ОСНОВЫ КОСМОХИМИИ. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ В КОСМОСЕ.

Сценарий Большого Взрыва позволяет разделить историю нуклеосинтеза на две очень важные стадии: (1) дозвездную, (2) звездную.

НАЧАЛО, t=0. Времени еще нет, материя в виде фотонов, нейтрино и некоторых др. легких элементарных частиц имеет бесконечную плотность и фантастически-высокую температуру, например, больше 10^{20 оК}.

В таком состоянии происходит Большой Взрыв и начинается отсчет времени. Поначалу процессы рождения нашей Вселенной идут с колоссальными скоростями:

t= 10^{– 6} сек от Начала, Т = 10^{13 о}К

t= 1 сек от Начала, Т = 10^{10 о}К

t= 10³ cек от Начала, Т = 3*10^{8 оК}

Когда температура упала примерно до 10^{11 оК} в плазме появились в изобилии протоны и нейтроны в соотношении 5:1. Вот здесь и начался нуклеосинтез (рис. 1): протоны стали соединяться с нейтронами, образуя дейтерий:

Рис. 1. Ядерные реакции дозвездной стадии

p + n ® ²H (D)

Из ядер дейтерия получался или тритий (³H) или изотоп гелия-3:

2 ²D ® T + p

²D + p ® ³He + γ

Из трития и дейтерия получался устойчивый химический элемент Не-4:

³T +²D ®⁴Не + n

В итоге дозвездный газ оказался состоящим примерно на 75% из ядер Н (протонов) и на 25% из ядер Не (т.е. альфа-частиц). В небольшом количестве в нем содержались также примеси ядер дейтерия, изотопа ³Не, стабильного ⁷Li, стабильного ⁹Ве.

_{"Таким образом, первые 15 мин расширения Вселенной и были временем... нуклеосинтеза. Уже в это время создались условия для возникнове­ния сгустков вещества, из которых формируются будущие звезды. В недрах последних в ходе многообразных ядерных реакций и образовались все остальные элементы" (Барабанов, 1985, с.44).}

Последующие процессы нуклеосинтеза в недрах звезд были уже гораздо более длительными: они занимали миллионы и десятки миллионов лет. В настоящее время физики считают, что для образования всех известных химических элементов требовалось 8 типов ядерных реакций.

1. Процесс "выгорания" Н в результате протон-протонной реакции (А) или так называемого углеродно-азотного цикла (Б – цикла Бете). В обоих процессах водород превращается в гелий.

В первой ядерной реакции образуются в качестве промежуточных продуктов уже знакомые нам по дозвездному нуклеосинтезу дейтерий (Н-2) и гелий-3:

¹H (p, e⁺ n)²D ¹H+¹H ® ²D + e⁺ + n (нейтрино)

(А)

²D(p, γ)³He ²D + ¹H ®³He + γ

³He(³He, 2p)⁴He ³He + ³He ® ⁴He + 2¹H

Cлева записаны реакции так, как это принято в ядерной физике, а справа – так, как это понятнее нам – геологам...

Помимо этой основной реакции образования ядер гелия, существуют еще две побочных, идущих очень быстро, от исходных изотопов гелия Не-3 и бериллия Ве-7 через промежуточные ядра изотопов бериллия Ве-8, В-8 и лития Li-7:

Побочная (Б)

³He +⁴He ® ⁷Be + γ

⁷Be + e^– ® ⁷Li + n

⁷Li + p ® ⁸Be + γ

⁸Be ® 2⁴He

Побочная (С)

³He + ⁴He ® ⁷Be + γ

⁷Be + p ® ⁸B + γ

⁸B ® ⁸Be + e⁺ + n

⁸Be ® 2⁴He

«Таким образом, существуют три возможных пути образования ⁴Не. Все они могут осуществляться одновременно, если имеется достаточно ⁴Не, который действует как «автокатализатор». Температуры горения водорода оцениваются величинами примерно от 5*10⁶ до 5*10⁷ К» (Хендерсон, 1985, с.41).

