Подпишитесь на оповещения
от Газеты.Ru
Дополнительно подписаться
на сообщения раздела СПОРТ
Отклонить
Подписаться
Получать сообщения
раздела Спорт

Почему банан и холодильник — родственники. Взгляд астрофизика

Ученый-астрофизик об атомах, из которых состоит все, что нас окружает

Антон Бирюков 15.05.2016, 13:15
Wikimedia Commons

О том, как рождается золото и почему банан и холодильник — родственники, рассказывает кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории космических проектов ГАИШ МГУ Антон Бирюков.

Так почему же банан и холодильник родственники?

1. А вот почему!

Биологи говорят, что ДНК человека и мыши совпадают на 80% (при определенном способе подсчета). Мы с мышами родственники, как и все млекопитающие, пусть и весьма дальние. Несколько десятков миллионов лет назад на Земле жили наши общие предки. Но это не все. ДНК человека, продолжают биологи, на 50% также совпадает и с ДНК банана! И это тоже логично: ведь и мы, и растение представляем один и тот же мир органической жизни — земной жизни. Поэтому с тем бананом, что, возможно, сейчас хранится в вашем холодильнике, у вас также когда-то был общий предок. И это не метафора, а реальность. Вспомните об этом, когда соберетесь его съесть. Но, с точки зрения астрофизика, все еще гораздо интереснее: у вас был общий предок и с тем самым холодильником! И у банана, получается, тоже. Это тоже не метафора, а научно установленный факт. Попробую это объяснить.

В действительности суть явления довольно проста. Все, что нас окружает, состоит из атомов. А сами атомы, за некоторым исключением, когда-то давно образовались в недрах звезд. Затем были выброшены в межзвездную среду, собрались вместе снова, снова были выброшены, для того чтобы опять стать звездами, планетами, камнями, растениями, разумными существами наконец.

И все бесчисленное разнообразие веществ и предметов нашей вселенной построено лишь на 120 видах различных атомов.

Немного из школьной программы. Каждый атом в общем случае состоит из положительно заряженного ядра, окруженного неким количеством отрицательно заряженных электронов. В свою очередь, ядро атома состоит из протонов (они и несут положительный заряд) и нейтронов (которые заряда не имеют вовсе), вместе называемых нуклонами. В принципе, можно пойти и дальше и рассказать, из чего сделаны нуклоны, но в нашем рассказе это не столь важно. Важно то, что один химический элемент от другого, с точки зрения физика, отличается именно количеством протонов в его ядре. Или, что то же самое, зарядом ядра, который, кстати, соответствует номеру элемента в таблице Менделеева. Так, у водорода — первого элемента — заряд один, и его ядро состоит из единственного протона. Ядро углерода (шестой элемент) — из шести протонов и шести нейтронов, а золота (79-й) — из 79 и 118 соответственно. При этом число нейтронов в атоме может быть различным — ядра с одним и тем же зарядом, но разным количеством нейтронов называют изотопами одного и того же элемента.

Структура трех самых легких атомов – водорода (один протон), гелия (два протона и два... Антон Бирюков
Структура трех самых легких атомов – водорода (один протон), гелия (два протона и два нейтрона) и лития (три протона и четыре нейтрона). Заряд ядра – его основная характеристика.

Однако если электроны в атоме связаны с ядром не очень крепко — посредством электромагнитных сил, — то нуклоны в ядре держатся вместе благодаря сильному (оно так и называется) взаимодействию.

Поэтому оторвать электрон от атома или разделить пару атомов, связанных общим электроном, не так уж и сложно, что регулярно и случается.

А вот разделить на составляющие атомное ядро гораздо сложнее. Для этого необходимо затратить много энергии. Именно поэтому многие атомные ядра сами по себе, единожды образовавшись, могут существовать очень долгое время, на много порядков превышающее современный возраст Вселенной. По сути, вечно. А электроны — дело наживное. Поэтому рассказ об общих предках всего и всех — это рассказ об образовании атомов, а точнее об образовании атомных ядер. Как создавалось химическое разнообразие Вселенной, без которого наш мир был бы совсем не наш?

