Не упустите важные новости – подпишитесь на наш Telegram
Подписаться
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
24 октября
Анатолий Глянцев
8
10 305

Вселенная как котел: откуда взялись все химические элементы

7.1

Химикам известно более ста миллионов веществ, но все они состоят из атомов всего 118 химических элементов. Naked Science объясняет, как из простого и скучного водорода появилась вся таблица Менделеева. Спойлер: дело отнюдь не только в звездах!

Крабовидная туманность – самый знаменитый остаток сверхновой / © NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

Как возникли химические элементы, из которых состоит все вокруг, в том числе и мы сами? «В звездах!» — воскликнет читатель, который что-то об этом слышал. «Что-то еще такое было сразу после Большого взрыва, и еще сверхновые…» — задумается тот, кто слышал чуть больше. Да, да, и еще раз да, но не только. К химическому многообразию Вселенной приложили руку и первые минуты после Большого взрыва, и звезды, и сверхновые, и нейтронные звезды, и даже космические лучи. Не пугайтесь, сейчас все разложим по полочкам.

Космическое лего

Число атомов подавляет воображение: в стакане воды их больше, чем стаканов воды в Мировом океане. Будь все они индивидуальными и неповторимыми, никто не смог бы разобраться в этом хаосе. К счастью, все атомы устроены одинаково: они состоят из ядра и кружащих вокруг него электронов. Ядро же состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов.

Самое простое ядро у атома водорода: в нем всего один протон. Следующий по простоте элемент — гелий, в его ядре два протона. Число протонов легко узнать: это просто номер элемента в таблице Менделеева.

А что с нейтронами? Более чем 99,9% ядер водорода вообще не имеют нейтронов, они представляют собой просто одиночный протон. Это простейшая разновидность (как говорят ученые, изотоп) водорода — протий. Но бывает еще водород, в ядре которого компанию протону составляет нейтрон (это дейтерий) и даже два нейтрона (это тритий, но он радиоактивен и быстро распадается). Вообще, изотопы одного элемента отличаются друг от друга числом нейтронов. Изотопы есть у всех элементов, но в дальнейшем рассказе нам пригодятся только изотопы водорода и гелия. У гелия два стабильных (не радиоактивных) изотопа: гелий-4 и более редкий гелий-3. Эти цифры означают суммарное число протонов и нейтронов в ядре.

Островок разнообразия

Сегодня в таблице Менделеева 118 элементов, но некоторые из них были получены искусственно (и работы по созданию новых элементов продолжаются). Сколько же из них встречается в природе? Справочники дают различные ответы, от 90 до 98. Тут важно, как считать: некоторые радиоактивные элементы сначала были созданы в лаборатории, а уж потом было обнаружено, что они на короткое время и в ничтожных количествах образуются в горных породах.

Хотя на Земле присутствует не менее 90 элементов, 98% ее массы приходится всего на шесть: кислород, кремний, алюминий, магний, кальций и железо. Это, так сказать, геохимическая шестерка. Есть и другая шестерка — биохимическая. В нее входят элементы, преобладающие в составе живой клетки: водород, углерод, азот, кислород, фосфор и сера. Впрочем, живые организмы нуждаются и во многих других элементах.

Наша планета — кладезь химического разнообразия по сравнению с космосом. Вселенная в целом очень скучна: 91% атомных ядер приходится на простейший химический элемент — водород. Еще почти 9% — на второй по простоте, гелий. И менее 1% — на все остальные элементы. Если считать не по числу ядер, а по массе, картина будет чуть менее унылой, потому что водород и гелий очень легкие. Но именно чуть-чуть.

Если вас удивило и опечалило химическое однообразие Вселенной, подождите: сейчас мы разберемся, как так вышло.

