определенного этапа на пути к появлению праклетки обладало определенной вероятностью. Возникновение аминокислот в первичном океане под действием электрических разрядов было, например, вполне вероятным, образование из них пептидов - немного менее, но также в достаточной мере осуществимым; зато спонтанный синтез ферментов составляет - с этой точки зрения - явление сверхнеобычное» (Лем, 2002, с. 48). И, далее: «Термодинамика может еще «проглотить» случайное возникновение белков в растворе аминокислот, но самозарождение ферментов уже не проходит… Число возможных ферментов больше числа звезд во всей Вселенной. Если бы белкам в первичном океане пришлось дожидаться спонтанного возникновения ферментов, это могло бы с успехом длиться целую вечность» (Лем, 2002, с. 49). Зарождение жизни, в результате, доказывается лишь «простым фактом, что мы существуем и, стало быть, сами являемся косвенным аргументом в пользу биогенеза» (Лем, 2002, с. 50).

К такому же выводу приходит далеко не фантаст, а Лауреат Нобелевской премии, один из основоположников современной молекулярной биологии, соавтор открытия ДНК - «молекулы жизни», Ф. Крик, который, специально остановившись на ничтожно малой вероятности самозарождения жизни, далее пишет: «Сам факт того, что мы находимся здесь, обязательно означает, что жизнь действительно зародилась» (Крик, 2002, с. 77).

В.И. Вернадский вообще полагает, что «должны оставаться без рассмотрения все вопросы о начале жизни на Земле, если оно было… Эти вопросы вошли в науку извне, зародились вне ее - в религиозных или философских исканиях человечества… Все нам известные, точно установленные факты ни в чем не изменятся, если даже все эти проблемы получат отрицательное решение, т. е. если бы мы признали, что жизнь всегда была и не имела начала, что живое - живой организм - никогда и нигде не происходил из косной материи и что в истории Земли не было вообще геологических эпох, лишенных жизни» (Вернадский, 2004, с. 53).

Критические уровни содержания кислорода в атмосфере

По Л. Беркнеру и Л. Маршаллу (1966, цит. по Перельман, 1973) в абиогенную эпоху содержание кислорода не превышало 0,1 % от современного уровня. Кислород образовывался за счет фотодиссоциации воды. Жизнь в таких условиях могла развиваться только в водоемах глубиной более 12 м. По достижении уровня содержания кислорода 1 % от современного создалась возможность поглощения ультрафиолета. Область жизни значительно расширилась, поскольку стало достаточно 30 см воды для задержания ультрафиолета. Этот уровень был достигнут в начале палеозойской эры (примерно 600 млн. лет тому назад). Всего за 20 млн. лет возникло множество новых видов, ускорилось накопление кислорода в атмосфере. Уже через 200 млн. лет (конец силура, 400-420 млн. лет назад) содержание кислорода достигло 10 % от современного. Озоновый экран стал настолько мощен, что жизнь смогла выйти на сушу. Это привело к новому взрыву эволюции.

Этапы эволюции биосферы

Царство млекопитающих и покрытосеменных растений наступило 60 млн. лет назад, т.е., биосфера приобрела облик близкий современному. 6 млн. лет назад возникла группа приматов, являющихся прямыми и непосредственными предками современного человека, - гоминиды. 600 тыс. лет тому назад появился человек разумный, примерно 60 тыс. лет назад овладевший огнем и, таким образом, резко выделившийся из природы. Возникновение современной цивилизации можно отнести к периоду примерно 6 тыс. лет тому назад, а зарождение современного способа производства и начало Нового времени.

6 веков тому назад. Глобальных масштабов антропогенное воздействие на окружающую среду достигло, пожалуй, к середине ХХ века.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Количественная оценка распределения химических элементов. Закономерности в распределении кларков. Изучение спектров звезд. Процессы образование химических элементов. Превращение водорода в гелий. Оценка состава Земли. Кларки элементов для земной коры.

реферат , добавлен 16.05.2013


Классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра - графическое выражение периодического закона Д.И. Менделеева: история открытия, структура и роль в развитии атомно-молекулярного учения.

презентация , добавлен 26.09.2012


Классификация химических элементов, их положение в периодической системе. Отличия элементов по степени заполнения различных электронных орбиталей (s, p, d, f) электронами. Биологическая роль исследуемых элементов и применение их соединений в медицине.

