Химические элементы полученные искусственным путем. Синтезированные химические элементы. Отрывок, характеризующий Синтезированные химические элементы
14.1 Этапы синтеза элементов
Для объяснения распространенности в природе различных химических элементов и
их изотопов в 1948 году Гамовым была предложена модель Горячей Вселенной. По
этой модели все химические элементы образовывались в момент Большого Взрыва.
Однако это утверждение впоследствии было опровергнуто. Доказано, что только
легкие элементы могли образоваться в момент Большого Взрыва, а более тяжелые
возникли в процессах нуклеосинтеза. Эти положения сформулированы в модели
Большого Взрыва (см. п. 15).
По модели Большого Взрыва формирование химических элементов началось с
первоначального ядерного синтеза легких элементов (Н, D, 3 Не, 4 Не,
7 Li) спустя 100
секунд после Большого Взрыва при температуре Вселенной 10 9 K.
Экспериментальную основу модели составляют расширение Вселенной, наблюдаемое
на базе красного смещения, первоначальный синтез элементов и космическое фоновое
излучение.
Большим достоинством модели Большого Взрыва является предсказание о
распространенности D, Не и Li, отличающихся друг от друга на много порядков.
Экспериментальные данные о распространенности элементов в нашей Галактике
показали, что атомов водорода 92%, гелия − 8%, и более тяжелых ядер − 1 атом на
1000, что согласуется с предсказаниями модели Большого Взрыва.
14.2 Ядерный синтез − синтез легких элементов (Н, D, 3 Не, 4 Не, 7 Li) в ранней Вселенной.
- Распространенность 4 Не или его относительная доля в массе Вселенной Y = 0.23 ±0.02. По крайней мере половина гелия, образованного в результате Большого Взрыва, содержится в межгалактическом пространстве.
- Первоначальный дейтерий существует только внутри Звезд и быстро
превращается в 3 Не.
Из данных наблюдений получаются следующие ограничения на распространенность дейтерия и Не относительно водорода:
10 -5 ≤ D/H ≤ 2·10 -4 и
1.2·10 -5 ≤ 3 Не/H ≤ 1.5·10 -4 ,
причем наблюдаемое отношение D/H составляет лишь долю ƒ от первоначального значения: D/H = ƒ(D/H) первонач. Поскольку дейтерий быстро превращается в 3 Не, получается следующая оценка для распространенности:
[(D + 3 Не)/H] первонач ≤ 10 -4 .
- Распространенность 7 Li измерить трудно, однако используются данные по изучению атмосфер звезд и зависимость распространенности 7 Li от эффективной температуры. Оказывается, что, начиная с температуры 5.5·10 3 K, количество 7 Li остается постоянным. Наилучшая оценка средней распространенности 7 Li имеет вид:
7 Li/H = (1.6±0.1)·10 -10 .
- Распространенность более тяжелых элементов, таких как 9 Be, 10 В и 11 В, меньше на несколько порядков. Так, распространенность 9 Ве/Н < 2.5·10 -12 .
14.3 Синтез ядер в звездах Главной Последовательности при Т < 108 K
Синтез гелия в звездах Главной Последовательности в рр- и CN-циклах происходит при температуре Т ~ 10 7 ÷7·10 7 K. Водород перерабатывается в гелий. Возникают ядра легких элементов: 2 Н, 3 Не, 7 Li, 7 Be, 8 Ве, но их мало из-за того, что в дальнейшем они вступают в ядерные реакции, а ядро 8 Be практически мгновенно распадается из-за малого времени жизни (~ 10 -16 с)
8 Ве → 4 Не + 4 Не.
Процесс синтеза, казалось, должен был бы прекратиться, но
природа нашла
обходной путь.
Когда Т > 7·10 7 K, гелий "сгорает"
, превращаясь в ядра углерода.
Происходит тройная гелиевая реакция − "Гелиевая вспышка" − 3α → 12 С, но ее
сечение очень мало и процесс образования 12 С идет в два этапа.
Происходит реакция слияния ядер 8 Ве и 4 Не с образованием ядра углерода
12 С* в возбужденном состоянии, которое возможно благодаря наличию у ядра углерода
уровня 7.68 МэВ, т.е. происходит реакция:
8 Ве + 4 Не → 12 С* → 12 С + γ.
Существование уровня энергии ядра 12 С (7.68 МэВ) помогает обойти малое время
жизни 8 Be. Благодаря наличию этого уровня у ядра 12 С происходит
Брейт-Вигнеровский
резонанс
. Ядро 12 С переходит на возбужденный уровень с энергией ΔW =
ΔМ + ε,
где εM = (M 8Be − М 4Hе)− M 12C = 7.4 МэВ, а ε компенсируется за счет кинетической
энергии.
Эта реакция была предсказана астрофизиком Хойлом, а затем воспроизведена в
лабораторных условиях. Затем начинают идти реакции:
12 С + 4 Не → 16 0 + γ
16 0 + 4 Не → 20 Ne + γ и так до А ~ 20.
Так нужный уровень ядра 12 С позволил пройти узкое место в термоядерном синтезе
элементов.
У ядра 16 О нет таких уровней энергии и реакция образования
16 О идет очень
медленно
12 С + 4 Не → 16 0 + γ.
Эти особенности протекания реакций привели к важнейшим следствиям: благодаря
им оказалось одинаковое число ядер 12 С и 16 0, что создало благоприятные условия
для образования органических молекул, т.е. жизни.
Изменение уровня 12 С на 5% привело бы к катастрофе
− дальнейший синтез
элементов прекратился бы. Но так как этого не произошло, то образуются ядра с A
в диапазоне
| А = 25÷32 |
Это приводит к значениям А
Все ядра Fe, Co, Сr образуются за счет термоядерного синтеза.
Можно вычислить распространенность ядер во Вселенной, исходя из существования
этих процессов.
Сведения о распространенности элементов в природе получаются из спектрального
анализа Солнца и Звезд, а также космических лучей. На рис. 99 представлена
интенсивность ядер при разных значениях А.
Рис. 99: Распространенность элементов во Вселенной.
Водород Н − самый распространенный элемент во Вселенной. Лития Li, бериллия
Be и бора В на 4 порядка меньше соседних ядер и на 8 порядков меньше, чем Н и
Не.
Li, Be, В − хорошее горючее, они быстро сгорают уже при Т ~ 10 7
K.
Труднее объяснить, почему они все же существуют − скорее всего, благодаря
процессу фрагментации более тяжелых ядер на стадии протозвезды.