2. Ядерная кухня

А началось все, как водится, с Большого взрыва еще 13,7 млрд лет назад. Образование самых первых атомных ядер — первичный нуклеосинтез — завершилось уже в первые 10–20 минут жизни Вселенной. В ту эпоху мир оказался заполнен преимущественно водородом (точнее, протонами), гелием, следующим за водородом элементом, некоторой примесью их изотопов и совсем исчезающе малым количеством чуть более тяжелых элементов, таких как литий и бериллий. Еще в ранней Вселенной были и свободные нейтроны, но их количество быстро уменьшалось, так как эта частица нестабильна и в свободном состоянии живет всего лишь 15 минут.

При этом нельзя сказать, что все из образовавшихся в первые минуты Вселенной протонов и легких ядер дожили до наших дней. Согласно законам квантовой механики субатомные частицы могут при определенных условиях превращаться друг в друга.

Что впоследствии неоднократно происходило и продолжает случаться по сей день.

Где-то через 500 млн лет после Большого взрыва начали образовываться первые звезды: особенно плотные облака газа первичного водорода начали коллапсировать (падать сами на себя) под действием собственной гравитации. В результате давление и температура в их центре возросли настолько, что отдельные протоны начали сталкиваться, сцепляться и образовывать протон-нейтронные пары (вспомним, что частицы могут превращаться друг в друга). После еще нескольких столкновений из таких пар собиралось ядро гелия, на создание которого, получается, было потрачено четыре протона. То есть запустился механизм синтеза более тяжелых ядер из более легких — термоядерный синтез. «Термо» — потому что он требует очень высоких температур, достижимых только в недрах звезд. И, что важно, этот процесс идет с выделением немалой энергии. Той самой, которая затем излучается звездами. Именно термоядерный синтез «зажигает» звезды, и поэтому говорят, что в их недрах «горят» легкие элементы. Для большинства объектов — водород.

Сборка сложных ядер тяжелых элементов из нескольких более легких есть ключевой механизм возникновения химического разнообразия Вселенной. Но реализовываться он может по-разному.

Цепочка термоядерного синтеза ядра гелия из четырех ядер атома водорода – протонов. Wikipedia
Цепочка термоядерного синтеза ядра гелия из четырех ядер атома водорода – протонов.

Прямо сейчас в недрах нашего Солнца горит водород и образуется гелий. Примерно через 5 млрд лет водород в центре Солнца условно закончится, и эти реакции прекратятся. Но возникнут условия для возгорания образовавшегося гелия, что приведет к возникновению углерода и некоторого количества кислорода. Горение гелия будет продолжаться около 1 млрд лет и оставит после себя углеродное ядро Солнца, окруженное гелиевой и водородной оболочками.

На этом термоядерный синтез в нашей звезде завершится.

Ее массы не хватает для того, чтобы впоследствии зажечь еще углерод. Но у более массивных звезд эти реакции синтеза идут дальше и гораздо быстрее, порождая больше кислорода, натрий, кальций, кремний (да-да, тот самый кремний, благодаря которому вы сейчас читаете с экрана этот текст), вплоть до железа (если масса звезды больше 8–10 солнечных) и никеля. И вот дальше начинаются проблемы. «Горение» железа в рамках термоядерного синтеза идет не с выделением энергии, а, наоборот, с ее поглощением. То есть энергетически невыгодно. И это замечательно! Потому что массивная звезда, в центре которой образовалось железное ядро, не может существовать в состоянии равновесия. Ведь именно давление горящего «термоядерного котла» удерживало их от коллапса. Теперь этот котел начал остывать, что в конечном итоге приводит к коллапсу ядра: за доли секунды оно сжимается в сотни раз до состояния 20-километровой нейтронной звезды (а то и вообще «в точку», то есть образуется черная дыра), а внешние слои звезды со всеми наработанными элементами разлетаются в пространство на скорости в десятки тысяч километров в секунду. Происходит взрыв сверхновой! Наконец-то фабрика по производству химических элементов нашла способ сбыть свою «продукцию». И ее «ассортимент» очень впечатляет. Там и алюминий для наших самолетов, и железо для нашей крови, не говоря уже о жизненно важных углероде и кислороде. Вспышки сверхновой — один из основных источников обогащения межзвездной среды «элементной» базой. Впоследствии эти разлетевшиеся осколки будут участвовать в строительстве новых звезд и планет.

Среди звезд нового поколения тоже будут массивные, и все повторится вновь.

Однако, напомню, речь пока идет только об элементах не тяжелее железа, которое не может участвовать в термоядерном синтезе. Более тяжелые элементы образуются несколько иначе. Но тоже, разумеется, в звездах.

3. Не можешь производить — захватывай!

Как же сделать совсем тяжелые элементы? Да, в общем, так же, как и не очень тяжелые: необходимо к атомным ядрам присоединять дополнительные нуклоны. Только в данном случае речь идет не о протонах, а нейтронах. Их к тяжелому ядру (скажем, железа) присоединить порой легче. В ходе взрыва сверхновой разлетающиеся ядра железа, сталкиваясь с многочисленными нейтронами, могут обрастать своего рода шубой из этих частиц. Затем часть нейтронов распадется — превратится в протоны, что увеличит атомный номер ядра, и тем самым возникнет новый, более тяжелый, чем железо, элемент. Такой процесс называется быстрым процессом захвата нейтронов, или r-процессом. Он позволяет образовать ядра атомов вплоть до урана и плутония. То есть атомный взрыв на Земле был возможна благодаря когда-то прогремевшему взрыву сверхновой. Память о последнем все еще также хранят украшения из платины и отчасти из серебра. А еще свинец в автомобильном аккумуляторе и некоторые редкоземельные элементы.

Кроме быстрого процесса захвата нейтронов существует еще и медленный. Он реализуется в недрах достаточно массивных звезд, пока в них еще идет термоядерных синтез. В отличие от своего «быстрого» аналога, здесь более легкие ядра захватывают нейтроны «по одному», что позволяет создать не самые-самые тяжелые элементы, но те, которые, все-таки тяжелее железа.

Сувениром, доставшимся нам от такого процесса, является, например, медная монета.

Ну или обычная медно-никелевая. Лампочка, заполненная парами ртути, или старая, с вольфрамовой спиралью, также стала возможна благодаря s-процессу захвата нейтронов в одной или нескольких массивных звездах.

В свою очередь, те из звезд, масса которых совсем невелика (вроде нашего Солнца), делятся со Вселенной наработанным материалом не так громко и пафосно, как сверхновые. Но очень красиво: они тихо сбрасывают внешнюю оболочку, порождая то, что мы потом называем планетарной туманностью. Такая судьба ждет и наше Солнце.

Планетарные туманности – сброс оболочки в конце жизни маломассивной звезды. www.universetoday.com
Планетарные туманности – сброс оболочки в конце жизни маломассивной звезды.

4. Все то золото

Моделирование процесса слияния нейтронных звезд с выбросом вещества, в котором идут реакции... Max Planck Institute for Astrophysics
Моделирование процесса слияния нейтронных звезд с выбросом вещества, в котором идут реакции образования тяжелых элементов.