презентация , добавлен 01.10.2014


Описание интересных фактов открытия ряда элементов таблицы Менделеева. Свойства химических элементов, происхождение их названий. История открытия, в отдельных случаях получения элементов, их значение в народном хозяйстве, сфера применения, безопасность.

реферат , добавлен 10.11.2009


Геохимическая классификация химических элементов по Гольдшмидту: сидерофильные, халькофильные, литофильные и атмофильные. Внешние и внутренние факторы миграции химических элементов. Природные и техногенные геохимические барьеры и их разновидности.

контрольная работа , добавлен 28.01.2011


Понятие о химических элементах и простых телах, свойства химических элементов. Химические и физические свойства соединений, образуемых элементами. Нахождение точного соответствия между числами, выражающими атомные веса элементов, их место в системе.

реферат , добавлен 29.10.2009


Структура периодической системы химических элементов: история и современность. Структурная организация электронных систем в плоскости орбитального квантового числа и электронных подоболочек. Исторические предпосылки возникновения теории Нурлыбаева.

курсовая работа , добавлен 22.01.2015


История открытия и место в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева галогенов: фтора, хлора, брома, йода и астата. Химические и физические свойства элементов, их применение. Распространённость элементов и получение простых веществ.

презентация , добавлен 13.03.2014


Периодическая система химических элементов. Строение атомов и молекул. Основные положения координационной теории. Физические и химические свойства галогенов. Сравнение свойств водородных соединений. Обзор свойств соединений p-, s- и d-элементов.

лекция , добавлен 06.06.2014


Химические свойства элементов s-блока периодической системы. Механизмы образования осадков элементов групп IА и IIА. Возникновение разности потенциалов на клеточных мембранах. Электронное строение и биологический антагонизм натрия, калия, кальция, магния.

Месяц назад, 16 октября, от гравитационно-волновых обсерваторий «LIGO», «Virgo» и целого ряда иных крупных международных научных групп поступило сообщение касательно крайне значимого для астрономии современности открытия. Свыше 70 обсерваторий, специализирующихся в плане всех диапазонов электромагнитного спектра, а ещё все 3 функционирующие гравитационно-волновые обсерватории в первый раз подробно продемонстрировали информацию касательно слияния двух звёзд нейтронного типа. В данном материале мы поведаем, что же именно увидели учёные и какие ответы касательно вопросов о нашей Вселенной были получены благодаря новому исследованию.

Как всё это было?

В этом году, 17 августа, в 15:41:04 по Москве детектор обсерватории «LIGO», находящейся в Хенфорде, что в Вашингтоне, уловил рекордно длинную волну гравитации. Сигнал длился приблизительно сто секунд. Это весьма большой временной промежуток, ведь прежние 4 фиксации волн гравитации длились не больше трёх секунд. В этом случае сработала автоматическая программ оповещения. Астрономами осуществлена проверка сведений, в результате чего было выявлено, что, оказывается, 2-ой детектор «LIGO», располагаемый в Луизиане, тоже уловил волну, но в этом же случае автоматический триггер не сработал ввиду краткосрочных шумов.

На 1,7 сек. позднее первого детектора, независимо от него же, сработала автоматическая система телескопов «Интеграл» и «Ферми», являющихся космическими гамма-обсерваториями, наблюдающими за одними из самых высокоэнергетических событий всей Вселенной. Приборами была зафиксирована яркая вспышка и приблизительно определены её же координатные данные. Вспышка же здесь длилась всего-навсего 2 сек. в отличие от сигнала гравитации. Примечательно, что российско-европейским «Интегралом» был замечен гамма-всплеск, так сказать, «боковым зрением», то есть «защитными кристаллами» главного детектора. Однако, это не стало помехой процессу триангуляции сигнала.

Приблизительно спустя час «LIGO» распространила информацию касательно потенциально возможных координатных данных источника волн гравитации. Установка данной области осуществилась за счёт того, что сигнал был замечен и детектором «Virgo». Задержки, с которыми устройства получали сигнал, сказали, что, скорее всего, источник располагается на юге, ведь сначала сигнал уловил «Virgo», а только после этого, как прошло 22 миллисекунды, его зафиксировала и обсерватория «LIGO». Изначально область, которую рекомендовали в целях поиска, доходила до 28 квадратных градусов. Этот показатель эквивалентен сотням лунных площадей.