В космических лучах ядер Li, Be, В много больше, что также является
следствием процессов фрагментации более тяжелых ядер при взаимодействии их с
межзвездной средой.
12 С÷ 16 О − результат Гелиевой вспышки и существования резонансного уровня
у 12 С и отсутствия такового у 16 О, ядро которого является также дважды магическим.
12 С − полумагическое ядро.
Таким образом, максимум распространенности у ядер железа 56 Fe, a затем
−
резкий спад.
Для А > 60 синтез энергетически невыгоден.
14.5 Образование ядер тяжелее железа
Доля ядер с А > 90 невелика − 10 -10 от ядер водорода. Процессы образования
ядер связаны с побочными реакциями, происходящими в звездах. Таких процессов
известно два:
s (slow) − медленный процесс,
г (rapid) − быстрый процесс.
Оба эти процесса связаны с захватом нейтронов
т.е. надо, чтобы возникли такие условия, при которых образуется много нейтронов.
Нейтроны образуются во всех реакциях горения.
13 С + 4 Не → 16 0 + n − горение гелия,
12 С + 12 С → 23 Mg + n − углеродная вспышка,
16 O + 16 O → 31 S + n − кислородная вспышка,
21 Ne + 4 Не → 24 Mg + n − реакция с α-частицами.
В результате накапливается нейтронный фон и могут протекать s-и r-процессы − захват нейтронов. При захвате нейтронов образуются нейтроно-избыточные ядра, а затем происходит β-распад. Он превращает их в более тяжелые ядра.
Из 26 известных в настоящее время трансурановых элементов 24 не встречаются на нашей планете. Они были созданы человеком. Как же синтезируют тяжелые и сверхтяжелые элементы?
Первый список из тридцати трех предполагаемых элементов, «Таблицу субстанций, принадлежащих всем царствам природы, которые могут считаться простейшими составными частями тел», опубликовал Антуан Лоран Лавуазье в 1789 году. Вместе с кислородом, азотом, водородом, семнадцатью металлами и еще несколькими настоящими элементами в нем фигурировали свет, теплород и некоторые окислы. А когда 80 лет спустя Менделеев придумал Периодическую систему, химики знали 62 элемента. К началу XX века считалось, что в природе существуют 92 элемента - от водорода до урана, хотя некоторые из них еще не были открыты.Тем не менее уже в конце XIX века ученые допускали существование элементов, следующих в таблице Менделеева за ураном (трансуранов), но обнаружить их никак не удавалось. Сейчас известно, что в земной коре содержатся следовые количества 93-го и 94-го элементов - нептуния и плутония. Но исторически эти элементы сначала получили искусственно и лишь потом обнаружили в составе минералов.
Из 94 первых элементов у 83 имеются либо стабильные, либо долгоживущие изотопы, период полураспада которых сравним с возрастом Солнечной системы (они попали на нашу планету из протопланетного облака). Жизнь остальных 11 природных элементов много короче, и потому они возникают в земной коре лишь в результате радиоактивных распадов на краткое время. А как же все остальные элементы, от 95-го до 118-го? На нашей планете их нет. Все они были получены искусственным путем.
Первый искусственный
Создание искусственных элементов имеет долгую историю. Принципиальная возможность этого стала понятна в 1932 году, когда Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко пришли к выводу, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Два года спустя группа Энрико Ферми попыталась получить трансураны, облучая уран медленными нейтронами. Предполагалось, что ядро урана захватит один или два нейтрона, после чего претерпит бета-распад с рождением 93-го или 94-го элементов. Они даже поспешили объявить об открытии трансуранов, которые в 1938 году в своей Нобелевской речи Ферми назвал аусонием и гесперием. Однако немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер вскоре показали, что Ферми ошибся: эти нуклиды были изотопами уже известных элементов, возникшими в результате расщепления ядер урана на пары осколков приблизительно одинаковой массы. Именно это открытие, совершенное в декабре 1938 года, сделало возможным создание ядерного реактора и атомной бомбы.Первым же синтезированным элементом стал вовсе не трансуран, а предсказанный еще Менделеевым экамарганец. Его искали в различных рудах, но безуспешно. А в 1937 году экамарганец, позднее названный технецием (от греческого??? - искусственный) был получен при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.
Легкие снаряды
Элементы с 93-го до 101-го были получены при взаимодействии ядер урана либо следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерия) или альфа-частицами (ядрами гелия). Первого успеха здесь добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Эйбелсон, которые в 1940 году синтезировали нептуний-239, отработав идею Ферми: захват ураном-238 медленных нейтронов и последующий бета-распад урана-239.Следующий, 94-й элемент - плутоний - впервые обнаружили при изучении бета-распада нептуния-238, полученного дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли в начале 1941 года. А вскоре стало понятно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой атомной бомбы. Поэтому все сведения о получении и свойствах этого элемента засекретили, и статья Макмиллана, Гленна Сиборга (за свои открытия они разделили Нобелевскую премию 1951 года) и их коллег с сообщением о втором трансуране появилась в печати лишь в 1946 году.Американские власти почти на шесть лет задержали и публикацию об открытии 95-го элемента, америция, который в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из этой же команды получили первый изотоп 96-го элемента с атомным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных заслуг Пьера и Марии Кюри, открыв тем самым традицию наименования трансуранов в честь классиков физики и химии.60-дюймовый циклотрон Калифорнийского университета стал местом сотворения еще трех элементов, 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения - берклием и калифорнием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний - двумя месяцами позже при такой же бомбардировке кюрия. 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных в районе атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк», оболочка которого была изготовлена из урана-238. Во время взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, после чего претерпевали цепочки бета-распадов, которые и вели к образованию этих элементов. 101-й элемент, менделевий, был получен в начале 1955 года. Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли альфа-частичной бомбардировке около миллиарда (это очень мало, но больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Несмотря на чрезвычайно высокую плотность пучка (60 трлн альфа-частиц в секунду), было получено лишь 17 атомов менделевия, но при этом удалось установить их радиационные и химические свойства.
