Происхождение химических элементов

В понятиях науки XVIII—XIX вв. материя была вечной, и вопрос о происхождении химических элементов был бы просто некорректен. Если материя вечна, то у нее нет и происхождения. В XX в. ситуация быстро изменялась. Была разработана теория относительности, открыто расширение Вселенной, разработана теория строения и эволюции звезд, открыто так называемое реликтовое излучение, тесно связанное с расширением Вселенной. Все это привело к наиболее правдоподобной, хотя и трудно умещающейся в голове теории Большого взрыва. Предполагают, что Вселенная начала свое бытие с непостижимого (пока?) импульса, приведшего к продолжающемуся и поныне расширению гигантского сгустка материи из одной точки.

Изучая вещества и их химические превращения, вполне естественно задуматься над вопросом, откуда взялись все те виды атомов, из которых состоят вещества и которые сами при химических реакциях превращениям не подвержены? Постараемся коротко ответить на этот вопрос, насколько это возможно в настоящее время.

По разным данным, Большой взрыв произошел от 15 до 18 млрд лет тому назад. В неимоверно горячем и плотном, стремительно расширяющемся и охлаждающемся сгустке материи непрерывно возникали определенные «поколения» частиц, соответствующие изменяющимся условиям.

Через три минуты расширения и охлаждения плазмы возник набор частиц, который уже не изменялся до начала образования звезд. Важнейшие черты этого состава сводятся к тому, что во Вселенной создалось соотношение между протонами и фотонами, равное 1:10⁹. Это поразительное множество фотонов (но сравнению с атомами) и в настоящее время заполняет пространство в виде реликтового излучения, не имеющего источника.

В течение нескольких минут расширения Вселенная остыла настолько, что скорость ядерных реакций между имеющимися частицами упала до нуля. Нейтроны соединились с протонами, образовав дейтерий, а ядра дейтерия быстро соединялись в ядра гелия (⁴Не). Начальные условия во Вселенной оказались таковы, что нейтронов хватило на образование приблизительно 10% гелия из общего числа ядер. Остальные протоны сохранились в свободном виде и вместе с электронами в дальнейшем составили химический элемент водород. Будь во Вселенной больше нейтронов, то в веществе мог бы преобладать гелий, что коренным образом отразилось бы на последующих процессах звездообразования. Гелий в звездах превращался бы в тяжелые элементы в несколько раз быстрее, чем водород, и продолжительность жизни звезд сильно сократилась. Это, очевидно, повлияло бы на возможность эволюции биологической жизни.

Еще один вид частиц, обладающих массой покоя и необходимых для образования атомов, — электроны — сохранились в количестве, приблизительно равном количеству протонов. Факт существования перечисленных частиц по-своему замечателен и не объяснен. Все три частицы — протоны, нейтроны и электроны — имеют свои античастицы: антипротоны (р~), антинейтроны (Я) и антиэлектроны (позитроны, е). При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция с превращением в конечном счете в фотоны. При температуре в миллиарды градусов фотоны непрерывно порождают пары электрон — позитрон (е~ — е⁺), которые вновь аннигилируют, превращаясь в фотоны. Таким образом, электроны, позитроны и фотоны находятся в равновесии. При понижении температуры по мере расширения Вселенной энергия фотонов становится недостаточной для рождения пар е~ — е⁺, все имеющиеся пары аннигилируют, и при этом обнаруживается небольшой избыток электронов, которые и сохранились на последующие времена. Небольшим этот избыток является в сравнении с числом имеющихся фотонов, как сказано выше. То же самое относится и к протонам, которых оказалось чуть больше, чем антипротонов. Следовательно, одной из предпосылок появления атомов оказался ничтожный дисбаланс частиц и античастиц.

Через миллион лет расширения и остывания Вселенной температура понизилась до -4000 К. Это температурная граница, ниже которой электроны захватываются притяжением ядер и образуются «укомплектованные» атомы. Нейтральный гелий возникает при несколько более высокой температуре, чем водород, так как его энергия ионизации больше.