На следующем этапе было осуществлено объединение информации гамма- и гравитационных обсерваторий в единое целое и начался поиск точного источника излучения. Физиками было инициировано в миг несколько оптических поисков, ведь и гамма-телескопы, и гравитационные обсерватории не давали возможности нахождения требуемой точки с высокой точностью.

Один из поисков осуществлялся посредством применения роботизированной системы телескопов под названием «МАСТЕР», которая была создана в ГАИШ МГУ.

Именно чилийский метровой телескоп «Swope» сумел найти среди тысяч потенциальных кандидатов требуемую вспышку. Он это сделал спустя 11 ч. после гравитационных волн. Астрономами была зафиксирована новая светящаяся точка в галактике «NGC 4993», находящейся в созвездии Гидры. Яркость данной точки была не выше 17 звёздной величины. Подобный объект находится в доступности для наблюдения с применением полупрофессиональных телескопов.

Спустя приблизительно час после этого, невзирая на «Swope», источник был найден ещё четырьмя обсерваториями, включая телескоп сети «МАСТЕР» из Аргентины. Затем же и началась глобальная наблюдательная компания, в которой задействовали телескопы Южной европейской обсерватории, такие знаменитые аппараты, как «Чандра» и «Хаббл», массив радиотелескопов VLA и ещё куча иных приборов. В совокупности за развитием событие наблюдали 70 учёных коллективов. Спустя 9 дней астрономы сумели добиться получения изображения в рентгеновском диапазоне, а через 16 же дней – даже в радиочастотном. Через какое-то время светило стало ближе к галактике, а в сентябре же наблюдения оказались невозможными.

Почему произошёл взрыв?

Столь характерную картину взрыва во множестве электромагнитных диапазонов предсказали и описали уже давно. В ней показывается столкновение двух звёзд нейтронного типа, являющихся ультракомпактными объектами, состоящими из нейтронной материи.

Учёные утверждают, что масса звёзд нейтронного типа доходит до 1,1 и 1,6 солнечной массы, что в сумме даёт 2,7. Впервые волны гравитации образовались при достижении расстояния между объектами в 300 км.

Неожиданным оказалось малое расстояние от данной системы до нас. Оно равнялось 130 млн. световых лет, а ведь это всего лишь в 50 раз больше, нежели расстояние от нас до туманности Андромеды, а также практически на порядок наоборот меньше расстояния от нас до чёрных дыр, которые столкнулись, как нам показывают «LIGO» и «Virgo». Также столкновение это выступили самым близким к нам источником короткого гамма-всплеска.

Что представляют собой звёзды нейтронного типа?

Эти уникальные звёзды формируются при так называемых коллапсах гигантов и сверхгигантов, имеющих массы, в 10-25 раз превышающие солнечную массу. Как можно описать их рождение? Вначале на определённом этапе масса звёздного ядра становится выше предела Чандрасекара, равного 1,4 массы Солнца. В этот момент как раз происходит нарушение равновесия между ядерной гравитацией, которая притягивает внешний слой звезды, и давлением электронов, которое выступает препятствием для процесса сжатия. Звезда же начинает сжатие, то есть коллапсирование. Показатели плотности и температуры ядерного вещества внезапно повышаются, протоны начинают захватывать электроны в результате чего образуются нейтроны, и при этом происходит выброс нейтрино. Спустя определённого время ядро уже почти полностью представляет собой множество нейтронов.

Энергетические выбросы, возникающие вследствие протон-электронных соединений, приводят к разрыву звёздной оболочки и уносят её же материал. Таким образом, возникает как раз взрыв сверхновой. В результате мы видим плотное ядро, имеющее тонкую оболочку и состоящее из нейтронов. Показатель плотности звезды нейтронного типа огромен. Его находят только через давление вырожденных нейтронов. Он доходит до значения 4–6×1017 кг/м3. Одна капля нейтронной материи, равная 0,030 миллилитра, по весу превышает десяток млн. т. Это сравнимо с сотней доверху загруженных поездов грузового назначения. В то же время характерные размеры таких звёзд не так уж велики – всего где-то около 10 км. в одном дм. Отметим, что такая звезда может быть помещена даже в московской Третье транспортное кольцо.

Помимо большого показателя плотности, у звёзд такого типа имеются мощные магнитные поля. Индукция их достигает тысячи-триллионы тесла, а ведь земное магнитное поле не превышает по этому показателю и 0,065 тесла. У части таких звёзд после взрыва появляется большой угловой момент. Таким образом образуются такие уникальные объекты, как пульсары.