Углеродно-азотный цикл или так называемый цикл Бетепротекает при более высоких температурах и выглядит следующим образом. Сперва в каких-то процессах образуется небольшое количество изотопа углерода С-12, а затем он начинает автокатализировать процесс своего образования и начинает крутиться сам цикл:

¹²С + p ® ¹³N + γ

¹³N ® ¹³C + e⁺ + n

¹³C + p ® ¹⁴N + γ

¹⁴N + p ® ¹⁵O^* + γ

¹⁵O* ® ¹⁵N + e⁺ + n

¹⁵N + p ® ¹²C + ⁴He

-----------------------------------

4¹H®⁴He

Как видим, в итоге углеродно-азотного цикла произошло то же самое, что и в итоге протон-протонной реакции: 4 протона превратились в ядро гелия, а углерод-12 выполнял роль катализатора. Заметим для себя, что в углеродно-азотном цикле появился нестабильный изотоп кислорода-15. Но оказывается, на 10 тыс. реакций образования ¹²С может происходить 4 реакции образования стабильного кислорода-16; он получается из азота в ядерной реакции:

¹⁵N + p®¹⁶O + γ

А что будет, если облучать азот не протонами, а альфа-частицами? Я просил бы вас запомнить вот какую ядерную реакцию, обвести ее рамкой:

¹⁴N + ⁴He ® ¹⁷O + p

Эта реакция навсегда вошла в историю науки: дело в том, что в 1919 г. великий Резерфорд впервые в истории человечества именно так, облучая азот альфа-частицами, получил другой химический элемент – кислород, в данном случае стабильный изотоп кислород-17, которого в природном кислороде содержится только 0.0374%. Так сбылась вековая мечта алхимиков о трансмутациях элементов с помощью «философского камня». Таким камнем оказались альфа-лучи – ядра гелия.

Термоядерное «выгорание» водорода с превращением его в гелий разрешило другую вековую загадку, над которой бились лучшие умы человечества: загадку источника энергии звезд. В этом процессе часть массы исчезает, превращаясь в энергию. Дело в том, что масса ядра гелия несколько легче массы четырех протонов – получается дефект массы, который согласно знаменитому уравнению Эйнштейна Е = mc² эквивалентен огромному количеству энергии, равному 26.73 Мэв:

4х1. 008131 (четыре протона) ® 4.003860 (ядро гелия) + 0.028664

Можно подсчитать, что при синтезе одного грамм-атома гелия (т.е. 4 г) выделится энергия, равная 6.19^.10¹¹ кал. Это примерно столько, сколько дали бы при сгорании несколько цистерн бензина.

Известно, что с 1 см² поверхности Солнца ежесекундно излучается энергия около 1500 кал. На сколько времени хватило бы энергии образования этих 4 г гелия из водорода при такой мощности излучения ? Получилось около 3 лет! Между тем, масса Солнца – около 2*10³³ г и в секунду оно излучает энергию 3.78*10³³ эрг. Если предположить, что Солнце излучает только за счет этой ядерной реакции перехода водорода в гелий, то продолжительность излучения на современном уровне составила бы фантастическую величину – около 100 миллиардов лет, что на целый порядок больше времени существования нашей Вселенной (13–15 миллиардов лет всего).

2. Реакции «выгорания» гелия с образованием углерода-12 и далее кислорода-16 и неона-20. Эти реакции начинаются в звездах тогда, когда выгорает значительное количество водорода и ядро претерпевает сжатие. Температура достигает 10⁸ К, а плотность 10⁵ г/см³. Опуская для простоты изображение промежуточных ядерных реакций (в которых образуется очень короткоживущий изотоп Ве-8), условно принимая, будто углерод-12 образовался прямо из трех ядер гелия– 4, можно записать:

3⁴He ® ¹²C

«С появлением во внутренней области звезды стабильных ядер ¹²С сейчас же возникает возможность дальнейших процессов с участием альфа-частиц» (Хендерсон, 1985, с. 42), например, таких:

¹²С + a ® ¹⁶O + γ (выделяется 7.2 Мэв)

¹⁶O + a® ²⁰Ne + γ (выделяется 4.7 Мэв)

3. Процессы "горения" углерода и кислорода с участием вновь образованных альфа-частиц, протонов и нейтронов.

Так могут образоваться элементы натрий-23, магний-24, алюминий-27, кремний-28, фосфор-31, сера-32, хлор-36, кальций-40, скандий-44 и титан- 48, в результате последовательного захвата альфа-частиц ядрами кислорода-16 и неона-20.