Тяжелые ионы
Менделевий стал последним трансураном, полученным с помощью нейтронов, дейтронов или альфа-частиц. Для получения следующих элементов требовались мишени из элемента номер 100 - фермия, которые тогда было невозможно изготовить (даже сейчас в ядерных реакторах фермий получают в нанограммовых количествах).Ученые пошли другим путем: использовали для бомбардировки мишеней ионизированные атомы, чьи ядра содержат более двух протонов (их называют тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специализированные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли в 1957 году, вторую, циклотрон У-300 - в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 1960-м. Позднее в Дубне заработали и более мощные установки У-400 и У-400М. Еще один ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) с конца 1975 года действует в немецком Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца, в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.В ходе бомбардировок тяжелыми ионами мишеней из свинца, висмута, урана или трансуранов возникают сильно возбужденные (горячие) ядра, которые либо разваливаются, либо сбрасывают избыточную энергию посредством испускания (испарения) нейтронов. Иногда эти ядра испускают один-два нейтрона, после чего претерпевают и другие превращения - например, альфа-распад. Такой тип синтеза называется холодным. В Дармштадте с его помощью получили элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций). Этим же способом в 2004 году японские физики создали один атом 113-го элемента (годом ранее он был получен в Дубне). При горячем синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов - от трех до пяти. Этим способом в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, в честь Гленна Сиборга, под руководством которого было создано девять новых элементов). Позднее в Дубне таким путем изготовили шесть самых массивных сверхтяжеловесов - с 113-го по 118-й. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) пока утвердил лишь имена 114-го (флеровий) и 116-го (ливерморий) элементов.
Всего три атома
118-й элемент с временным названием унуноктий и символом Uuo (по правилам IUPAC, временные имена элементов образуются от латинских и греческих корней названий цифр их атомного номера, un-un-oct (ium) - 118) был создан совместными усилиями двух научных групп: дубнинской под руководством Юрия Оганесяна и Ливерморской национальной лаборатории под руководством Кентона Муди, ученика Сиборга. Унуноктий в таблице Менделеева расположен под радоном и поэтому может быть благородным газом. Однако его химические свойства пока выяснить не удалось, поскольку физики создали лишь три атома этого элемента с массовым числом 294 (118 протонов, 176 нейтронов) и периодом полураспада около миллисекунды: два в 2002 году и один в 2005-м. Их получили бомбардировкой мишени из калифорния-249 (98 протонов, 151 нейтрон) ионами тяжелого изотопа кальция с атомной массой 48 (20 протонов и 28 нейтронов), разогнанными на ускорителе У-400. Общее число кальциевых «пуль» составило 4,1х1019, так что производительность дубнинского «унуноктиевого генератора» крайне мала. Однако, по словам Кентона Муди, У-400 - единственная в мире машина, на которой можно было синтезировать 118-й элемент.«Каждая серия опытов по синтезу трансуранов добавляет новую информацию о структуре ядерной материи, которую используют для моделирования свойств сверхтяжелых ядер. В частности, работы по синтезу 118-го элемента позволили отбросить несколько прежних моделей, - вспоминает Кентон Муди. - Мы сделали мишень из калифорния, поскольку более тяжелые элементы в нужных количествах были недоступны. Кальций-48 содержит восемь добавочных нейтронов по сравнению со своим основным изотопом кальцием-40. При слиянии его ядра с ядром калифорния образовывались ядра со 179 нейтронами. Они находились в сильно возбужденных и поэтому особо нестабильных состояниях, из которых быстро выходили, сбрасывая нейтроны. В результате мы получили изотоп 118-го элемента со 176 нейтронами. И это были настоящие нейтральные атомы с полным набором электронов! Живи они чуть подольше, можно было бы судить и об их химических свойствах».
Мафусаил номер 117
Элемент 117, он же унунсептий, был получен позже - в марте 2010 года. Этот элемент был рожден на той же машине У-400, где, как и раньше, обстреливали ионами кальция-48 мишень из берклия-249, синтезированного в Окриджской национальной лаборатории. При столкновении ядер берклия и кальция возникали сильно возбужденные ядра унунсептия-297 (117 протонов и 180 нейтронов). Экспериментаторам удалось получить шесть ядер, пять из которых испарили по четыре нейтрона и превратились в унунсептий-293, а оставшееся испустило три нейтрона и дало начало унунсептию-294.В сравнении с унуноктием унунсептий оказался настоящим Мафусаилом. Период полураспада более легкого изотопа - 14 миллисекунд, а более тяжелого - целых 78 миллисекунд! В 2012 году дубнинские физики получили еще пять атомов унунсептия-293, позже - несколько атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сообщили о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели атомную массу 294. Период полураспада этого «тяжелого» унунсептия, измеренный немецкими учеными, составил около 51 миллисекунды (это хорошо согласуется с оценками ученых из Дубны).Сейчас в Дармштадте готовят проект нового линейного ускорителя тяжелых ионов на сверхпроводящих магнитах, который позволит провести синтез 119-го и 120-го элементов. Аналогичные планы осуществляют и в Дубне, где строится новый циклотрон ДС-280. Не исключено, что всего через несколько лет станет возможным синтез новых сверхтяжелых трансуранов. И сотворение 120-го, а то и 126-го элемента со 184 нейтронами и открытие острова стабильности станут реальностью.
Долгая жизнь на острове стабильности
Внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особо устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из них определены экспериментально - это 2, 8, 20 и 28.
Оболочечные модели позволяют вычислить «магические числа» сверхтяжелых ядер и теоретически - правда, без полной гарантии. Есть основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей по таблице Менделеева - минуты, часы, а то и годы (эту область таблицы принято называть островом стабильности). Самые большие надежды ученые возлагают на последний изотоп с дважды магическим ядром.
Дубнинский метод
При попадании тяжелого иона в область ядерных сил мишени может образоваться составное ядро в возбужденном состоянии. Оно либо распадается на осколки примерно равной массы, либо испускает (испаряет) несколько нейтронов и переходит в основное (невозбужденное) состояние.