Реакции первичного нуклеосинтеза (красным показаны гипотетические реакции). В подписях слева исходное ядро, в скобках слева направо налетающая и вылетающая частица, после скобок получившееся ядро / © Brian D. Fields. Annual Review of Nuclear and Particle Science 2011 61:1, 47-68

Жар творения

Сразу после Большого взрыва температура была слишком велика для существования протонов и нейтронов. Но Вселенная быстро расширялась, энергия распределялась по все большему пространству, и материя остывала. Еще до конца первой секунды возникли протоны и нейтроны.

Протоны — это, как мы помним, ядра водорода (точнее, его самого распространенного изотопа протия). То есть одна ячейка в таблице Менделеева худо-бедно заполнилась.

Примерно через минуту после Большого взрыва космос остыл до нескольких миллиардов градусов, и нейтроны начали объединяться с протонами в ядра дейтерия. А дальше начались первые во Вселенной термоядерные реакции: ядра сталкивались и сливались друг с другом. Это время называется эпохой первичного нуклеосинтеза. Она продолжалась двадцать минут или около того. После этого Вселенная остыла до миллионов градусов. Это уже слишком прохладно для термоядерного синтеза.

Вот важнейшие из происходивших тогда реакций (все они воспроизведены в лабораториях):

Дейтерий + дейтерий = тритий + протон
Дейтерий + дейтерий = гелий-3 + нейтрон
Дейтерий + тритий = гелий-4 + нейтрон
Дейтерий + гелий-3 = гелий-4 + протон

Так образовался почти весь современный гелий. Даже звезды, неутомимые генераторы гелия, произвели его совсем немного по сравнению с первичным нуклеосинтезом. Дело в том, что около 80% атомных ядер во Вселенной не входит даже в состав галактик, а уж тем более звезд.

На этом процесс создания элементов застопорился. Концентрация гелия была слишком мала, чтобы он стал материалом для создания новых элементов, как это происходит в звездах.

Правда, из гелия все-таки образовались литий, бериллий и бор, но в ничтожных количествах. Увы, эти ядра разрушаются в термоядерных реакциях так же легко, как и создаются. Недаром их во Вселенной и поныне меньше, чем любых других элементов легче железа. Да и наблюдаемое-то содержание членов этой злосчастной троицы не так легко объяснить. Вероятно, они возникали, когда частицы космических лучей врезались в межзвездный водород. А еще к их синтезу могли приложить руку сверхновые, о которых мы еще поговорим.

Мы — звездный пепел

Так бы и быть космосу скучной смесью водорода и гелия, если бы не новые термоядерные реакторы — звезды. Первые из них озарили космос через сотни миллионов лет после Большого взрыва.

Большую часть жизни звезда занимается тем же, чем и Вселенная в эпоху первичного нуклеосинтеза: превращает водород в гелий. Правда, цепочка реакций при этом совсем иная и довольно сложная. Ведь в звезде, в отличие от раннего космоса, нет изобилия свободных нейтронов. Нейтрон вне атомного ядра и живет-то лишь несколько минут.

Что происходит, когда водород исчерпывается? Это зависит от массы светила. Звезды массой менее 0,5 солнечной на этом и заканчивают свою жизнь. Их недра недостаточно горячи и плотны для того, чтобы в термоядерные реакции вступил уже гелий. Солнце, к нашей гордости, пойдет дальше: оно создаст углерод, азот и кислород. А еще более массивные светила синтезируют элементы вплоть до железа, в ядре которого 26 протонов.

Дальше бессильны и термоядерные топки звезд. Столь тяжелые ядра трудно столкнуть друг с другом: мешает электрическое отталкивание многочисленных протонов.

К слову, большая часть звездных термоядерных реакций пока не воспроизведена на Земле. Создать нужные условия слишком сложно. Но они просчитаны теоретически, и результаты расчетов хорошо совпадают с наблюдаемым составом Вселенной.

Хэви-метал для Вселенной

Но первые 26 элементов — это даже не треть от встречающихся в природе 90. Как же образовались остальные?