Эти процессы развиваются в конце стадии горения гелия в результате грвавитационного сжатия и вызванного этим заметного подъема температуры (до 1.6*10⁹– 2*10⁹ К). Новые частицы возникают в реакциях с углеродом и кислородом:

Протоны:

¹²С + ¹²С ® ²³Na + p

¹⁶O + ¹⁶O ® ³¹P + p

Альфа-частицы:

¹²С + ¹²С ® ²⁰Ne + a

¹⁶O + ¹⁶O ® ²⁸Si + a

Нейтроны:

¹³С + ⁴Не ® ¹⁶O + n

¹⁶O + ¹⁶O ® ³¹S + n

Например, магний-24 получается из неона-20 в результате захвата альфа-частицы:

²⁰Ne + a ®²⁴Mg + γ (выделяется 9.3 Мэв)

4. Так называемый равновесный е-процесс,образующий широко распространенные в космосе элементы группы железа: ванадий-50, хром-52, марганец-54, железо-56, никель-58, кобальт-59. При температуре около 4*10⁹К и высокой плотности плазмы начинаются гамма-активационные процессы с относительно тяжелыми ядрами, типа (γ, a), (γ, p) и (γ, n). Считают, что широкую распространенность элементов группы железа «лучше всего объяснить, если предположить, что в газе имеется статистическое равновесие между ядрами и свободными протонами и нейтронами» (Хендерсон, 1985, с.45).

На этом кончается "нормальный" процесс нуклеосинтеза. Более тяжелые элементы при эволюции звезд с массой, не превышающей 5 солнечных – уже образоваться не могут. Для синтеза более тяжелых ядер нужны мощные потоки нейтронов, которые образуются только при эволюции более массивных звезд в так называемых s– и r– процессах. В результате грандиозных звездных катастроф – вспышек Сверхновых – эти тяжелые элементы выбрасываются в межзвездное пространство и далее могут войти в состав планет.

5. S-процесс (от slow – медленный) – цепная реакция с захватом нейтронов. В этом процесс образуются тяжелые ядра до висмута-200 включительно. «Он протекает достаточно медленно, для того (!), чтобы некоторое число b-активных ядер успело распасться, прежде чем произойдет очередной захват нейтрона» (Барабанов, 1985, с.41).

Например, на Земле нет химического элемента технеция-99, а в спектрах звезд он наблюдается. Его образование объясняют s-процессом с образованием промежуточного нестабильного радиоактивного изотопа молибдена-99 с периодом полураспада 67 ч:

⁹⁸Mo + n ® ⁹⁹Mo^* + γ

⁹⁹Mo^* ® ⁹⁹Tc + e^– + γ

6.r-процесс (от rapid – быстрый)– «быстро (менее 100 с) протекающая цепная реакция с захватом нейтронов, при которой образуются ядра U, Th, Np, Pu вплоть до Lr» (Барабанов, 1985, с. 41). Этот процесс происходит в газе с очень высокой плотностью нейтронов, более 10²³ см^–3). Здесь «скорость нейтронного захвата почти совпадает со скоростью радиоактивного распада любого нуклида» (Хендерсон, 1985, с. 47).

Астрономы уже давно знали, что после вспышки Сверхновой звезды ее светимость (достигающая 10⁸ светимости Солнца) спадает экспоненциально с полупериодом около 56 дней. Как отмечает Б.Мейсон (1971, с.36), «трудно предположить, что это является простым совпадением с полупериодом спонтанного деления ²⁵⁴Cf, который также равен 56 дням. Очевидно, вспышка Сверхновой приводит к развитию r-процесса».[1]

Кстати сказать, человек на Земле уже овладел r-процессом! Например, при взрыве водородных бомб образуется заметное количество именно этого трансуранового элемента калифорния-254, который получается при захвате нейтронов атомами урана-238.

7. Р-процесс (от p – протон). В этом процессе появляются некоторые богатые протонами редкие тяжелые изотопы, как например, индий-113 (распространенность 4.3%, тогда как у индия-115 – 95.7%), которые не могли образоываться ни в s, ни в r-процессах. Предполагают, что такие изотопы должны были бы «рождаться в (p, γ)-реакциях с тяжелыми элементами, предварительно образовавшимися в s- и r-процессах» (Хендерсон, 1985, с.49). Процесс этот высокотемпературный (10⁹ К), но пока еще не очень понятный, потому что нужны быстрые протоны весьма высоких энергий.

