Происхождение химических элементов во Вселенной

Происхождение химических элементов во Вселенной

Создание химических элементов на Земле

Все знают периодическую таблицу химических элементов — таблицу Менделеева. Там элементов достаточно много и непрерывно физики трудятся над тем, чтобы создать всё более и более тяжёлые трансурановые элементы. Есть много интересного в ядерной физике, связанного с устойчивостью этих ядер. Есть всякие острова стабильности и люди, работающие на соответствующих ускорителях, пытаются создать химические элементы с очень большими атомными числами. Но все эти элементы живут очень недолго. То есть можно создать несколько ядер этого элемента, успеть что-то исследовать, доказать что вы его вправду синтезировали и открыли этот элемент. Получите право присвоить ему какое-то имя, может быть получите Нобелевскую премию. Но в природе этих химических элементов кажется нет, но на самом деле они могут в каких-то процессах возникать. Но совершенно в ничтожных количествах и за короткое время распадаются. Поэтому во Вселенной, в основном, мы видим элементы начиная с урана и легче.

Эволюция Вселенной

Но Вселенная наша эволюционирует. И вообще, как только вы пришли к идее какого-то глобального изменения, вы неизбежно приходите к мысли о том, что всё что вы видите вокруг, в том или ином смысле, становится бренным. И если, в смысле людей, зверей и вещей мы как-то с этим смирились, то сделать следующий шаг, иногда, кажется странным. Например, вода то она всегда вода или железо оно всегда железо?! Ответ нет, поскольку эволюционирует Вселенная в целом и когда-то, естественно, не было, например, земли и все её составные части были разбросаны по какой-нибудь туманности, из которой складывалась Солнечная система. Нужно идти ещё и ещё дальше назад и окажется, что когда-то не было, не только Менделеева и его периодической таблицы, но не было никаких элементов в неё входящих. Так как наша Вселенная родилась, пройдя через очень горячее, через очень плотное состояние. А когда горячо и плотно, всё сложные структуры разрушаются. И поэтому, в очень ранней истории Вселенной не существовало стабильно никаких, привычных для нас, веществ или даже элементарных частиц.

Происхождение лёгких химических элементов во Вселенной

Образование химического элемента — водорода

По мере того, как Вселенная расширялась, остывала и становилась менее плотной, появлялись какие-то частицы. Грубо говоря, каждой массе частицы, мы можем сопоставить энергию по формуле E=mc2. Каждой энергии мы можем сопоставить температуру и когда температура падает ниже этой критичной энергии, частица может становиться стабильной и может существовать.

Соответственно Вселенная расширяется, остывает и из таблицы Менделеева первым естественно появляется водород. Потому что это просто протон. То есть появились протоны, и мы можем сказать, что появился водород. В этом смысле Вселенная на 100% состоит из водорода, плюс тёмное вещество, плюс тёмная энергия, плюс многое излучения. Но из обычного вещества есть только водород. Появляются протоны, начинают появляться нейтроны. Нейтроны немножечко тяжелее протонов и это приводит к тому, что нейтронов появляется немножко меньше. Чтобы какие-то временные факторы в голове были, мы говорим ещё о первых долях секунды жизни Вселенной.

«Первые три минуты»

Появились протоны и нейтроны, вроде бы горячо и плотно. И с протона и нейтрона можно начать термоядерные реакции, как в недрах звёзд. Но на самом деле, ещё слишком горячо и плотно. Поэтому надо чуть-чуть подождать и где-то с первых секунд жизни Вселенной и до первых минут. Есть книжка Вайнберга известная, называется «Первые три минуты» и она посвящена вот этому этапу в жизни Вселенной.

Происхождение химического элемента — гелия

В первые минуты начинают идти термоядерные реакции, потому что вся Вселенная похожа на недра звезды и термоядерные реакции могут идти. Начинают образовываться изотопы водородадейтерий и соответственно тритий. Начинают образовываться более тяжелые химические элементыгелий. А вот дальше двигаться трудно, потому что стабильных ядер с числом частиц 5 и 8 нет. И получается такая вот сложная затыка.

Представьте, что у вас комната усыпана детальками от лего и вам нужно бегать и собирать структуры. Но детальки разбегаются или комната расширяется, то есть, как-то всё движется. Вам трудно собирать детальки, да ещё вдобавок, например, вот две вы сложили, потом ещё две сложили. А вот приткнуть пятую не получается. И поэтому за эти первые минуты жизни Вселенной, в основном, успевает сформироваться только гелий, немножко лития, немножко дейтерия остаётся. Он просто сгорает в этих реакциях, превращается в тот же гелий.

Так, что в основном Вселенная оказывается, состоящей из водорода и гелия, спустя первые минуты своей жизни. Плюс совсем небольшое количество элементов немножко более тяжёлых. И как бы всё, на этом первоначальный этап формирования таблицы Менделеева закончился. И наступает пауза, пока не появятся первые звезды. В звёздах опять получается горячо и плотно. Создаются условия для продолжения термоядерного синтеза. И звёзды большую часть своей жизни, занимаются синтезом гелия из водорода. То есть всё равно игра с первыми двумя элементами. Поэтому из-за существования звёзд, водорода становится меньше, гелия становится больше. Но важно понимать, что по большей части, вещество во Вселенной находится не в звёздах. В основном обычное вещество разбросано по всей Вселенной в облаках горячего газа, в скоплениях галактик, в волокнах между скоплений. И этот газ может быть никогда не превратится в звёзды, то есть в этом смысле, Вселенная всё равно останется, в основном, состоящей из водорода и гелия. Если мы говорим об обычном веществе, но на фоне этого, на уровне процентов, количество лёгких химических элементов падает, а количество тяжёлых элементов растет.

Звёздный нуклеосинтез

И так после эпохи первоначального нуклеосинтеза, наступает эпоха звёздного нуклеосинтеза, который идёт и в наши дни. В звезде, в начале водород превращается в гелий. Если условия позволят, а условия это температура и плотность, то пойдут следующие реакции. Чем дальше мы продвигаемся по таблице Менделеева, тем труднее начинать эти реакции, тем более экстремальные условия нужны. Условия создаются в звезде сами по себе. Звезда сама на себя давит, ее гравитационная энергия уравновешивается с её внутренней энергией, связанной с давлением газа и изучением. Соответственно, чем тяжелее звезда, тем сильнее она себя сдавливает и получает более высокую температуру и плотность в центре. И там могут идти следующие атомные реакции.

Химическая эволюция звёзд и галактик

В Солнце после синтеза гелия, запустится следующая реакция, будет образовываться углерод и кислород. Дальше реакции не пойдут и Солнце превратится в кислородно-углеродный белый карлик. Но при этом внешние слои Солнца, уже обогащённые реакция синтеза, будут сброшены. Солнце превратится в планетарную туманность, внешние слои разлетятся. И по большей части, вот так сброшенное вещество, после того, как она перемешается с веществом межзвёздной среды, сможет войти в состав следующего поколения звёзд. Так что у звёзд есть такая вот эволюция. Есть химическая эволюция галактик, каждые следующие образующиеся звёзды, в среднем, содержат всё больше и больше тяжелых элементов. Поэтому самые первые звёзды, которые образовывались из чистого водорода и гелия, они, например, не могли иметь каменных планет. Потому что их не из чего было делать. Нужно было, чтобы прошел цикл эволюции первых звёзд и здесь важно, что быстрее всего эволюционируют массивные звёзды.

Происхождение тяжёлых химических элементов во Вселенной

Происхождение химического элемента — железа

Солнце и его полное время жизни почти 12 млрд лет. А массивные звезды живут несколько миллионов лет. Они доводят реакции до железа, и в конце своей жизни взрываются. При взрыве, кроме самого внутреннего ядра, всё вещество оказывается сброшено и поэтому наружу сбрасывается большое количество, естественно, и водорода, который остался не переработанным во внешних слоях. Но важно, что выбрасывается большое количество кислорода, кремния, магния, то есть уже достаточно тяжелых химических элементов, чуть-чуть не доходящих до железа и, родственных ему, никеля и кобальта. Очень выделенные элементы. Может быть, со школьных времен памятна такая картинка: номер химического элемента и выделение энергии при реакциях синтеза или распада и там получается такой максимум. И железо, никель, кобальт находятся на самой верхушке. Это означает, что распад тяжелых химических элементов выгоден до железа, синтез из лёгких тоже выгоден до железа. Дальше энергию нужно тратить. Соответственно мы двигаемся со стороны водорода, со стороны лёгких элементов и реакция термоядерного синтеза в звездах могут доходить до железа. Они должны идти с выделением энергии.

При взрыве массивной звезды, железо, в основном, не выбрасывается. Оно остается в центральном ядре и превращается в нейтронную звезду или чёрную дыру. Но выбрасываются химические элементы тяжелее железа. Железо выбрасывается при других взрывах. Взрываться могут белые карлики, то что остается, например, от Солнца. Сам по себе белый карлик очень стабильный объект. Но у него есть предельная масса, когда он эту устойчивость теряет. Начинается термоядерная реакция горения углерода.

Взрыв Сверхновой

И если обычная звезда, это очень стабильный объект. Вы её чуть-чуть нагрели в центре, она на это отреагирует, она расширится. Упадет температура в центре, и всё она себя отрегулирует. Как бы в её ни грели или ни охлаждали. А вот белый карлик так не умеет. Вы запустили реакцию, он хочет расшириться, а не может. Поэтому термоядерная реакция быстро охватывает весь белый карлик и он целиком взрывается. Получается взрыв Сверхновой типа 1А и это очень хорошая очень важная Сверхновая. Они позволили открыть ускоренное расширение Вселенной. Но самое главное, что при этом взрыве карлик разрушается полностью и там синтезируется много железа. Всё железо вокруг, все гвозди, гайки, топоры и все железо внутри нас, можно уколоть палец и посмотреть на него или попробовать на вкус. Так вот всё это железо взялось из белых карликов.

Происхождение тяжёлых химических элементов

Но есть ещё более тяжелые элементы. Где же синтезируется они? Долгое время считалось, что основное место синтеза более тяжелых элементов, это взрывы Сверхновых, связанных с массивными звёздами. Во время взрыва, то есть когда есть много лишней энергии, когда летают всякие лишние нейтроны, можно проводить реакции, которые энергетически невыгодны. Просто условия так сложились и в этом, разлетающемся веществе, могут идти реакции, синтезирующие достаточно тяжёлые химические элементы. И они действительно идут. Многие химические элементы, тяжелее железа, образуются именно таким способом.

Кроме того, даже не взрывающиеся звезды, на определенном этапе своей эволюции, когда они превратились в красных гигантов могут синтезировать тяжелые элементы. В них идут термоядерные реакции, в результате которых образуется немножко свободных нейтронов. Нейтрон, в этом смысле, очень хорошая частица, поскольку заряд у неё нет, она может легко проникать в атомное ядро. И проникнув в ядро, потом нейтрон может превратиться в протон. И соответственно элемент перепрыгнет на следующую клеточку в таблице Менделеева. Этот процесс довольно медленный. Он называется s-процесс, от слова slow-медленный. Но он достаточно эффективный и многие химические элементы синтезируются в красных гигантах именно способом. А в Сверхновых идет r- процесс, то есть быстрый. По сколько, действительно всё происходит за очень короткое время.

Недавно оказалось, что есть ещё одно хорошее место для r-процесса, несвязанное со взрывом Сверхновой. Есть ещё одно очень интересное явление — это слияние двух нейтронных звёзд. Звёзды очень любят рождаться парами, а массивные звезды рождаются, по большей части, парами. 80-90% массивных звезд рождаются в двойных системах. В результате эволюции, двойные могут разрушаться, но какие-то доходят до конца. И если у нас в системе было 2 массивных звезды, мы можем получить систему из двух нейтронных звёзд. После этого они будут сближаться за счет излучения гравитационных волн и в конце концов сольются.

Представьте, вы берите объект размером 20 км с массой полторы массы Солнца, и почти со скоростью света, роняете его на другой такой же объект. Даже по простой формуле кинетическая энергия равняется (mv2)/2. Если в качестве m вы подставить скажем 2 массы Солнца, в качестве v поставить треть скорости света, вы можете посчитать и получите совершенно фантастическую энергию. Она будет выделяться и в виде гравитационных волн, по всей видимости в установке LIGO уже видят такие события, но мы ещё об этом не знаем. Но при этом, поскольку сталкиваются реальные объекты, происходит действительно взрыв. Выделяется много энергии в гамма-диапазоне, в рентгеновском диапазоне. В общем-то всех диапазонах и часть этой энергии идет на синтез химических элементов.

Происхождение химического элемента — золота

Происхождение химического элемента золота

И современные расчёты, они наблюдениями окончательно подтверждены, показывают, что, например, золото рождается именно в таких реакциях. Такой экзотический процесс, как слияние двух нейтронных звёзд, действительно экзотический. Даже в такой большой системе, как наша Галактика, происходит где-то раз в 20-30 тысяч лет. Кажется довольно редко, тем не менее, хватает чтобы что-то насинтезировать. Ну или наоборот, можно сказать, что происходит так редко, и поэтому золото такое редкое и дорогое. И вообще видно, что многие химические элементы оказываются достаточно редкими, хотя они для нас часто важнее. Есть всякие редкоземельные металлы, которые используются в ваших смартфонах, а современный человек скорее обойдется без золота, чем без смартфона. Вот всех этих элементов мало, потому что они рождаются в каких-то редких астрофизических процессах. И по большей части все эти процессы, так или иначе, связаны со звездами, с их более или менее спокойной эволюцией, но с поздними стадиями, взрывами массивных звёзд, со взрывами белых карликов или состояниями нейтронных звёзд.

0

Автор публикации

не в сети 4 дня

Admin

Admin 1
Комментарии: 0Публикации: 135Регистрация: 26-11-2017

Читайте также:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Авторизация
*
*
Войти с помощью: 
Генерация пароля