На этот случай физика припасла трюк. Помните, мы сетовали, что в звездах не так уж много свободных нейтронов? Но все-таки нейтроны там возникают в некоторых ядерных реакциях. А дальше нейтрон врезается в атомное ядро и прилипает к нему. Нейтрону, в отличие от протона, это легко сделать: он ведь не заряжен и не отталкивается от ядра.

И вот, когда частицы ядра уже приняли его в свою тесную компанию, нейтрон выкидывает фокус. Он испускает электрон и превращается в протон! В ядре становится на протон больше, а значит, это уже следующий химический элемент. При обычном небольшом потоке нейтронов такой процесс протекает медленно, поэтому называется s-процессом, от английского slow — «медленный».

S-процесс идет в звездах — красных гигантах и может производить элементы вплоть до висмута (83 протона). Но он действительно нетороплив: требуется тысяча лет, чтобы превратить ядро железа в ядро свинца (82 протона). Вместе с тем элементы под номерами 84—89 (от полония до актиния) радиоактивны. Такое ядро распадается быстрее, чем s-процесс успевает прилепить к нему новый протон!

Как же объяснить существование в природе тория (90 протонов) и урана (92)? На помощь спешит r-процесс, от английского rapid — «быстрый». Он включается при взрывах сверхновых и столкновениях нейтронных звезд. Эти космические катаклизмы создают кратковременные, но мощные потоки нейтронов. Благодаря им могут образовываться даже самые тяжелые ядра.

Сверхновые, кстати, бывают двух типов. Тип Ia связан с термоядерным взрывом белого карлика, а все остальные — с коллапсом массивных звезд (если вам нужны подробности, у Naked Science они есть). Как те, так и другие катастрофы запускают r-процесс.

Это не просто теория. Астрономы знают предостаточно остатков сверхновых и давно изучают их состав. А три года назад тяжелые элементы были обнаружены и на месте столкновения нейтронных звезд.

Происхождение химических элементов межзвездного вещества и их содержание в теле человека. Вещество, аккумулированное в звездных остатках, не учитывалось. В категорию «взрывы массивных звезд» попали в том числе элементы, выброшенные в звездном ветре до собственно взрыва сверхновой  / © NASA/CXC/K. Divona

Доставка готовых смесей

У вещества отгоревшего светила есть два пути. Часть его рассеется по межзвездному пространству и может стать материалом для будущих звезд и планет. Остальное будет навеки законсервировано в остатке звезды (белом карлике, нейтронной звезде или черной дыре). Правда, белые карлики иногда взрываются как сверхновые Ia, превращаясь в межзвездную пыль. Да и нейтронные звезды изредка сталкиваются и сливаются в одну, теряя при этом небольшую часть вещества на «разлет осколков». Но такие катастрофы —  исключение, а не правило. Чаще же всего что в звездный остаток попало, то для остальной Вселенной пропало.

Чем массивнее звезда, тем большую долю своего вещества она возвращает в оборот. Почти вся масса Солнца будет, увы, без толку законсервирована в белом карлике. А вот массивные звезды еще до того, как вспыхнуть в качестве сверхновой, могут рассеять в космосе половину или даже две трети своей массы. Поэтому за кислород воздуха и натрий нашей соленой крови мы должны благодарить расточительные тяжелые светила, а не бережливые легкие.

Удивительно, сколько усилий потребовалось Вселенной, чтобы создать строительный материал для скалистых планет и их обитателей. Но лишь благодаря неутомимой работе этого химического комбината есть те, кто может удивляться.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Вчера, 15:56
Анна Новиковская

Со школьной парты мы знаем, что мир живой природы делится на бактерии, грибы, растения и животных. Теперь к этому списку добавилась новая супергруппа микроорганизмов-хищников, которых назвали «проворами».

Вчера, 19:00
Алиса Гаджиева

Крупные травоядные ящеры юрского периода не умели щелкать хвостом как бичом, но все же могли использовать его как оборонительное оружие.