«Элементы со 113-го по 118-й созданы на основе замечательного метода, разработанного в Дубне под руководством Юрия Оганесяна, - объясняет участник дармштадской команды Александр Якушев. - Вместо никеля и цинка, применявшихся для обстрела мишеней в Дармштадте, Оганесян взял изотоп с куда меньшей атомной массой - кальций-48. Дело в том, что использование легких ядер повышает вероятность их слияния с ядрами мишени. Ядро кальция-48 к тому же дважды магическое, поскольку сложено из 20 протонов и 28 нейтронов. Поэтому выбор Оганесяна сильно способствовал выживанию составных ядер, возникающих при обстреле мишени. Ведь ядро может сбросить несколько нейтронов и дать начало новому трансурану только в том случае, если оно сразу после рождения не разваливается на осколки. Чтобы синтезировать таким образом сверхтяжелые элементы, дубнинские физики делали мишени из наработанных в США трансуранов - сначала плутония, потом америция, кюрия, калифорния и, наконец, берклия. Кальция-48 в природе всего 0,7%. Его извлекают на электромагнитных сепараторах, это дорогая процедура. Один миллиграмм этого изотопа стоит около $200. Этого количества хватает на час-другой обстрела мишени, а эксперименты длятся месяцами. Сами мишени еще дороже, их цена достигает миллиона долларов. Оплата счетов за электричество тоже встает в копеечку - ускорители тяжелых ионов потребляют мегаваттные мощности. В общем, синтез сверхтяжелых элементов - удовольствие не из дешевых».
С момента возникновения нашей планеты прошло около 4,5 миллиардов лет. Сейчас на Земле сохранились только те элементы, которые не распались за это время, то есть смогли «дожить» до сегодняшнего дня - иными словами, время их полураспада дольше, чем возраст Земли. Названия этих элементов мы можем увидеть в Периодической таблице элементов (до урана).
Все элементы тяжелее урана образовались когда-то в процессе ядерного синтеза, но не дожили до наших дней. Потому что уже распались.
Вот поэтому люди вынуждены воспроизводить их заново.
Например: Плутоний. Период его полураспада всего 25 тысяч лет - совсем немного по сравнению с жизнью Земли. Этот элемент, утверждают эксперты, непременно существовал при зарождении планеты, но уже распался. Плутоний производится искусственно десятками тонн и является, как известно, одним из мощных источников энергии.
Что представляет собой процесс искусственного синтеза?
Ученые не в состоянии воссоздать ситуацию условного «сотворения мира» (т.е. необходимое состояние материи при температурах в миллиарды градусов Цельсия) в лабораторных условиях. «Сотворить» элементы в точности так, как это происходило при образовании Солнечной системы и Земли, невозможно. В процессе искусственного синтеза специалисты действуют доступными здесь на Земле средствами, но получают общее представление о том, как могло это происходить тогда и как, возможно, происходит сейчас на далеких звездах.
В общих чертах эксперимент происходит следующим образом. К ядру природного элемента (к примеру, кальция) добавляются нейтроны до тех пор, пока ядро не перестает принимать их. Последний изотоп, перегруженный нейтронами, проживает очень недолго, а произвести следующий не получается вообще. Это и есть критическая точка: предел существования ядер, перегруженных нейтронами.
Как много новых элементов можно создать?
Неизвестно. Вопрос о границе Периодической системы до сих пор открыт.
Кто придумывает название для новых элементов?
Сама процедура признания нового элемента очень сложна. Одним из ключевых требований является то, что открытие должно быть независимо перепроверено, экспериментально подтверждено. Значит, его надо повторить.
Так, например, для официального признания 112-го элемента, который был получен в Германии в 1996 году, понадобилось 14 лет. Церемония «крещения» элемента прошла только в июле 2010 года.
В мире есть несколько наиболее известных лабораторий , сотрудникам которых удалось синтезировать один или даже несколько новых элементов. Это Объединенный институт ядерных исследований в Дубне (Московская область), Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса в Калифорнии (США), Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли (США), Европейский Центр по изучению тяжёлых ионов им. Гельмгольца в Дармштадте (Германия) и др.
После того, как Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) признает факт синтеза новых химических элементов, право предлагать для них названия получают их официально признанные первооткрыватели.
При подготовке использованы материалы статей и интервью академика Юрия Оганесяна, научного руководителя Лаборатории ядерных реакций имени Флерова Объединенного института ядерных исследований в Дубне.
При обстреле урана тепловыми нейтронами из него образуются более легкие элементы с порядковыми номерами 35-65: это заставляло надеяться, что среди обломков будут найдены также изотопы элементов 43 и 61. Если вспомнить состояние вопроса получения элементов 43, 61, а также 85 и 87 в 1930 году, то можно было уловить заметный прогресс. Прежде всего, подтвердилось подозрение, что элементы 43 и 61 являются нестойкими веществами, которые "вымерли". Что касается элементов 85 и 87, то уже довольно давно их признали распавшимися радиоактивными веществами.
В 1934 году физик Иозеф Маттаух нашел эмпирическое правило, которое позволяет оценить устойчивость ядер изотопов. Согласно правилу Маттауха не может существовать второго устойчивого изотопа, если заряд его ядра отличается только на единицу от заряда ядра известного устойчивого изотопа с тем же массовым числом. Эта закономерность дополняет правило Харкинса, по которому элементы с нечетным порядковым номером (то есть нечетным числом протонов и электронов) распространены на Земле существенно реже, поскольку мала устойчивость их ядер.
По отношению к элементам 43 и 61 правило Маттауха можно изложить следующим образом. Исходя из их положения в периодической системе, массовое число элемента 43 должно быть около 98, а для элемента 61 - около 147. Однако уже были известны устойчивые изотопы для элементов 42 и 44, а также для элементов 60 и 62 с массами от 94 до 102 и соответственно от 142 до 150. Поскольку второй устойчивый изотоп с тем же массовым числом не может существовать, то элементы 43 и 61 должны иметь только нестабильных представителей. Несомненно, что когда-то элементы 43 и 61 были на Земле в достаточном количестве. Когда возникла наша Солнечная система, то путем сочетания протонов и нейтронов образовались все элементы. Однако за время существования Земли - 4,6 миллиардов лет - их неустойчивые представители постепенно совсем исчезли. Исключение составляют только те радиоактивные элементы, которые могли постоянно пополняться в пределах естественного радиоактивного ряда, ибо их исходные вещества - уран или торий - еще существуют на Земле, благодаря своим периодам полураспада, насчитывающим миллиарды лет. Элементы 43 и 61 к этим естественным радиоактивным рядам не относятся. Лишь в том случае, если имеется долгоживущий изотоп этих элементов, можно было бы надеяться обнаружить его радиохимические следы.
В то время как некоторые ученые все еще занимались ложными трансуранами, другим исследователям удалось найти вожделенные элементы 43 и 87. Вот история их открытия... В 1936 году Эмилио Сегрэ после женитьбы покинул Ферми и его коллег и уехал в Палермо, прежнюю столицу Сицилии. В тамошнем университете ему предложили кафедру физики. В Палермо, к своему большому сожалению, Сегрэ не смог продолжать изыскания, начатые с Ферми. В университете не было никакого оборудования для радиоактивных исследований. Быстро приняв решение, итальянский ученый поехал в Америку, чтобы ознакомиться с Калифорнийским университетом в Беркли, который славился самым лучшим оборудованием. В то время там находился единственный в мире циклотрон. "Те источники радиоактивности, которые я увидел, были поистине поразительными для человека, работавшего до этого только с Ra-Ве-источниками",- вспоминал физик.
Особенно заинтересовался Сегрэ отклоняющей пластиной циклотрона. Она должна была направить поток ускоренных частиц в требуемом направлении. За счет столкновений с частицами высокой энергии - ускорялись дейтроны - эта пластина очень сильно разогревалась. Поэтому ее пришлось изготовить из тугоплавкого металла - молибдена. На этот металлический молибден, бомбардируемый дейтронами, и обратил свое внимание гость из Италии. Сегрэ предположил, что из молибдена, 42-го элемента, в результате обстрела дейтронами могли, быть может, образоваться изотопы все еще неизвестного элемента 43. Возможно, по уравнению:
Мо + D = Х + n
Природный молибден является смесью шести устойчивых изотопов. Сегрэ предположил: а вдруг один из шести возможных радиоактивных изотопов элемента 43, в которые теоретически мог бы превратиться молибден,- хотя бы один - оказался настолько долгоживущим, чтобы выдержать морское путешествие в Сицилию. Ибо итальянский физик намеревался заниматься поисками элемента 43 только в институте на родине.
Исследователь пустился в обратный путь, имея в кармане кусок молибденовой пластины от циклотрона в Беркли. В конце января 1937 года он начал исследования при поддержке минералога и химика-аналитика Перрье. Оба, действительно, нашли радиоактивные атомы, которые по химическим свойствам можно было поместить между марганцем и рением. Количества экамарганца, которые вновь искусственно возродились на Земле благодаря исследовательскому гению человека, были невообразимо малы: от 10-10 до 10-12 г 43-го элемента!
Когда в июле 1937 года Сегрэ и Перрье доложили о синтезе первого искусственного элемента, давно вымершего на Земле - это был день, вошедший в историю. Для элемента 43 позднее нашли очень точное наименование: технеций, происходящее от греческого technetos - искусственный. Можно ли будет когда-либо получить его в весомых количествах и подержать в руках? Вскоре удалось ответить на этот вопрос положительно, когда обнаружилось, что при делении урана возникают изотопы 43 с относительно высоким выходом. Особое внимание привлек изотоп с массовым числом 101 и периодом полураспада 14 мин. Предполагали, что вещество Ферми с периодом полураспада 13 мин, мнимый элемент 93, должен был быть изотопом элемента 43.
Естественные радиоактивные ряды имеют окончательный вид - в этом никто больше не отваживался сомневаться, в особенности после масс-спектрографической идентификации урана-235 Демпстером. Однако имелось слабое место в ряду уран - актиний. Прошло более двадцати лет с тех пор, как в этом ряду отметили "неточность", которая была почти что предана забвению. Еще в 1913/1914 годах на это несовпадение наткнулись английский химик Крэнстон и австрийские исследователи радиоактивности Майер, Хесс и Панет при изучении актиния. В качестве бета-излучателя актиний, как известно, превращается в радиоактиний, то есть в изотоп тория. Когда ученые изучали процесс превращения, они всегда наблюдали слабое альфа-излучение. Эту остаточную активность (примерно 1 %) обнаруживал и Отто Хан в опытах по получению чистого актиния. "Я не мог решиться на то, чтобы придать значение этой небольшой величине",- сообщил Хан позднее. Он считал, что это, скорее всего, примесь.
Прошло много лет. Французская ученая Маргарита Перей, сотрудница знаменитого Радиевого института в Париже, снова пошла по этому следу, очень тщательно очистила фракции актиния и в сентябре 1939 года смогла доложить об удачном выделении нового радиоактивного изотопа. Это был столь долго отсутствовавший элемент 87, тот альфа-излучающий побочный продукт, который дает остаточную однопроцентную активность актиния. Мадам Перей нашла разветвление в уже заполненном ряду, ибо изотоп элемента 87 точно так же превращается в актиний X, как и известный радиоактиний. По предложению Перей элемент 87 назвали францием в честь ее родины.
Правда, химики и по сей день не достигли больших успехов в изучении элемента 87. Ведь все изотопы Франция - короткоживущие и распадаются в течение миллисекунд, секунд или минут. По этой причине элемент поныне остался "неинтересным" для многих химических исследований и практического использования. При необходимости его получают искусственно. Конечно, франций можно "получать" и из естественных источников, но это - сомнительное предприятие: 1 г природного урана содержит только 10[-18] г франция!
Когда периодическая система была открыта, недоставало 23-х элементов, теперь - только двух: 61- и 85-го. Как шла дальше охота за элементами? Летом 1938 года Эмилио Сегрэ вновь поехал в Беркли. Он намеревался изучить короткоживущие изотопы элемента 43. Безусловно, такие исследования надо было предпринять на месте. Изотопы с малым периодом полураспада не "пережили" бы путь в Италию. Едва прибыв в Беркли, Сегрэ узнал, что возвращение в фашистскую Италию стало для него невозможным из-за расового террора. Сегрэ остался в Беркли и продолжал там свои работы.
В Беркли с более мощным циклотроном можно было разогнать альфа-частицы до высоких энергий. После преодоления так называемого порога кулоновского взаимодействия эти альфа-частицы были в состоянии проникнуть даже в ядра тяжелых атомов. Теперь Сегрэ увидел возможность превратить висмут, элемент 83, в неизвестный элемент 85. Совместно с американцами Корсоном и Маккензи он бомбардировал ядра висмута альфа-частицами с энергией 29 МэВ, чтобы провести следующий процесс:
Bi + He = X + 2n
Реакция осуществилась. Когда исследователи закончили первую совместную работу, 1 марта 1940 года, они лишь осторожно высказали мысль "о возможном получении радиоактивного изотопа элемента 85". Вскоре после этого они были уже уверены: искусственно получен элемент 85, до того как он был найден в природе. Последнее посчастливилось сделать лишь несколько лет спустя англичанке Лей-Смит и швейцарцу Миндеру из института в Берне. Им удалось показать, что элемент 85 образуется в радиоактивном ряду тория в результате побочного процесса. Для открытого элемента они выбрали название англо-гельвеций, которое было раскритиковано как словесная несуразица. Австрийская исследовательница Карлик и ее сотрудник Бернерт вскоре нашли элемент 85 в других рядах естественной радиоактивности, тоже как побочный продукт. Однако право дать наименование этому элементу, встречающемуся лишь в следах, оставалось за Сегрэ и его сотрудниками: теперь его называют астат, что в переводе с греческого означает непостоянный. Ведь самый устойчивый изотоп этого элемента обладает периодом полураспада только 8,3 ч.
К этому времени профессор Сегрэ пытался также синтезировать элемент 61. Между тем стало ясно, что оба соседа этого элемента по периодической системе, неодим и самарий, слабо радиоактивны. Сначала это казалось удивительным, так как в то время считали, что радиоактивность присуща наиболее тяжелым элементам. Неодим, 60-й элемент, излучал бета-лучи, следовательно, должен был превращаться в элемент 61. Тот факт, что этот неизвестный химический элемент до сих пор не могли выделить, вероятно, объяснялся его быстрым радиоактивным распадом. Что же делать? Здесь выход заключался опять-таки в искусственном получении искомого элемента. Раз элемент 61 нельзя было найти в природе, физики попытались его синтезировать.
В 1941/42 годах ученые Лоу, Пул, Квилл и Курбатов из Государственного университета в Огайо бомбардировали редкоземельный элемент неодим дейтронами, разогнанными в циклотроне. Они обнаружили радиоактивные изотопы нового элемента, который назвали циклонием. Однако это был лишь след, оставленный на фотопленке.
Каковы были успехи Эмилио Сегрэ? Он облучал альфа-лучами празеодим - элемент 59. Однако переработка безусловно синтезированных им изотопов элемента 61 оказалась слишком сложной. Выделение их из других редкоземельных элементов не удалось.
Об одном безрезультатном исследовании пришло известие из Финляндии. Еще в 1935 году химик Эреметсе начал анализировать концентраты смеси оксидов самария и неодима на природное содержание в них 61-го элемента. Для этой цели было переработано несколько тонн апатита.
Первый этап борьбы за 61-й элемент имел ничейный результат. Нельзя было даже принять предложенное название "циклоний".
Синтез элементов
Еще в начале 40-х годов идею Большого Взрыва пытались использовать для объяснения происхождения химических элементов. Американские исследователи Р. Альфер, Г. Гамов и Р. Герман предположили, что на самых ранних этапах своего существования Вселенная представляла собой сгусток сверхплотного нейтронного газа (или, как они его назвали, «илема»). Позже, однако, было показано, что ряд тяжелых элементов может образоваться в недрах звезд за счет циклов ядерных реакций, так что нужда в «илеме», казалось, отпала.
Уточнение химического состава Космоса вскоре привело к противоречию. Если подсчитать, сколько водорода в звездах нашей Галактики должно было за время ее существования (10 млрд. лет) «перегореть» в гелий, то окажется, что наблюдаемое количество гелия в 20 раз больше того, которое получается по теоретическим расчетам. Это означает, что источником образования гелия должен быть не только его синтез в недрах звезд, но и какие-то иные, весьма мощные процессы. В конце концов пришлось снова обратиться к идее Большого Взрыва и в нем искать источник избыточного гелия. На этот раз успех выпал на долю известных советских ученых академика Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, которые в серии обстоятельных работ подробно обосновали теорию Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной (Я. В. Зельдович, И. Д. Новиков. Строение и эволюция Вселенной. М., Наука, 1975 ). Основные положения этой теории сводятся к следующему.
Расширение Вселенной началось с очень большой плотности и очень высокой температуры. На заре своего существования Вселенная напоминала лабораторию высоких энергий и высоких температур. Но это, конечно, была лаборатория, не имеющая земных, аналогий.
Само «начало» Вселенной, т. е. ее состояние, соответствующее, по теоретическим расчетам, радиусу, близкому к нулю, ускользает пока даже от теоретического представления. Дело в том, что уравнения релятивистской астрофизики сохраняют силу до плотности порядка 10 93 г/см3. Сжатая до такой плотности Вселенная когда-то имела радиус порядка одной десятибиллионной доли сантиметра, т. е. по размерам была сравнима с протоном! Температура этой микровселенной, кстати сказать, весившей не менее 10 51 тонн, была неимоверно велика и, по-видимому, близка к 10 32 градусам. Такой Вселенная была спустя ничтожную долю секунды после начала «взрыва». В самом же «начале» и плотность и температура обращаются в бесконечность, т. е. это «начало», применяя математическую терминологию, является той особой «сингулярной» точкой, для которой уравнения современной теоретической физики теряют физический смысл. Но это не означает, что до «начала» ничего не было: просто мы не можем представить себе, что было до условного «начала» Вселенной.
В нашей жизни секунда - ничтожный интервал. В первые же моменты жизни Вселенной (условно отсчитываемой от «начала»), уже на протяжении первой секунды развернулось множество событий. Термин «расширение» тут кажется слишком слабым и потому неуместным. Нет, это было не расширение, а сильнейший по мощности взрыв.
К исходу одной стотысячной доли секунды после «начала» Вселенная в своем микрообъеме заключала смесь элементарных частиц: нуклонов и антинуклонов, электронов и позитронов, а также мезонов, квантов света (фотонов). В этой смеси, по мнению Я. Б. Зельдовича, вероятно, присутствовали гипотетические (пока) гравитоны и кварки (Гравитоны и кварки - гипотетические частицы; взаимодействие гравитонов с другими частицами обусловливает гравитационное поле (это кванты гравитационного поля); кварки - «основные кирпичики», комбинации которых дают все многообразие частиц. На обнаружение кварков затрачено много сил и средств, но они до сих пор не найдены ), но главная роль все же, по-видимому, принадлежала нейтрино.
Когда «возраст» Вселенной составлял одну десятитысячную долю секунды, ее средняя плотность (10 14 г/см3) была уже близка к плотности атомных ядер, а температура снизилась примерно до нескольких биллионов градусов. К этому времени нуклоны и антинуклоны уже сумели аннигилировать, т. е. взаимно уничтожиться, превратившись в кванты жесткого излучения. Сохранялось лишь и множилось количество нейтрино, рождавшихся при взаимодействии частиц, так как нейтрино наиболее слабо взаимодействуют с другими частицами. Это растущее «море» нейтрино изолировало друг от друга наиболее долго живущие частицы - протоны и нейтроны и обусловило превращение протонов и нейтронов друг в друга и рождение электрон-по-зитронных пар. Неясно, чем обусловлено последующее преобладание в нашем мире частиц и незначительное количество античастиц. Возможно, почему-либо имела место изначальная асимметрия: число античастиц всегда было меньше числа частиц, либо, как полагают некоторые ученые,благодаря не известному пока механизму разделения частицы и античастицы отсортиро-вались, сконцентрировавшись в разных частях Вселенной, а античастицы где-то так же преобладают (как в нашем мире преобладают частицы), образуя антимир.