Пока ничего не говорилось о существовании других химических элементов, кроме водорода с его изотопом дейтерием и гелия. На этапе эволюции до появления звезд их действительно не было. Звезды начали образовываться в результате гравитационной конденсации вещества после возникновения нейтральных атомов. Время появления галактик и составляющих их звезд недостаточно определенно. С точки зрения физики разработать теорию процессов, происходивших в течение первых минут после Большого взрыва, оказалось легче, чем «сценарий» дальнейших событий, связанных с фрагментацией вещества на отдельные галактики и звезды. Можно принять в качестве ориентировочной цифры, что первое поколение звезд возникло спустя миллиард лет после Большого взрыва.

При гравитационном сжатии сгустка водородно-гелиевой смеси потенциальная энергия переходила в кинетическую и соответственно повышалась температура. Когда она достигала 10—15 млн градусов, в центральной области протозвезды (ядре) начинались термоядерные реакции и звезда загоралась. В термоядерных реакциях участвуют как водород, так и гелий. Водород сначала превращается в гелий по цепочке реакций:

• 2р⁺ = d⁺+ е⁺ + v очень медленно; d⁺ + р⁺ = ³Не²⁺ + у быстро;
• 2³Не²⁺ = ⁴Не²⁺ + 2относительно медленно (здесь б/⁺ — дейтрон, е⁺ — позитрон, v — нейтрино, у — гамма-квант).

Можно спросить: почему водород не превратился в гелий по этим последовательным реакциям в первые минуты после Большого взрыва, но превращается в звездах? Причина очень простая. В первые минуты благоприятная температура для данного процесса длилась мгновения, так как шло расширение и охлаждение Вселенной, а в звездах этот процесс идет как бы в тлеющем режиме при стационарных условиях. Медленность первой стадии обусловлена слабым ядерным взаимодействием и является одним из условий длительного существования звезды. После выгорания водорода в ядре повышается температура, и при ~1 Ю⁸ градусов начинается «горение» гелия, представляющее собой последовательное слияние его ядер в ядра последующих элементов, сопровождающееся выделением огромной энергии. При столкновении двух ядер ⁴Не устойчивое ядро ⁸Ве не образуется. Этот изотоп бериллия вообще не существует. Но если за столкновением двух ядер быстро следует столкновение с третьим ядром гелия, то образуется ядро углерода ¹²С. Это ядро реагирует с гелием дальше, превращаясь в кислород ¹⁶0. Удивительная удача (с точки зрения наличия материма для существования жизни) состоит в том, что реакция углерода с гелием идет достаточно медленно. Поэтому при образовании кислорода сохраняется и значительное количество необходимого для жизни углерода. На этом заканчивается этап горения гелия. При дальнейшем повышении температуры горят углерод и кислород. При реакциях между ядрами углерода или между ядрами кислорода образуются более тяжелые элементы магний, натрий, сера, фосфор, кремний и др. с одновременным вылетом протонов, нейтронов, а-частиц. Последние, последовательно присоединяясь к устойчивым ядрам, например ²⁸Si, образуют химические элементы вплоть до железа.

Звезду можно назвать котлом, в котором варится сырье, превращаясь в набор химических элементов. Но готовый продукт из котла надо извлечь. Без этого образовавшиеся элементы в недрах звезды никак себя не проявляют. Здесь очень кстати обнаруживается способность звезд определенного типа взрываться. На соответствующем этапе эволюции звезды в слое на некотором расстоянии от центра лавинообразно нарастает мощность выделения энергии. Возникающее давление отметает в пространство всю внешнюю массу звезды и одновременно сжимает оставшуюся центральную часть. Это взрыв невообразимой мощности. Па короткое время светимость звезды возрастает до светимости целой галактики. При этом ядерные процессы приводят к образованию всех элементов тяжелее железа. Звезда сбрасывает оболочку, которая рассеивается в окружающем пространстве.

Теперь межзвездный газ обогащен всеми химическими элементами. Следует также подчеркнуть, что образовавшиеся в ядре звезды элементы в среднем составляют лишь 1—2% от всего количества вещества звезды. В межзвездном газе по-прежнему преобладают водород и гелий. Из материала взорвавшихся звезд образуются звезды следующего поколения, планеты, их спутники, кометы. В астрофизике рассматриваются и другие пути образования тяжелых элементов, в частности в ядрах галактик. Но это лишь дополняет основной факт, сводящийся к тому, что все тяжелые элементы образуются из первичных элементов — водорода и гелия.