Рождение элементов I группы

Существует несколько гипотез о происхождении нашей солнечной системы. Одна из них, которую современные астрономы считают наиболее обоснованной, предполагает, что Солнце и планеты образовались из рассеянного в космических пространствах вещества - космической пыли - в результате процесса ее постепенного сгущения и разогревания. Творцом этой гипотезы был советский ученый математик и знаменитый исследователь Арктики О. Ю. Шмидт. Астрономия много знает о Солнце и звездах, но ее сведения о происхождении атомов различных элементов далеко не так полны. Откуда появились атомы натрия, лития, рубидия, золота и других? Всегда ли они существовали в космосе или, быть может, в условиях, которые создаются в недрах раскаленных звездных масс, происходят превращения элементов, совершаются ядерные реакции - атомы рождаются и гибнут, превращаются друг в друга? Верно именно это!

Температура внутри звезды, излучающей свет, очень велика. Она измеряется десятками и сотнями миллионов градусов и может достигать миллиарда градусов (10⁹ °С). Огромные скорости движения электронов и ядер препятствуют образованию устойчивых атомов. В горячих недрах звезды вещество находится в так называемом состоянии "плазмы" - с атомов сорваны все электроны, а ядра перемешаны с электронами. Мало того: столь высокие температуры соответствуют и огромной кинетической энергии движения ядер. При столкновениях эта энергия помогает ядрам преодолеть силы отталкивания (ядра все несут положительный заряд и отталкиваются друг от друга). В раскаленной массе звезды протекают реакции между ядрами, и в итоге появляются новые ядра. В дальнейшем при охлаждении звезды или при ее взрыве (это тоже случается, если масса звезды очень велика) температура понизится, и ядра, изготовленные в космической "печке", присоединят к себе недостающие электроны и превратятся в атомы тех или иных элементов.

Итак, атомы рождаются в звездах! С чего же начинается этот удивительный процесс? Он начинается с превращения водорода в гелий! При этом выделяется очень много энергии. Предполагается, что именно эта реакция и служит источником энергии нашего Солнца, которое на 75 % состоит из водорода, на 24 % из гелия и лишь 1 % приходится на все остальные вещества. Реакция между ядрами водорода, ведущая к образованию ядра гелия, очень интересна, так как в ней водородные ядра катализируют процесс. Схематически его можно выразить уравнениями:

Индексы наверху слева указывают массу частицы.

Первое уравнение показывает, что при столкновении двух протонов получается ядро тяжелого водорода (дейтерия). При этом излучается частица - позитрон, имеющая положительный заряд, и очень легкая частица, не имеющая заряда - нейтрино. Далее ядро дейтерия (²Н или D) с массой 2 сталкивается с протоном и дает ядро изотопа гелия с массой 3 и зарядом +2. Два таких ядра, в свою очередь, при столкновении образуют ядро гелия с массой 4 (обычный гелий) и два протона. Эти два протона снова вступают в первую реакцию. При очень высоких температурах синтез ядер гелия и протонов протекает по-другому, через азотно-углеродный цикл, показанный на рис. 3. В этих реакциях в качестве промежуточных веществ принимают участие протоны азота, углерода и кислорода. Скорость подобных превращений настолько мала, что исходный протон может выйти из цикла уже в составе ядра гелия в среднем лишь через 50 млн. лет. Однако количество протонов в недрах звезд так велико, что даже такие малопродуктивные реакции доставляют огромную энергию.

Рис. 3. Азотно-углеродный цикл

Из ядер гелия при очень высоких температурах могут образоваться ядра других элементов, в частности лития, натрия, калия. Как возникают ядра тяжелых элементов - меди, серебра, золота, мы еще не можем сказать с полной уверенностью, но несомненно, что их синтез идет при исключительно высоких температурах, возможно в момент взрыва звезды, и требует участия нейтронов. Приведем только схемы реакций образования ядер лития и натрия.

Литий:

В первой реакции из ядер гелия получается ядро изотопа металла бериллия, а во второй он поглощает электрон (?-частицу) и превращается в ядро лития. Предполагается, что эти реакции происходят под влиянием электромагнитных полей, действующих в плазме. Ускорение, приобретаемое ядрами в таких полях, может облегчить реакцию между ядрами и сделать ее возможной даже при менее высоких температурах, чем те, которые существуют в глубинах звезд. При взрывах звезд плазма выбрасывается в межзвездное пространство, и тогда возможен так называемый "холодный синтез", т. е. ядерные реакции между частицами, разогнанными электромагнитным полем. Литий может получиться и непосредственно из гелия:

2⁴He = ⁷Li + ¹H

Натрий. Путь к ядру натрия довольно длинный:

Изотоп для натрия 24Na необычен, а обычный 23Na получается по реакции:

т. е. из ядер атома углерода.

Непосредственно после завершения периода бурного развития ядерных реакций вещество еще находилось в состоянии "плазмы", т. е. смеси ядер атомов, электронов, нейтронов и, возможно, других частиц "микромира"'. По мере понижения температуры формировались электронные оболочки в атомах, а затем начались и те химические реакции, к которым мы привыкли в обычной химии: образование молекул (Н₂, N₂, CO, HC1, HCN, Н₂O и др). Металлы быстро соединились с кислородом, серой, галогенами. Оксиды металлов, реагируя с оксидами кремния и алюминия, дали начало синтезу силикатов и алюмосиликатов. Огромные массы воды растворили множество солей, а плохо растворимые и мало активные соединения сохранились в земной коре. Так возникло то распределение соединений металлов, с которым встречаемся в наши дни в природе.