По словам Я. Б. Зельдовича, «на сегодняшний момент во Вселенной остались кванты, которые мы наблюдаем, а также нейтрино и гравитоны, которые современными средствами мы наблюдать не можем и, вероятно, не сможем еще много лет».
Продолжим цитату:
«Итак, с течением времени во Вселенной все частицы «вымирают», остаются только кванты. С точностью до одной стомиллионной это правильно. Но в действительности на каждые сто миллионов квантов приходится один протон или нейтрон. Эти частицы сохраняются потому, что им - оставшимся частицам - не с чем аннигилировать (вначале нуклоны, протоны и нейтроны аннигилировали со своими античастицами). Их мало, но именно из этих частиц, а не из квантов состоят Земля и планеты, Солнце и звезды» (Земля и Вселенная, 1969, № 3, с. 8 (Я. Б. Зельдович. Горячая Вселенная) ).
Когда возраст Вселенной достиг трети секунды, плотность снизилась до 10 7 г/см3, а температура - до 30 млрд. градусов. В этот момент, по выражению академика В. Л. Гинзбурга, нейтрино отрываются от нуклонов и в дальнейшем уже не поглощаются ими. Сегодня эти «первичные», странствующие в космическом пространстве нейтрино должны обладать энергией всего в несколько десятитысячных долей электронволь-та. Фиксировать такие нейтрино мы не умеем: для этого чувствительность современной аппаратуры надо увеличить в сотни тысяч раз. Если когда-нибудь это удастся сделать, «первичные» нейтрино принесут нам ценную информацию о первой секунде жизни Вселенной.
К исходу первой секунды Вселенная увеличилась до размеров, примерно в сто раз превышающих размеры современной Солнечной системы, поперечник которой равен 15 млрд. км. Теперь уже плотность ее вещества составляет 1 т/см3, а температура - около 10 млрд. градусов. Здесь еще ничто не напоминает современный космос. Отсутствуют привычные нам атомы и атомные ядра, нет и стабильных элементарных частиц.
Всего 0,9 секунды ранее при температуре 100 млрд. градусов протонов и нейтронов было поровну. Но при снижении температуры более тяжелые нейтроны распадались на протоны, электроны и нейтрино. Значит, число протонов во Вселенной неуклонно росло, а количество нейтронов уменьшалось.
Возраст Вселенной - три с половиной минуты. Теоретические расчеты фиксируют для этого момента температуру в 1 млрд. градусов и плотность уже в сто раз меньше плотности воды. Размеры Вселенной всего за три с половиной минуты возросли почти от нуля до 40 св. лет (Для расширения пространства скорость света не является предельной ). Создались условия, при которых протоны и нейтроны стали объединяться в ядра самых легких элементов, преимущественно водорода. Наступает некоторая стабилизация, и к концу четвертой минуты от начала «первовзрыва» Вселенная по массе состояла из 70% водорода и 30% гелия. Вероятно, таким же был первоначальный состав самых древних звезд. Более тяжелые элементы возникли позже в результате тех процессов, которые совершаются в звездах.
Дальнейшая история Вселенной более спокойна, чем ее бурное начало. Темп расширения постепенно замедлился, температура, как и средняя плотность, постепенно снижалась, и когда Вселенной исполнился миллион лет, ее температура стала настолько низкой (3500 градусов по Кельвину), что протоны и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы. С этого момента, по существу, начинается современный этап эволюции Вселенной. Возникают галактики, звезды, планеты. В конце концов через много миллиардов лет Вселенная стала такой, какой мы ее видим.
Возможно, некоторые из читателей, пораженные колоссальными, далекими от привычной реальности числами, подумают, что нарисованная в самых общих чертах история Вселенной есть лишь теоретическая абстракция, далекая от действительности. Но это не так. Теория раширяющейся Вселенной объясняет разбегание галактик. Она подтверждается многими современными данными о космосе. Наконец, недавно было найдено еще одно очень убедительное опытное подтверждение сверхгорячего состояния древней Вселенной.
Первичная плазма, которая изначально заполняла Вселенную, состояла из элементарных частиц и квантов излучения, или фотонов, - это был так называемый фотонный газ. Первоначально плотность излучения в «микровселенной» была очень велика, но по мере ее расширения «фотонный газ» постепенно охлаждался. Так охлаждался бы горячий воздух внутри какого-нибудь непрерывно расширяющегося замкнутого объема.
Ныне от первичного «жара» должны были бы остаться лишь трудноуловимые следы. Энергия квантов первичного «фотонного газа» снизилась до величины, отвечающей температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Ныне первичный «фотонный газ» должен излучать наиболее интенсивно в сантиметровом радиодиапазоне.
Таковы теоретические прогнозы. Но они подтверждаются наблюдениями. В 1965 г. американские радиофизики обнаружили шумовое радиоизлучение на волне 7,3 см. Это излучение равномерно поступало из всех точек небосвода и явно не было связано с каким-нибудь дискретным космическим радиоисточником. Не повинны в нем и земные радиостанции, и помехи, порождаемые радиоаппаратурой.
Так было открыто реликтовое излучение Вселенной, остаток ее первичной невообразимо высокой температуры. Тем самым получила подтверждение «горячая» модель первичной Вселенной, теоретически рассчитанная Я. Б. Зельдовичем и его учениками.
Итак, судя по всему, Вселенная родилась в результате мощнейшего «первовзрыва». Из ничтожно малого по объему, но сверхтяжелого, сверхплотного, сверхгорячего сгустка вещества и излучения за несколько миллиардов лет возникло то, что ныне мы именуем Космосом.
Когда из очень малого, но невообразимо плотного сгустка вещества Вселенная расширилась до космических размеров, исполинский, еще очень горячий и сверхплотный шар ее, вероятно, распался на множество «осколков». Это могло быть следствием, например, неоднородности шара и различной скорости процессов, в нем происходивших.
