Химия звезд

В недрах звезд, при немыслимых для Земли условиях, при температурах в сотни миллионов Кельвинов и непостижимо огромных давлениях, протекает множество разнообразных ядерно-химических реакций. В наши дни уже существует обширная область науки, увлекательная химия недоступного — ядерная астрохимия. Она выясняет важнейшие для всей науки вопросы: как образовались во Вселенной элементы, где и какие элементы возникают, какова их судьба в вечном развитии мироздания.

Методы этой науки необычны. Она пользуется и наблюдением — изучает с помощью спектроскопии состав звездных атмосфер, и экспериментом — исследует реакции быстрых частиц в земных ускорителях. Теоретические расчеты позволяют ученым заглянуть в недра звезд, где уже открыто немало интересного и кроется много загадочного.

Выяснено, например, что в центральных областях звезд, при сверхвысоких температурах и давлениях, где скорость «выгорания» водорода особенно велика, где количество его мало, а содержание гелия велико, возможны реакции между ядрами гелия. Там рождаются загадочные ядра бериллия-8 (на Земле они совсем не могут существовать), там возникают и самые прочные ядра: углерод-12, кисло-род-16, неон-20 и другие ядра «гелиевого» цикла.

Найдены в звездах и такие ядерно-химические реакции, при которых возникают нейтроны. А уж если есть нейтроны, то можно понять, каким путем появляются в звездах и почти все остальные элементы. Но очень много загадок стоит еще перед наукой на этом пути. Непостижимо огромно многообразие звезд во Вселенной.

Вероятно, во всех доступных нашему наблюдению звездах преобладает водород, но содержанием других элементов звезды очень сильно различаются: в некоторых звездах обнаружено такое высокое содержание отдельных элементов по сравнению с обычными звездами, что их даже так и принято называть в астрофизике: «магниевые», «кремниевые», «железные», «стронциевые», «углеродные» звезды. Недавно обнаружены даже «литиевые» и «фосфорные» звезды. Эти таинственные различия в составах звезд еще ждут объяснения.

Удалось проследить и удивительные механизмы образования новых ядер. Оказывается, что не только благодаря сверхвысоким температурам ядра обладают настолько высокой энергией, что способны преодолевать электростатическое отталкивание и реагировать между собой. Очень многие элементы таким путем вообще не могли бы образоваться.

Дейтерий, литий, бериллий, бор при высокой температуре, существующей внутри звезд, очень быстро реагируют с водородом и мгновенно разрушаются. Эти элементы в мироздании «варятся» в холодных «кухнях», возможно, на поверхности звезд в звездных атмосферах, где возникают мощные электрические и магнитные поля, ускоряющие частицы до сверхвысоких энергий.

Звездные «фабрики», где создаются элементы, ставят перед учеными странные загадки, связанные с таинственными частицами нейтрино. Ученые начинают подозревать, что роль этих неуловимых частичек-призраков далеко не так безразлична, как это казалось совсем недавно. Выяснилось, что возможны такие ядерно-химические процессы, при которых большая часть энергии, образующаяся в звезде, уносится не в виде излучения, а только с нейтрино.

Но для звезды это означает катастрофу. Звезда существует в состоянии равновесия благодаря давлению звездного газа и световому давлению, которые уравновешивают силы тяготения. Если же энергия начинает уноситься из внутренности звезды только с нейтрино, которые пронизывают толщи звездных тел без сопротивления, со скоростью света, то звезда мгновенно будет сжата силами гравитационного притяжения.

Быть может, так и образуются пока непостижимые звезды — белые карлики, плотность вещества в которых может достигать многих тысяч тонн на 1 см³. Быть может, такие процессы дают начало и тем гигантским катастрофам, при которых рождаются Сверхновые звезды.

Но нет сомнения, что и эта. одна из величайших тайн природы будет разгадана. Мы узнаем и тайну запасов водорода в звездах и в мировом пространстве, будут найдены процессы, ведущие к его образованию и к образованию «молодых» водородных звезд.

Вопрос о появлении Сверхновых звезд в мироздании исключительно важен. Должна быть решена загадка, как рождается такое колоссальное количество энергии, которое способно разметать звезду и превратить ее в туманность. Именно это произошло, например, в 1054 г. В созвездии Тельца вспыхнула Сверхновая звезда и, затухая, превратилась в Крабовидную туманность.