5 часов назад
Алиса Гаджиева

Археологи раскопали рядом с деревней Сен-Жю-ан-Шоссе галло-римское культовое место, устройство которого проливает свет на религиозные практики до и после римского завоевания.

6 декабря
Василий Парфенов

Украинская частная космическая компания Promin Aerospace, несмотря на сложную обстановку в стране, продолжает работу над ракетой оригинальной конструкции. Первый тестовый запуск намечен на первую половину 2023 года. В свежем интервью основатель стартапа рассказал, что даже если прототип не получится отправить в полет на родине, сроки не должны сильно измениться.

5 декабря
Александр Березин

Глава Daimler Мартин Даум и Билл Гейтс в разное время, но вполне единодушно отмечали, что законы физики делают грузовую фуру — ключевой элемент современных перевозок — несовместимой с чистой электротягой. Многотонная батарея отнимает слишком много пространства и веса у коммерческого груза, поэтому проекты Tesla Semi Дауму и Гейтсу представлялись «непрактичными». А теперь Илон Маск наконец начал поставки этого грузовика — и просачивающиеся данные о его реальной массе показывают, что Гейтс и Даум ошибались. Как Маску удалось то, что все в один голос считали настолько невозможным, что никто даже не попытался составить ему конкуренцию? И почему это изменит мир вокруг нас?

3 декабря
Василий Парфенов

На «Заводе 42» компании Northrop Grumman в Палмдейле, штат Калифорния, прошла торжественная церемония выкатки новейшего стратегического бомбардировщика B-21 Raider. Малозаметный самолет должен в ближайшем будущем частично заменить устаревающий парк Rockwell B-1 Lancer и Northrop Grumman B-2 Spirit, и даже взять на себя ряд задач, которые выполняют совсем уж «старички» Boeing B-52 Stratofortress.

2 декабря
Алиса Гаджиева

Серию секретных рисунков и надписей, добавленных таинственной женщиной-переписчицей, обнаружили в рукописи возрастом более 1200 лет.

24 ноября
Редакция

Режиссер Илай Сасик (Eli Sasich), вдохновившись классическими научно-фантастическими фильмами «Чужой» и «Бегущий по лезвию», несколько лет назад снял короткометражный фильм «Атропа», который стоит посмотреть, если вы интересуетесь наукой и космическими технологиями.

19 ноября
Анна Новиковская

В последний раз черношейного фазанового голубя видели еще в 1882 году, и с тех пор ученые не знали, живет ли еще в лесах острова Фергуссон эта красивая птица. Теперь, наконец, им повезло: одна из камер запечатлела представителя редчайшего подвида фазановых голубей.

[miniorange_social_login]