В настоящее время учёные не пришли ещё к единой картине устройства нейтронной материи. Не было ещё построено специальное уравнение её состояния. Вместе с тем есть информация, что у «Нейтрония» имеются такие свойства, как сверхтекучесть и сверхпроходимость.

Двойные же звёзды нейтронного типа знают уже с 1974 г. Одна из подобных систем в то время была открыта нобелевскими лауреатами Расселом Халсом и Джозефом Тейлором. Но все известные двойные такие звёзды всё ещё были расположены в нашей же галактике, а стабильности их орбиты хватало, чтобы они не соударились друг с другом на протяжении обозримых миллионов лет. Новая пара звёзд была сближена настолько, что это запустили процесс взаимодействия, а там и переноса вещества.

Событие назвали килоновой. Если говорить дословно, это выглядит так, что яркость вспышки была приблизительно в тысячу раз большей по мощности, нежели обычные вспышки новых звёзд, являющихся двойными системами, где компактный компаньон занимается перетягиванием на себя же материи.

Полное собрание сведений уже даёт возможность учёным считать данное событие ураеугольным камнем будущей гравитационно-волновой астрономии. Результаты обработки информации заложили основу в написание в течение двух месяцев примерно 30 статей в популярных журналах. Таким образом, 7 статей опубликовали в «Nature», 7 – в «Science», а другие же работы были обнародованы в «Astrophysical Journal Letters» и прочих изданиях научной тематики. В качестве соавторов одной из данных статей выступило 4600 астрономов из совершенно разных коллабораций. Это число астрономов составляет свыше трети астрономов по всему миру.

Итак, мы дошли до ключевых вопросов, на которые учёные со всей серьёзности сумели дать настоящий ответ.

Что способствует запуску коротких гамма-всплесков?

Гамма-всплески являются одними из самых высокоэнергетических явлений во всей Вселенной. По мощности один такой всплеск достигает такого значения, что за секунды способно выбросить в окружающую среду энергию, равную по количеству солнечной, генерируемой в течение десятка млн. лет. Принято разделять короткие гамма-всплески от длинных. В то же время считают, что это совершенно разные по своему принципу явления. Например, в качестве источника длинных всплесков выступают коллапсы звёзд огромных масс.

В качестве же источника коротких гамма-всплесков, согласно некоторым предположениям, считают слияния звёзд нейтронного типа. Но всё ещё не было прямых подтверждений этим предположениям. Новые же наблюдения уже являются весьма веским в настоящее время доказательством существования данного механизма.

Как во Вселенной возникают золото и прочие тяжёлые элементы?

Нуклеосинтез является слиянием звёздных ядер в самих светилах. Этот процесс даёт возможность получения огромного спектра химических элементов. В случае лёгких ядер реакции слияния проходят с выделением энергии. В общем данные реакции являются энергетически выгодными. Для элементов же, масса которых примерно как и масса железа, выигрыш в энергетическом плане уже не столь значителен. По этой причине в звёздах практически не возникают элементы, масса которых превышает массу железа. В качестве исключения можно выделить взрывы сверхновых. Однако, их отнюдь не достаточно для объяснения распространённости золота, урана, лантанидов и прочих тяжёлых элементов, образуемых по всей Вселенной.

Стоит вспомнить, что ещё в 1989 г. физиками было сделано предположение, что здесь в процессе поучаствовал r-нуклеосинтез, происходящий в слияниях звёзд нейтронного типа. Более подробно касательно этой информации можно вычитать в блоге специалиста в сфере астрофизики Марата Мусина. Доселе о данном процессе говорили лишь в теории. Теперь же всё изменилось.

Спектральные исследования нового события говорят об отчётливых следах возникновения тяжёлых элементов. Таким образом, спектрометры, огромный телескоп «VLT» и знаменитый «Хаббл» помогли астрономам в обнаружении наличия в космосе золота, цезия, платины и теллура. Ещё имеются свидетельства возникновения сурьмы, ксенома и иода. Физики привели оценочную информацию, в которой говорится, что после столкновения был произведён выброс общей массы лёгких и тяжёлых элементов, равной 40 массам Юпитера. Одно ли золото, как говорят теоретические модели, возникает столько, что это равно приблизительно 10 массам Луны.

Чему равна константа Хаббла?