8. Так называемый x-процесс, с помощью которого пытаются объяснить образование трех дефицитных в космосе элементов: лития, бериллия и бора. Предполагают, что они образуются в результате расщепления более тяжелых элементов-мишеней, а именно углерода, азота и кислорода. Поскольку распространенность этих мишеней в космосе очень высокая, можно было бы ожидать и большой распространенности лития-6, 7, бериллия-9 и бора-10.

Но дело в том, что эти элементы «не выживают» в звездных ядерных реакциях с поглощением протонов, превращаясь либо в гелий, либо в нестабильные радиоактивные изотопы:

⁹Be + p ® ⁶Li + a

⁶Li + p ® ⁴He + ³He

⁷Li + p ® ⁴He + a

¹⁰B + p ® ⁷Be* + a

Космическая распространенность химических элементов (все – по Хендерсону, у него лучше всех).

Оценки среднего состава всего Космоса можно получить, используя четыре источника данных.

(1) Данные о составе межзвездной среды, из которой образуются новые молодые звезды – считается, что это относительно не фракционированное вещество. Но эта среда холодная, и следовательно вещество невидимое. К счастью, вокруг очень горячих звезд в такой среде возникает вторичное излучение – флуоресценция с ярким спектром. Такова, например, туманность в созвездии Ориона.

(2) Данные о составе молодых звезд – недавно образовавшихся из межзвездной среды. Можно думать, что эти данные представительны и для самой среды.

(3) Данные о составе фотосферы Солнца. Они добываются наукой с момента изобретения Бунзеном и Кирхгофом спектрального анализа.

(4) Данные о составе самой замечательной группы метеоритов – так называемых углистых (или углеродистых) хондритов. Об этом мы поговорим еще подробнее, а здесь только заметим, что они считаются самыми примитивными «и позволяют отнести их к нефракционированным конденсатам солнечной туманности» (Хендерсон, 1985, с.32).

Это все – прямые источники данных. Но полученные данные отчасти оказываются неполны, а отчасти недостоверны, и это вынуждает использовать косвенные приемы оценки распространенности элементов. Эти приемы разные; одни чисто физические и основаны на теоретических схемах нуклеосинтеза и на соображениях о стабильности атомных ядер, а другие – сугубо геохимические.

Очень интересный прием применили Х.Зюсс и Х.Юри (Suess, Urey, 1956). Они взяли кривую («спектр») распространения редкоземельных элементов в осадочных породах Земли (содержания нормированы на 10⁶ атомов Si) и предположили, что эти содержания соответстствуют средним содержаниям РЗЭ в земной коре. Далее они допустили, что вид распределения РЗЭ является подходящей моделью для распределения всех химических элементов.

Две особенности этого распределения бросаются в глаза:

а) распределение пилообразное: пики на четных Z и провалы на нечетных Z;

б) в распределении заметна тенденция. Этот тренд заключается в наклоне кривой: в общем распространенность РЗЭ убывает с увеличением атомного номера. Геохимики это прекрасно знают: тяжелые РЗЭ – это элементы редкие (кларки 10^{– 4}%), а легкие – малые (кларки 10^{– 2}%).

В отношении использования этого тренда очень хорошо пишет П.Хендерсон (1985, с.36): «Постулирование монотонной зависимости распространенности элементов от их атомного номера на первый взгляд снижает достоинства этой таблицы [имеется в виду таблица, составленная Зюссом и Юри – Я.Ю.], так как этот постулат не имеет теоретического обоснования. Однако в равной степени этому нет и теоретического запрета. Почему бы распространенности не быть монотонной функцией атомного номера? К тому же монотонную модель можно легко интерпретировать с позиций структуры атомного ядра и ядерных процессов».

Используя все или только некоторые из этих приемов и соображений, ряд ученых предложили оценки распространенности элементов как во всем Космосе, так и более достоверные – в Солнечной системе.

Анализ этих данных позволяет заметить следующие эмпирические закономерности.

1. Самой высокой распространенностью обладают только 10 элементов с Z <27: H, He, C, N, O, Ne, Mγ, Si, S, Fe. При этом исключительное положение занимают водород и гелий. Их атомов в 1000– 10000 раз больше чем атомов кислорода, углерода и азота и в сотни миллиардов раз больше, чем атомов тяжелых элементов.

2. Примыкающие к гелию элементы Li, Be, B находятся в резком дефиците – глубокий провал на кривой.

3. Наоборот, четкими пиками распространенности выделяются О и Fe.

4. Распространенность сперва быстро (примерно по экспоненте) убывает до Z=30–40, а далее убывает не столь быстро (начиная с Та даже подрастает).

5. За очевидным исключением водорода, «четные» элементы (т.е. с четными атомными номерами Z и соответственно с четным числом протонов в ядре) распространены больше, чем «нечетные». Однако здесь наблюдаются более тонкие закономерности, зависящие и от N (числа нейтронов):

(а) дважды четные; это 5 самых распространенных на Земле элементов: ¹⁶O (Z=8),²⁴Mg (Z=12), ⁴⁸Si (Z=14), ⁵⁶Fe (Z=26);

(б) четно-нечетные или нечетно-четные: распространены гораздо меньше, но примерно одинаково;

(в) дважды нечетные; таких ядер очень мало, всего 4 стабильных изотопа: D (²H, Z=1), ⁶Li (Z=3), ¹⁰B (Z=5), ¹⁴N (Z=7). В отношении еще одного дважды нечетного элемента ⁵⁰V (Z=23) допускается, что он может быть слабо радиоактивным (т.е. не стабильным).

Среди дважды четных – самыми устойчивыми оказываются ядра, содержащие «магические» количества протонов или нейтронов: 2, 8, 20, 50, 82 и 126, а среди них выделяются, в свою очередь, «дважды магические»:

⁴Не (Z=2, N=2) ⁴⁰Ca (Z=20, N=20)

¹⁶O (Z=8, N=8) ²⁰⁸Pb (Z=82, N=126)

6. Заметна разница в дисперсии распространенности, здесь рубежом является Ni: распространенность элементов легче никеля колеблется сильнее, чем у более тяжелых.

Наконец, есть еще одна любопытная эмпирическая закономерность, пока не получившая ясного объяснения (Сауков, 1975, с.69): среди четных элементов особенно преобладают те, порядковые номера которых имеют разность равную или кратную 6:

Элемент O ® Si ® Ca ® Fe ® Sr ® Sn ® Ba

Порядковый номер 8 ® 14 ® 20 ® 26 ®38 ® 50 56

Разность номеров 6 ® 6 ® 6 ® 12 ®12 ® 6

Однако остальные эмпирические закономерности имеют вполне удовлетворительное ядерно-физическое истолкование. Так, водород и гелий – это, как мы знаем, первоэлементы Горячей Вселенной – из них получились все остальные. Поэтому не удивительно, что материнские элементы доминируют в Космосе. Далее, ядерная физика доказывает, что «наиболее вероятно и энергетически выгодно образование ядер, состоящих из небольшого и четного числа протонов и нейтронов. Легкие и четные ядра более устойчивы. Ядра, «переполненные» протонами и нейтронами, часто неустойчивы. Так, U, Th, Ra и другие радиоактивные элементы разлагаются с образованием Pb и He» (Перельман, 1989, с.52).

На Земле нет вовсе нечетных элементов Тс-99 (Z=43), Pm-145 (Z=61), At-210 (Z=85) и Fr-223 (Z=87), потому что ядра их давно распались.

Почему Fe- 56 (не будучи «дважды магическим») обладает пиком расп­ространенности? Оказывается, потому, что если построить график в координатах «атомный вес – энергия связи в ядре, приходящаяся на 1 нуклон», то кривая дает пик именно на Fe-56: около 8.8 Мэв на нуклон. Поэтому ядро железа отличается исключительной устойчивостью.

И наоборот: почему Li, Be и В оказываются в явном дефиците, сильно выпадая из экспоненциальной зависимости? – А потому, что они очень «нежные» – они слишком чувствительны к корпускулярному излучению: протонам, нейтронам и альфа-частицам. Захватывая их, они превращаются в короткоживущие радиоактивные изотопы и быстро распадаются. Кстати сказать, эти их свойства используются в ядерной технике: в реакторах применяют боровые стержни в качестве эффективных поглотителей нейтронов.

В общем, можно сказать, что космическая распространенность химических элементов находит вполне удовлетворительное истолкование в терминах ядерной физики. И такое истолкование в значительной мере годится и для объяснения распространенности элементов на Земле.

[1] ^*В русском переводе (стр. 36) здесь опечатка: x вместо r