Комментарии

8 Комментариев

-
0
+
Подумалось на минутку.. Интересно, может ли холод иметь положительный заряд? Просто холод.. холодный абсолютный вакуум - может ли он быть положительно заряженным.. пускай даже в минимальных значениях? И наоборот.. может ли тёплое ничто обзавестись отрицательным зарядом? Допустим, на самом раннем этапе зарождения "чего-то" был абсолютный пустой холод.. но он характеризовался потенциальным плюсом. Затем внутри этого холода появился источник тепла.. крохотный родничок/источник с тёплым потенциальным минусом.. И в пустом пространстве образовался своеобразный магнит.. сферический: внутри, в центре сферы, возник отрицательный полюс.. а поверхность этой сферы стала положительным полюсом. Минус накапливался.. потому что источник тепла был хоть и мал, но постоянен.. распространяться же по пространству тёплый минус не мог.. допустим, из-за сферической формы образовавшегося условного магнита.. Минус накапливался до тех пор, пока его концентрация не привела к образованию отрицательно заряженных частиц. Отрицательно заряженные частицы в большой концентрации стали вести себя по-другому: они начали отталкиваться друг от друга.. между ними возникло сильнейшее напряжение, которое продолжало нарастать.. В результате произошёл Большой Взрыв.. Взрыв буквально разодрал положительно заряженное холодное пространство потоками отрицательных частиц, которые ещё даже нельзя было назвать электронами.. просто минусовые частицы уже в горячем состоянии.. Стали происходить контакты между горячими минусами и холодными плюсами. Плюсы "наматывались" на минус, одновременно понижая температуру и превращаясь в частицы- протоны.. так как холодный положительный заряд просто преобладал в пространстве над тёплым минусом.. Одновременно с образованием протонов возникали и нейтроны.. когда плюс, "намотанный" на минусовую частицу, оказывался небольшим.. ... вот такая схемка мне уже более понятна.. Такая механика способна объяснить, почему нейтрон, врезавшийся в протонное ядро, выбрасывает электрон и становится протоном.. Потому что отрицательный заряд/электрон выталкивается из врезавшегося нейтрона тем самым "минусом", на который и "намотались" другие положительные протоны.. Очевидно, процесс наматывания плюса на минус не может быть бесконечным.. он длится до тех пор, пока не приведёт к равновесию образовавшихся частиц. ... Теперь вся теория, предложенная автором, выглядит для меня очень даже привлекательно.. смущавшие моменты приобрели некоторый смысл.. проверить бы их на практике..
25.10.2022
-
0
+
Очень интересно и познавательно.
-
2
+
Отличная статья, прекрасный язык. Спасибо, Анатолий!
-
0
+
".. энергия распределялась по все большему пространству, и материя остывала. Еще до конца первой секунды возникли протоны и нейтроны.." Непонятно.. Получается, что до Большого Взрыва был некий сгусток чистой энергии.. не положительно заряженный.. не отрицательно.. даже не нейтрально.. (С этим можно согласиться.. Можно допустить, что такой вид чистой безупречной энергии реально существовал до Большого Взрыва, а может, его частицы существуют и до сих пор.. трудно представить, что энергия образована без участия каки-либо частиц). Просто какая-то мощная энергия, которая до определённых пор накапливалась.. а потом появилась последняя капля - и всё взорвалось.. И вдруг сразу возникли положительно заряженные протоны и "плюс-минус" нейтроны.. Но почему минус оказался только в связке с плюсом в нейтронах, а плюс получился сам по себе в протонах? Что-то логики не прослеживается.. и внятных объяснений тоже.. И почему совсем не осталось частиц той изначальной чистой энергии, которая взорвалась? Зачем.. или по какой причине.. вся она поделилась на плюс и минус, да ещё с такими кособокими особенностями протон/нейтрон? В дальнейшем тексте тоже имеются нелепости. Особенно там, где нейтрон врезается в ядро, становится протоном и выбрасывает отрицательный электрон.. но здесь хотя бы можно подумать над механикой, из-за которой электрон реально может быть выброшенным из компании протонов.. В общем, над этой теорией надо бы ещё поработать.. слишком сырая..
    +
      ещё комментарии
      -
      0
      +
      Спасибо за ссылку.. с такими объяснениями я знакома.. Анатолия не пыталась терзать. Думаю, это не его личная теория.. он лишь нашёл и пересказал читателям чей-то материал.. В любом случае, я задавалась риторическими вопросами, не требующими ответов автора статьи. Ну а то, что появились риторические вопросы, меня даже радует.. есть повод лишний раз подумать над темой..
    -
    1
    +
    Думаю, книга Вайнберг С. Первые три минуты Ответит на многие ваши вопросы. Ну и про квантовую механику и стандартную модель тоже популярное поискать можно... Вообще, положительному протону соответствует отрицательный электрон из стабильных частиц. Во время ранних эпох большого взрыва существовал целый бестиарий различных частиц. Бозон Хигса среди них. Но по мере расширения все они становились неустойчивыми и распадались.
-
1
+
"Химикам известно более ста миллионов веществ, но все они состоят из атомов всего 118 химических элементов" и 99,99% это органика, в которой хорошо если 3-4 элемента наберется)

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: