Наука прошла очень длинный путь, прежде чем была установлена природа элементов — основных частей нашего мироздания.

Человек постепенно проникал в тайну состава и строения всех природных тел, находил способы разложения их на простые и составные части и совершенствовал методы выделения химических элементов в чистом виде. Только после этого началось изучение их свойств и распространенности на Земле и в других космических телах, что привело к возможности постановки вопроса о происхождении химических элементов.

Большую роль в развитии наших представлений об элементах сыграли работы голландского ученого Ван-Гельмонта (1577–1644 гг.). Он первый высказал мысль о том, что можно «признавать присутствие какого-нибудь известного вещества и в то время, когда оно не обнаруживает некоторых из своих характеристических признаков». В качестве примера Ван-Гельмонт приводил медный купорос, который «содержит медь, хотя он и не обладает свойствами, характерными для меди». Эти взгляды были подтверждены работами известного химика Р. Глаубера (1604–1668 гг.). Таким образом, впервые в истории химии ученые подошли к мысли, что составными частями тел в действительности являются не отвлеченные качества — «начала» (по мнению древних философов), а определенные вещества — металлы, кислоты, щелочи и т. д. Эти взгляды дали толчок к развитию нового направления в науке — изучению состава тел, которое привело впоследствии к появлению понятия о сложных и простых телах.

Решающий шаг в этом направлении сделал английский ученый Р. Бойль (1627–1691 гг.). Он впервые предложил понимать под элементами простые тела, неразложимые химическим путем и состоящие из одинаковых первичных частиц — корпускул. Таким образом, у него понятие об элементе сочеталось с понятием об атоме.' Однако, несмотря на многочисленные эксперименты, Бойль все же смог установить, какие вещества являются элементами.

Огромную роль в развитии химии вообще и понятия о химическом элементе в частности сыграли работы И. Ньютона (1642–1727 гг.). В книге «Математические основания естественной философии» (1686 г.) он показал, что веса тел, находящихся на одинаковом расстоянии от центра Земли, пропорциональны количеству данного вещества в каждом теле. Ньютон впервые указал, каким путем можно изучать количественные химические превращения вещества. Этот путь, который привел к современной химии, оказался довольно простым — вещество необходимо взвешивать до и после превращения.

М. В. Ломоносов (1711–1765 гг.) впервые занялся этим вопросом. Изучая с помощью весов количественные изменения вещества при химических превращениях, он установил, что общий вес вещества при этом не изменяется — «остается в одной мере». Таким образом, было доказано, что вещество не уничтожается и не создается. Это положение Ломоносов распространил ка все явления природы. «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте», — писал Ломоносов. Таким образом, он установил один из основных законов природы.

М. В. Ломоносов ввел в науку понятие о простых и сложных телах. Согласно его учению составные части сложных тел могут быть разделены на мельчайшие частицы, но «. нельзя, однако, идти до бесконечности, — писал он, — … должны в конце концов существовать составляющие, которые нельзя отделить друг от друга никакими химическими операциями». По мнению Ломоносова, «элемент есть часть тела, не состоящая из каких-либо меньших и отличающихся от него тел».

В середине XIX века было предпринято несколько попыток создать систему химических элементов. Однако только великому русскому химику Д. И. Менделееву удалось выполнить эту задачу. За основу своей системы он принял наиболее характерное для того времени свойство химических элементов — их атомный вес. Расположив все известные в 1869 г. химические элементы (табл. 1) в порядке возрастания их атомных весов, он обнаружил

периодическое

изменение всех основных свойств элементов. Менделеев писал: «Если все элементы расположить в порядке по величине их атомного веса, то получится периодическое повторение свойств. Это выражается законом периодичности: свойства простых тел, также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости. от величины атомных весов элементов». Самым существенным оказался тот факт, что каждый элемент занимал

определенное

место в системе. Поэтому Менделееву пришлось исправлять атомные веса некоторых элементов — урана, иттрия, церия и других. Например, атомный вес урана был ранее принят равным около 100, что находилось в явном противоречии с его местом в периодической системе элементов. Последующие тщательные определения доказали правоту взглядов Менделеева.

В составленной Д. И. Менделеевым периодической системе обнаружились незаполненные места (табл. 2), что позволило ему предсказать существование новых химических элементов, например аналогов бора, алюминия, кремния, циркония, марганца, теллура, цезия, бария, тантала и других. Эти предсказания вскоре подтвердились: в 1875 г. французский химик Лекок де Буабодран открыл галлий — экаалюминий, Нильсон в 1879 г. выделил скандий — экабор, Винклер в 1886 г. открыл германий — экакремний. Позднее, в 1918 г., Ган, Мейтнер, Содди, Кранстон обнаружили протактиний, в 1923 г. Хевеши и Костер открыли гафний — эка-цирконий, в 1925 г. В. и И. Ноддак, Берг и другие нашли рений — экамарганец.

Блестящим подтверждением периодического закона явилось открытие инертных газов — гелия (1868 г.), аргона (1895 г.), неона, криптона и ксенона (1898 г.). Они были помещены в систему Д. И. Менделеева перед щелочными элементами, такое положение их полностью совпало с атомными весами и свойствами этих газов. Все открытые впоследствии химические элементы, указанные в табл. 1, нашли свое место в периодической системе без изменения ее основ. После открытия германия — экакремния известный химик Винклер писал: «Едва ли можно найти иное более поразительное доказательство справедливости учения о периодичности, как осуществление гипотетического экасилиция во вновь открытом элементе. Это не просто подтверждение смелой теории: здесь мы видим очевидное расширение химического кругозора, мощный шаг в область познания».

Периодический закон Д. И. Менделеева впервые с несомненностью показал, что между различными химическими элементами существует генетическая связь. Этот закон отражает родство между атомами элементов и свидетельствует о том, что по мере перехода от одного элемента к другому происходит нарастание какой-то величины (по предположению Менделеева — атомного веса). В зависимости от ее изменения наблюдается скачкообразное изменение свойств элементов. Вследствие этого закон периодичности отражает диалектический закон развития материи.

Таким образом, закон Менделеева раскрыл одну из глубоких тайн природы и оказал неоценимую помощь в понимании многих ее явлений. Открытие периодического закона элементов впервые указало на сложность атомов химических элементов и на общность их состава. Д. И. Менделеев уже к концу 1870 г. пришел к выводу, что не водород является составной частью элементов, а какие-то более первичные и простые материальные образования, которые он назвал «ультиметами». Эти взгляды были далее развиты русским революционером-ученым Н. А. Морозовым. Анализируя периодический закон и таблицу Д. И. Менделеева, он предположил, что все атомы построены из трех первичных частиц.

Наблюдения небесных тел ведутся уже несколько тысяч лет. Однако широкое и разностороннее изучение их началось только после создания телескопов, благодаря которым достигнуты современные успехи в области исследования различных космических тел. Сочетание телескопов с методами спектрального анализа, фотографии и регистрации различного рода излучений позволило получить сведения о строении и химическом составе звезд и других космических тел.

Новый этап в овладении космическим пространством и его изучении начался 4 октября 1957 г., когда был запущен первый советский искусственный спутник Земли. Этот день навсегда войдет в историю науки как начало новой эры истории человечества, эры освоения космоса. С помощью искусственных спутников Земли, ракет и космических кораблей впервые проведены чрезвычайно интересные исследования в верхних слоях атмосферы Земли и межпланетном пространстве. Полет первой космической ракеты на Луну ознаменовал новую эпоху в астрономии, которая с этого момента из науки чисто наблюдательной стала превращаться в науку экспериментальную.

В связи с тем, что только развитие теории внутреннего строения и эволюции звезд позволило выявить процессы образования химических элементов и найти космические тела, в которых они протекают, необходимо хотя бы очень кратко ознакомить читателя с основами современных представлений о звездных системах и различных космических телах, а также рассказать об их строении и химическом составе.

Галактики — это звездные системы, содержащие огромное число звезд. Наша Земля и солнечная система входят в состав галактики, называемой Млечным Путем. Это одна из многочисленных и разнообразных галактик, известных в настоящее время. Число открываемых галактик — а их сейчас около миллиарда — увеличивается с каждым годом. Например, только с помощью рефлектора Маунт-Паламарской обсерватории удалось обнаружить свыше 400 млн. галактик. Создание новых, более совершенных телескопов, безусловно, будет способствовать открытию новых звездных систем

Галактики имеют колоссальные размеры. Лучу света требуются десятки тысяч лет, чтобы пройти расстояние, равное поперечнику галактики средних размеров. Ближайшими к нам галактиками являются Большое и Малое Магеллановы Облака. Расстояние их от нашей планеты чрезвычайно велико и составляет около 160 000 световых лет (световой год равен 9,5 · 10

12

км).

Они имеют размеры около 16 000 и 12 000 световых лет соответственно. Галактика, называемая туманностью Андромеды, имеет диаметр 70 000 световых лет. Лучи света, испущенные этой галактикой, достигают поверхности Земли только через 2 млн. лет.

Большинство галактик расположено значительно дальше и имеет меньшие размеры, чем туманность Андромеды. Расстояние до наиболее далеких галактик — около 1 млрд, световых лет. Галактики содержат от 1 до 100 и более млрд, звезд; массы отдельных галактик равны от 10

42

до 10

45

г,

однако преобладают галактики малых размеров.

Галактики различаются не только по числу звезд, но и по своей структуре. Сейчас обнаружено три типа галактик: спиральные (около 77 %), эллиптические (около 20 %) и неправильные (около 3 %)· Как мы увидим дальше, именно в неправильных галактиках протекают интенсивные процессы рождения новых звезд с одновременным выбрасыванием гигантских облаков газа в космическое пространство. Все это и обусловливает неправильную крючкообразную форму таких галактик, а также вихревые движения газа и межзвездной материи.

Неправильные галактики являются источниками сравнительно мощного радиоизлучения, по которому они в основном и обнаруживаются. Типичные представители таких галактик — Большое и Малое Магеллановы Облака. В неправильных галактиках замечено большое количество пыли.

Рис. 13. Спиральная галактика NGC 3031.

Эти галактики находятся в стадии рождения, большую часть их массы составляет газ, из которого, по-видимому, образуются новые звезды. Изучение голубых галактик позволяет обнаружить совершенно новые физические явления и свойства материи. В этих галактиках гораздо интенсивнее, чем в других, протекают различные физические процессы, обусловленные перемещением вещества. До сих пор подобные явления еще не наблюдались ни в одной из известных нам звездных систем. Факт существования голубых галактик — доказательство непрерывного рождения новых звездных миров во Вселенной.

Рис. 14. Структура галактики Млечный Путь: 1

— сферическая составляющая;

2

— плоская составляющая.

Огромных успехов достиг человек в познании тайн мироздания. Он проник в глубь атома, расщепил его на составные части. Получено много новых частиц и античастиц, которые рождаются при различных ядерных процессах. Человек овладел энергией атомного ядра и успешно использует ее в своей практической деятельности. Осуществилась мечта, которая на протяжении более 20 столетий владела умами людей в их стремлении завоевать природу — ученые в лабораторных условиях стали превращать одни элементы в другие.

Современные способы осуществления ядерных реакций дали возможность не только получить разнообразные радиоактивные изотопы известных элементов, но и синтезировать новые элементы, полученные только искусственным путем и не обнаруженные на Земле.

Одним из крупнейших достижений науки о превращениях элементов является синтез новых искусственных элементов.

Некоторые сведения о них приведены в табл.

9. i

периодической системе элементов они закрашены зеленым цветом (см. табл. 2).

Элемент технеций (Z = 43) был впервые получен при облучении молибдена дейтронами с энергией около 5

Мэв

и тепловыми нейтронами по реакциям:

Mo 98 (d, п) Тс 99 и Мo 98 (n, γ)Mo 99  β¯ →Тс 99

. Изотопы этого элемента получаются при делении урана; так, реактор мощностью на 100 Мет производит около

2,5  мг Тс 99

в сутки. В настоящее время получено уже много килограммов металлического технеция; он находит широкое практическое применение.

Элемент прометий (Z = 61) обнаружен в продуктах деления урана. В реакторе указанной выше мощности получается

1  мг Pm 147

в сутки. Прометий в настоящее время выделен в больших количествах и используется, например, для изготовления атомных батарей.

Рис. 30. Схема синтеза изотопов трансурановых элементов в ядерном реакторе.

Этот способ наиболее эффективен для получения многих трансурановых элементов. Так, например, плутоний в настоящее время получается в больших количествах. Этот элемент — один из главных продуктов атомной промышленности и изучен значительно лучше многих давно известных химических элементов. Другие трансурановые элементы получены в гораздо меньших количествах.

На основании многочисленных данных о ядерных реакциях, приводящих к синтезу новых искусственных элементов, можно сделать вывод о наиболее эффективных способах синтеза всех химических элементов. Из вышесказанного следует, что самым эффективным способом является метод последовательного присоединения нейтронов по (n, γ) — реакциям. Синтез элементов может быть осуществлен и за счет (α, γ) — и (

р

, γ) — реакций. Однако вероятность их протекания при малых энергиях бомбардирующих частиц чрезвычайно мала;

Таблица 9

Искусственные элементы

Чем глубже проникает человек в тайны природы, тем больше он познает взаимосвязь и сложность ее явлений. Уже теперь стало ясно, что нельзя рассматривать историю развития какого-нибудь космического тела вне связи с другими телами. Тем более невозможно изучать эволюцию химических элементов, рожденных в недрах гигантских звезд и при мощных вспышках Сверхновых, в отрыве от эволюции тех космических тел, в состав которых они входят.

В этой, последней главе мы попытаемся рассмотреть эволюцию атомов химических элементов, которые выбрасываются при вспышке Сверхновых звезд. Следует отметить, что по этому вопросу еще очень мало данных. Однако благодаря усилиям ученых, работающих в различных областях знаний, с каждым годом мы получаем все больше доказательств того, что атомы претерпевают различные превращения даже в таких космических телах, в которых не протекают интенсивные ядерные процессы.

Первая гипотеза о происхождении космических лучей была высказана Р. Милликеном еще в то время; когда общепринятым было представление об их аналогии с электромагнитным излучением. Милликен предположил, что космические лучи образуются в реакциях синтеза ядер гелия из четырех протонов в космическом пространстве. После установления природы космических лучей эта гипотеза была отвергнута. Взамен ее предлагались другие гипотезы, но только теория, развиваемая в последние годы советскими физиками В. Л. Гинзбургом и И. С. Шкловским, представляет существенный интерес. Согласно этой теории, космические лучи образуются в основном при вспышках Сверхновых звезд. Известно, что при этих вспышках из оболочек красных гигантов выбрасывается огромное количество атомных ядер. Их число предполагается равным около 10

51

частиц на одну вспышку.

Сверхновые звезды и туманности, остающиеся на месте вспышки, и являются источниками космических лучей в течение очень длительного времени. Это обусловлено тем, что образовавшиеся туманности имеют магнитные поля. Магнитное поле обнаружили в Крабовидной туманности. Выброшенные со скоростью в несколько тысяч километров в секунду атомные ядра ускоряются в магнитном поле туманности до больших энергий. Расчеты показывают, например, что в условиях Крабовидной туманности однозаряженные частицы могут ускоряться до энергий свыше 3 · 10

14

эв.

Следует также отметить, что решающее значение для подтверждения гипотезы образования космических лучей при вспышках Сверхновых звезд имеет факт обнаружения в туманностях, остатках этих звезд, дискретного радиоизлучения. Сейчас установлено, что Крабовидная туманность — это мощный источник радиоизлучения. Сверхновая Тихо Браге, остатки которой пока еще не удалось обнаружить с помощью оптических телескопов, была найдена только по радиоизлучению. Природа космического дискретного радиоизлучения оставалась долгое время непонятной, пока И. С. Шкловский не высказал предположение о том что оно вызывается заряженными частицами, выброшенными при вспышках Сверхновых. Таким образом, космические лучи и космическое радиоизлучение имеют общее происхождение.

Часть быстрых частиц покидает туманность и может получить дальнейшее ускорение при движении в магнитном поле Галактики или при прохождении через атмосферы магнито-переменных звезд, о которых мы уже упоминали. Сейчас высказывается предположение, что частицы с наибольшими энергиями (10

Рассмотрим теперь вопрос о том, изменяется ли химический состав космических лучей во время их «путешествия» в галактическом пространстве. В настоящее время с помощью гигантских установок удается ускорять протоны до энергий, близких к средней энергии космических лучей. Получены сведения о характере ядерных реакций, протекающих при взаимодействии протонов таких энергий с атомами различных химических элементов. По существу в лабораторных условиях мы моделируем ядерные процессы, которые протекают при взаимодействии космических лучей с атомами межзвездного газа, пыли, туманностей, метеоритов и планет.

Известно, что после вспышек Сверхновых звезд образуются туманности, подобные Крабовидной. Из? химический состав вначале должен соответствовать составу того вещества, которое выбрасывается при вспышке, т. е. в них должны содержаться все тяжелые элементы. Содержание же водорода зависит от его количества в оболочке красного гиганта. Имеются данные, которые показывают, что в оболочках некоторых звезд такого типа еще много водорода, поэтому при их взрыве выделяется огромное количество энергии, соответствующее взрыву Сверхновых типа II. Примером такой звезды является Новая Тихо Браге 1572, вспыхнувшая в Кассиопее. По величине светимости она соперничала с Венерой, и ее можно было наблюдать в течение 11 месяцев. Мощный взрыв приводит к тому, что почти все вещество подобной звезды разбрасывается в космическое пространство в виде газа. Одним из доказательств такого предположения служит уже отмеченный нами факт: до сих пор даже с помощью самых мощных телескопов не удалось обнаружить туманность на том месте, где вспыхнула звезда Новая Тихо Браге. Наблюдается только мощное радиоизлучение.

В связи с тем, что в звездах аналогичного типа перед их вспышками еще много водорода, то его относительное содержание в межзвездном газе или в очень разреженных туманностях велико. Много водорода и в веществе, которое выбрасывается при вспышках Новых звезд. Правда, при этом выбрасывается значительно меньше вещества, чем при вспышках Сверхновых звезд, но вспышки их происходят очень часто. Поэтому за время существования нашей Галактики большое количество вещества было выброшено при вспышках Новых звезд. Выброс вещества в галактическое пространство, кроме того, происходит и на ранних стадиях существования горячих голубых звезд, состоящих в основном из водорода. Долгое время оставался неясным вопрос об образовании пыли в космическом пространстве. В настоящее время существует мнение, что она образовалась путем конденсации молекул газообразных веществ — метана, аммиака и других.

Следовательно, вещество, из которого образуются туманности различного вида, а также межзвездный газ и пыль должны состоять из водорода и тяжелых элементов в различном количестве, что согласуется с наблюдаемым химическим составом этих космических объектов.

Образование туманностей может происходить несколькими путями. С одной стороны, они образуются путем мгновенного расширения более плотного вещества звезд, что мы и наблюдаем при вспышках Сверхновых. С другой стороны, может происходить и обратный процесс — постепеннее сгущение межзвездного газа и пыли. Разные пути образования и различное содержание газа, пыли и тяжелых элементов привели к большому разнообразию типов туманностей, о которых указывалось ранее.

Туманности играют огромную роль в эволюции вещества во Вселенной. Из вещества туманности образуются, кроме звезд, также планеты и другие тела планетных систем, подобных Солнечной. Об этом мы подробно расскажем в следующем разделе.

Мысль об образовании тел Солнечной системы из туманности высказал впервые французский астроном П. Лаплас. В 1796 г. он написал очерк о возможном пути образования Солнечной системы из туманности, представляющей собой гигантское вращающееся облако раскаленного газа. Под действием сил притяжения газообразный сгусток постепенно принимал форму шара и сильно уплотнялся к центру. Так, по мнению Лапласа, образовалось Солнце. Из более разреженной оболочки туманности создавались планеты путем ее охлаждения и сжатия по направлению к плоскости, проведенной через экватор шара. При интенсивном сжатии вещество, расположенное по экватору, продолжало вращаться на прежнем расстоянии от центра шара, и образовались «концентрические кольца, кружившиеся вокруг Солнца». В большинстве случаев кольца были неустойчивы, а составляющее их вещество соединялось вначале в сравнительно небольшие сгустки, которые затем собирались в большие газовые шары. Они двигались по окружности кольца, из которого образовались. Газообразные шары продолжали сжиматься, поэтому скорость их вращения увеличивалась. Вследствие этого от них так же, как и от Солнца, отделялись кольца по экватору. Из них затем образовались спутники, а центральная часть шаров превращалась в планеты. Впоследствии газообразные тела планет охлаждались, переходили через огненно-жидкую стадию и, наконец, совсем остывали, превращаясь в твердые холодные тела.

Теория Лапласа блестяще объясняла известные в то время особенности строения Солнечной системы. Но постепенно накапливалось все больше и больше данных, которые ей противоречили. Однако идея Лапласа об образовании планет из туманностей оказалась правильной; она лежит в основе современных представлений о возможных путях образования Солнечной системы.

В настоящее время существуют две гипотезы образования тел Солнечной системы. Акад. В. Г. Фесенков в течение десятков лет подробно изучал возможный ход образования Земли и пути ее последующего развития. В результате этого он пришел к выводу, что Солнце и окружающие его планеты образовались почти одновременно из газо-пылевой туманности. Фесенков считает, что качественная разница между звездами и планетами является следствием только количественного различия масс этих тел. Солнце образовалось из центрального, более плотного сгустка туманности; а из остальной его массы — планеты. Для Солнца, масса которого очень велика, дальнейшее уплотнение вещества привело к повышению температуры и давления. Вследствие этого в недрах Солнца возникли ядерные превращения с выделением энергии, и оно стало звездой.

Развитие планет определялось их массой и расстоянием от Солнца. Небольшие планеты земной группы потеряли значительную часть легких элементов; для планет-гигантов этот процесс не был характерен, они удержали в своем составе даже водород. Вследствие этого планеты подразделяются на две группы. Мы видели, что количественный химический состав планет-гигантов очень близок к составу Солнца. Например, наиболее массивный Юпитер, масса которого в 318 раз превосходит массу Земли, состоит из 85 % водорода, 10 % гелия и только около 5 % приходится на содержание других элементов. В атмосфере Урана водород стоит на втором месте после гелия, а в поверхностных слоях Земли — на восьмом — десятом. Однако водорода на Земле все же достаточно для образования большого количества воды. На Марсе же, масса которого в десять раз меньше массы Земли, содержание водорода настолько мало, что на нем не обнаружено сколько-нибудь заметного количества воды. Следует отметить, что гипотеза Фесенкова, объясняющая основные характерные особенности планет, математически разработана пока еще недостаточно.

В 1943 г. акад. О. Ю. Шмидт выступил с новой гипотезой образования Солнечной системы, развиваемой в настоящее время Б. Ю. Левиным и другими. В основе этой гипотезы лежит предположение о том, что когда-то Солнце при своем движении вокруг центра Галактики прошло сквозь газопылевую туманность. Выйдя из этой туманности, оно увлекло за собой небольшое облако космической пыли и газа. Сравнительно большие сгустки пыли, входящие в состав этого облака, двигаясь беспорядочным образом, сталкивались между собой и раздроблялись до мелкой пыли. Последующая эволюция этой пыли исследована советскими физиками Л. Э. Гуревичем и А. И. Лебединским. По их мнению, пылевая часть облака постепенно сжималась и принимала плоскую форму: она изображена на рис. 46 (стадия А). Форма облака на этой стадии напоминает кольцо Сатурна. Когда толщина этого облака становилась достаточно «малой», а плотность частиц в нем большой, то благодаря гравитационному сжатию происходило объединение частиц в сгустки, по массе сравнимых с массой астероидов (стадия Б). В дальнейшем благодаря пересечению орбит многих астероидов с одной стороны происходило их слипание, которое в конце концов привело к образованию планет (стадия В). Столкновения астероидов сопровождались их дроблением, при котором образовывались метеориты.

Рис. 46. Схема образования Солнечной системы по гипотезеШмидта.