Экспериментальная оценка скорости расширения Вселенной может проводиться посредством специальных «стандартных свечей», являющихся объектами, для которых известен показатель абсолютной яркости. Это означает, что соотношение между показателями абсолютной яркости и видимой позволяет сделать заключение о дальности их нахождения. Скорость расширения на такой дистанции от наблюдателя находится с применением доплеровского смещения, к примеру, водородных линий. Роль «стандартных свечей» взяли на себя роль, к примеру, сверхновые Ia типа, являющиеся «взрывами» белых карликов. Стоит добавить, что именно на их выборке и доказали факт расширения Вселенной.

Константа Хаббла же позволяет задать линейную зависимость показателя скорости расширения Вселенной на этой дистанции. Каждое из независимых определений её значения даёт возможность быть уверенными в принятой ныне космологии.

Источники волн гравитации тоже выступают как так называемые «стандартные свечи». По-иному их называют ещё «сиренами». Характер волн гравитации, создаваемые этими свечами, позволяет независимо определить дистанцию до них. Именно это и было использовано астрономами в одной из своих новых работ. Результат приравнивается и с прочими независимыми измерениями, а именно основанными на реликтовом излучении и на наблюдениях за гравитационно-линзированными объектами. Константа приблизительно остаётся равной 62-82 км. в сек. на мегапарсек. Это значит, что две галактики, что удалены на 3,2 млн. световых лет, в среднем имеют разбег со скорость в 70 км/с. Новые же слияния звёзд нейтронного типа дадут возможность увеличения точности данной оценки.

Как "устроена" гравитация?

Всеми принятая ныне общая теория относительности точно предсказывает поведение волн гравитации. Но квантовая же теория гравитации всё ещё не была разработана. Существует некоторое число гипотез касательно того, как «устроена» гравитация. Они представлены в виде теоретических конструкций с большим числом неизвестного рода параметров. Одновременное наблюдение электромагнитного излучения и волн гравитации даст возможность выявить и сделать несколько уже границы для данных параметров, а ещё отбросить какие-то гипотезы, признанные несостоятельными.

Например, существует факт того, что волны гравитации возникли за 1,7 сек. до гамма-квантов. Это как раз и говорит, что они в действительности расходятся со скоростью света. Также саму величину задержки можно применить в целях проверки принципа эквивалентности, что лежит в основе ОТО.

Как устроены звёзды нейтронного типа?

Нам известно строение таких звёзд только в общих чертах, поверхностно. Они имеют кору, состоящую из тяжёлых элементов, а также ядро, в основе которого, как мы и сказали выше, лежат нейтроны. Однако, мы всё ещё не знаем уравнения состояния нейтронной материи в самом ядре. А ведь это важно, так как именно это поможет понять, что же было образовано во время столкновения, наблюдавшегося астрономами.

Как и по отношению к белым карликам, так и к звёздам нейтронного типа мы можем применить понятие критической массы. При превышении данной массы есть риск начала процесса коллапса. По мере того, превысила ли масса нового тела критическую отметку или же нет, имеется несколько вариантов последующего развития событий. Если суммарно масса будет излишне большой, объект внезапно станет коллапсировать в чёрную дыру. Если же масса несколько меньше, есть риск возникновения неравновесной быстровращающейся звезды нейтронного типа, которая так же с течением времени коллапсирует в чёрную дыру. В качестве альтернативы здесь можно рассмотреть образование магнетара. Это быстровращающаяся звезда нейтронного типа, имеющая огромное магнитное поле. Видимо, магнетар не был образован в столкновении, и учёные не сумели зафиксировать сопутствующее ему излучение рентгеновского типа.

Владимир Липунов, являющийся руководителем сети «МАСТЕР», ныне информации не хватает для выяснения, что же там возникло вследствие слияния. Но астрономы уже собираются предоставить несколько теорий и планируют выложить их на публику в ближайшие дни. Вероятно, благодаря будущим слияниям звёзд учёные сумеют выявить искомую критическую массу.

Валерий Митрофанов, являющийся профессоров физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, высказался, что в обозримом будущем они (учёные) ожидают регистрации волн гравитации и от прочих источников, например, от непрерывных источников излучения, стохастических волн и гравитационного реликтового излучения, но для таких целей потребуется существенное повышение чувствительности детекторов. Также он отметил, что ещё весьма интересно на сегодняшний день заниматься поисков новых неизведанных источников.