В наше время эта туманность уже простирается на сотни биллионов (10¹²) километров. Самое интересное — то, что вспышка Сверхновой звезды, постепенно угасая, теряет свою яркость так, как если бы она состояла из изотопа калифорния-254. Его период полураспада — 55 сут — точно совпадает с периодом уменьшения яркости Сверхновых звезд (см. ст. «Рождение, жизнь и смерть химических элементов»).

Но, пожалуй, главная задача астрохимии — выяснить, как возникает во Вселенной водород. Ведь в бесчисленном множестве звездных миров происходит непрерывное уничтожение водорода, и его общие запасы во Вселенной должны убывать.

И многие ученые на Западе пришли к тяжелому и мрачному выводу о «водородной смерти» Вселенной. Они считают, что во Вселенной одна за другой гаснут звезды, исчерпавшие свои запасы водорода. И эти ранее ярко сиявшие светила одно за другим превращаются в холодные мертвые миры, которым суждено вечно носиться в космическом пространстве.

Мрачный вывод о «водородной смерти» Вселенной, логически порочен и неверен. Он опровергается опытными фактами, достижениями науки наших дней — химии Вселенной. Чудесные достижения науки, познакомившие нас с тайнами недоступных звезд, с их составом, природой, таинственными процессами, происходящими в их недрах, основаны на знаниях природы атома, его строения. Эти знания воплощены в Великом периодическом законе Менделеева. Но не следует думать, что периодический закон навсегда останется застывшим и неизменным. Нет, он и сам развивается, включая в себя все большее и большее содержание, все глубже и точнее отражая истину законов природы.

Закон периодичности свойствен и строению атомных ядер. Это позволяет надеяться на окончательное решение об относительной устойчивости элементов в мире и о составе всех небесных тел. Очень много работы вам предстоит, молодые наследники великого Менделеева.

Периодическая таблица атомных ядер очень важна и интересна. Здесь, правда, приведено только ее начало — от водорода до скандия. Полностью, к сожалению, поместить ее нельзя: уж очень она велика. Конечно, нужно немало знать, чтобы свободно читать эту удивительную таблицу и пользоваться ею. Некоторым она может показаться непонятной и многое в ней останется неясным. Этим читателям следует вернуться к ней еще не раз, подготовившись хорошенько. Содержание таблицы очень глубоко и обширно. Из нее можно узнать, сколько различных изотопов существует у любого элемента, какие они и каковы их свойства. Но самое главное в таблице — это отчетливое проявление периодических закономерностей в свойствах атомных ядер. Наиболее важные обозначения разъяснены в самой таблице. Правда, не все. Догадливый читатель сам сообразит, что обозначают некоторые из них, а о других пусть постарается узнать самостоятельно. Присмотритесь к таблице. На ней нанесены все известные в настоящее время ядра — все изотопы 21 элемента в начале таблицы Менделеева. Их очень много — более 160. Большинство из них радиоактивны, неустойчивы; стабильных сравнительно немного — всего 47. Химические свойства любого изотопа каждый химик легко определит по символу элемента — все типы его атомных ядер расположены в одном столбце. Массовое число каждого ядра помечено сбоку, справа, от обозначения изотопа. Порядковый номер элемента, как и полагается, находится рядом с его химическим символом. Сколько нейтронов содержит ядро данного изотопа — сосчитайте сами. Очень легко узнать, стабилен данный изотоп или нет, можно ли его обнаружить в природе, каково его относительное содержание. На это указывают цифры внутри ромбиков, они обозначают изотопный состав природного элемента, выраженный в процентах. Нетрудно узнать и радиоактивные свойства любого изотопа. Цвет кружка показывает, какой у этого изотопа тип распада. Период полураспада указан внутри кружка. Одни атомные ядра живут очень долго — иногда даже сотни тысяч лет (л), другие исчезают через несколько дней (д), часов (ч), минут (м), секунд (с), а есть даже и такие, что существуют всего лишь несколько миллисекунд (мс). Ломаная черная линия соединяет устойчивые ядра. Тонкие красные линии проведены по устойчивым четным ядрам, они ограничивают область устойчивости. Лиловый участок линии стабильности отмечает область магического числа 20. Сложное строение таблицы отражает, как сложен мир атомного ядра. В нем пока еще не все ясно и самим физикам. Это периодическая таблица будущего. Над ней сейчас много работают ученые. Она не завершена. Будут еще открыты и созданы новые атомные ядра, новые изотопы и выявлены новые закономерности.

перейти к началу страницы