Каждый из «осколков», состоявший из дозвездной материи с громадными запасами энергии, в свою очередь со временем распадался. Возможно, что продуктами распада и были квазары - зародыши галактик. Как полагают академик В. А. Амбарцумян и другие исследователи, в ядрах квазаров (а равно и в ядрах галактик) сосредоточено дозвездное вещество, свойства которого мы пока не можем определить, а внешние их слои состоят из плазмы и газов, плотность которых всего лишь в несколько раз выше, чем плотность материи в галактиках. Если это так, то надо признать, что «первовзрыв» и последующие, вторичные взрывы выбрасывали в пространство не только «осколки» дозвездного вещества, но и диффузную материю - плазму, газы, из которых формировалась пылевая материл. При этом надо думать, что первоначальное содержание газопылевой материи во Вселенной было значительно более высоким, чем ныне.
Как бы то ни было, по нашим современным представлениям, вплоть до стадии появления галактик во Вселенной преобладали взрывные процессы. Но как мы видели, взрывные процессы характерны и для стадии галактик, хотя интенсивность их уменьшается в процессе эволюции галактик - от бурных проявлений энергии в галактиках Маркаряна и Сейферта до спокойного истечения материи из ядер таких галактик, как наша. Таким образом, теория расширяющейся Вселенной, возможно, смыкается с концепцией академика Амбарцумяна, который, основываясь на собственных открытиях и открытиях своих сотрудников, а также на трудах зарубежных астрономов, распространяет идею созидающего взрыва и на процессы звездообразования. Согласно этой концепции, и все известные нам космические объекты (галактики, звезды, газопылевые туманности) рождаются в процессе взрыва из сверхплотных, начиненных огромными запасами энергии сгустков дозвездного вещества. Потому-то звезды и возникают в виде разлетающейся, первоначально компактной группы, состоящей из многих тысяч или миллионов звезд. Автору эта гипотеза кажется наиболее вероятной из всех других, а потому он предлагает следующую «родословную» всех космических объектов.
«Первоатом», т. е. Вселенная в первичном сверхплотном состоянии, и первичный огненный шар - ее самые далекие предки, давшие, конечно, кроме планет почти бесчисленное потомство всех космических объектов.
Какой-то фрагмент огненного шара, возможно, стал зачаточным ядром нашей Галактики и со временем обзавелся звездным населением. Это зачаточное галактическое ядро и, вероятно, отпочковавшаяся от него звездная ассоциация, в которую входило Солнце, - следующие, более близкие к нам по времени «родственники» Земли.
Предложенная схема эволюции космоса от «перво-атома» к звездам - лишь гипотеза, подлежащая дальнейшей разработке и проверке. Пока никакой теории превращения гипотетической «дозвездной материи» в наблюдаемые космические объекты не существует, и это обстоятельство - одно из уязвимых мест в концепции В. А. Амбарцумяна.
С другой стороны, рождение звезд путем конденсации разреженной газопылевой материи нельзя считать абсолютно невозможным, наоборот, до сих пор большинство астрономов придерживается подобной «конденсационной» гипотезы. Гигантские скопления газопылевой материи, возможно, возникли на стадии «вторичных» взрывов «осколков первовзрыва». Можно полагать, что распределение вещества в них было поначалу неравномерным. Некоторое общее вращение таких скоплений порождает, вероятно, в них мощные магнитные поля, благодаря чему структура газопылевых облаков могла стать волокнистой. Под воздействием гравитационных сил в расширениях (узлах) этих «волокон» и могла начаться концентрация материи, приводившая к возникновению целых семейств звезд.
Этой концепции пока придерживается большинство исследователей, хотя и она имеет свои слабые стороны. Вполне допустимо, что обе концепции («взрывная» и «конденсационная») вовсе не исключают, а дополняют друг друга: ведь при распаде дозвездной материи возникают не только звезды, но и туманности. Может быть, вещество этих туманностей когда-нибудь послужит (или уже много раз служило) исходным материалом для конденсации звезд и планет? Лишь будущие исследования смогут внести полную ясность в этот вопрос.
Теория Большого Взрыва, разработанная Я. Б. Зельдовичем и Н. Д. Новиковым, отлично объяснила «избыток» гелия во Вселенной. По их недавним расчетам, уже спустя 100 секунд после начала расширения водорода во Вселенной было 70%, гелия - около 30%. Остальной гелий и более тяжелые элементы появились в ходе эволюции звезд.
Несмотря на этот большой успех, горизонты теории Большого Взрыва отнюдь не безоблачны. За последнее время открыт ряд фактов, не укладывающихся в рамки этой теории (Подробнее см. в кн.: В. П. Чечев, Я. М. Крамаровский. Радиоактивность и эволюция вселенной. М., Наука, 1978 ). Так, например, известны галактики, явно физически связанные между собой и находящиеся от нас на равном расстоянии, но имеющие при этом существенно различающиеся (иногда в 13 раз!) «красные смещения». Непонятно и другое: почему на одном и том же расстоянии спиральные галактики имеют всегда большие «красные смещения», чем эллиптические галактики. По некоторым данным получается, что в разных направлениях скорость расширения, «распухания» Вселенной неодинакова, что противоречит сложившимся до сих пор представлениям о строго «сферической» форме расширяющегося мира?
Наконец, недавно выяснилось, что скорости галактик относительно фона реликтового излучения очень малы. Они измеряются не тысячами и десятками тысяч километров в секунду, как это следует из теории расширяющейся Вселенной, а всего лишь сотнями километров в секунду. Выходит, что галактики практически покоятся относительно реликтового фона Вселенной, который по ряду причин можно считать абсолютной системой отсчета (Подробнее см. в кн.: Развитие методов астрономических исследований (А. А. Ефимов. Астрономия и принцип относительности). М., Наука, 1979, с. 545 ).
Как преодолеть эти трудности, пока неясно. Если окажется, что «красное смещение» в спектрах галактик вызвано не эффектом Доплера, а каким-то иным, пока не известным нам процессом, нарисованная схема происхождения химических элементов может оказаться неверной. Однако скорее всего Большой Взрыв не иллюзия, а реальность, и теория «горячей» расширяющейся Вселенной есть одно из важнейших достижений науки XX века.
В заключение заметим, что каких бы взглядов на эволюцию Вселенной ни придерживаться, остается незыблемым бесспорный факт - мы живем в химически нестабильном Мире, состав которого непрерывно меняется.