Однако на этом не заканчиваются способы создавать в природе химическое многообразие. Атомы некоторых элементов эффективнее всего рождаются в других, нетривиальных и очень красивых астрофизических процессах. Например, золото. Металл, который всегда был на особом счету у человечества. И по сей день он сопутствует нашей жизни не только в виде ювелирных украшений. Начинка гаджета, с которого вы сейчас читаете этот текст, наверняка содержит небольшое количество золота. Поэтому вы сейчас держите в руках (или просто смотрите, в зависимости от размеров гаджета) сувенир, оставшийся после довольно редкого события во Вселенной — слияния нейтронных звезд. Это те самые остатки эволюции массивных звезд, о которых говорилось выше. Звезды ведь часто рождаются двойными. Двойными они эволюционируют и двойными же могут и умирать.

В результате может возникнуть двойная нейтронная звезда (несколько таких мы даже знаем), которая со временем будет терять свой орбитальный момент.

Проще говоря, звезды начнут понемногу приближаться (спираливаться) друг к другу, теряя энергию на излучение гравитационных волн (об открытии которых было объявлено в этом году). И однажды они столкнутся. Столкновение пары сверхплотных, переобогащенных нейтронами тел запускает реакцию синтеза многих тяжелых элементов, разлетающихся в пространство с большими скоростями. В том числе и золота. По существующим оценкам (подтвержденных наблюдениями), в ходе одного такого столкновения может образоваться в 20 раз больше золота, чем масса всей нашей планеты! Так что нам досталась еще только малая часть того, что когда-то образовалось в ходе одного из таких слияний. Кстати, эти события довольно редки, так что по вселенским масштабам любой предмет из золота имеет особую ценность (но только отчасти: этот тяжелый металл также образуется и во вспышках сверхновых).

Периодическая таблица элементов с указанием их происхождения. Водород и гелий – первичный... Wikipedia
Периодическая таблица элементов с указанием их происхождения. Водород и гелий – первичный нуклеосинтез; литий, бериллий и бор – космические лучи; желтым и зеленым отмечены элементы образующиеся в маломассивных и массивных звездах соответственно; розовым – возникающие в ходе вспышек сверхновых; фиолетовым – полученные в лабораторных экспериментах.

5. Алхимия в природе

Еще один элемент, который в наш век цифровых технологий сопутствует нам даже чаще, чем золото, — это литий. Третий по легкости после водорода и гелия, он оказался очень удобен для производства аккумуляторов, называемых, естественно, литий-ионными. Литий хотя и образуется в звездах, но существует в жестких условиях их недр недолго. Значительная же часть того лития, который сейчас находится у нас на столах и в наших карманах, имеет другую историю. Вернемся опять к вспышке сверхновой звезды. Среди прочего она могла выбросить в межзвездную среду ядро атома свинца, в котором содержится 82 протона и 122 нейтрона.

Разогнавшись до гигантской скорости, это ядро начало свое путешествие по межзвездной среде.

Такие странствующие потоки частиц называются космическими лучами. Однако их путешествие не может длиться сколь угодно долго: космос не пуст. Его населяют не только звезды, но и газ, то есть одиночные частицы. Двигаясь с большой скоростью, ядро свинца за конечное время столкнется с одной из таких частиц, которая оставит на нем своего рода скол: отколет маленькую часть, состоящую при удаче из трех протонов и четырех нейтронов. Это не что иное, как стабильный изотоп лития, который уже затем попадет в молекулярное облако — прародитель Солнечной системы или просто на Землю. Что интересно, вторым остатком такого космического ДТП станет ядро, содержащее 79 протонов и 118 нейтронов. То есть ядро золота. Таким вот образом в естественной природе протекает реакция превращения свинца в золото.

6. Вещества из лаборатории

Для полноты картины стоит упомянуть, что вообще-то не все известные нам химические элементы возникли в астрофизических процессах. Речь идет о тех веществах, которые были созданы человеком в лаборатории в рамках эксперимента.

Метод создания при этом не отличается от природного и заключается в обстреливании ядер тяжелых элементов нуклонами или легкими ядрами с надеждой, что некоторые из них «приживутся».

На сегодняшний день был получен с десяток таких трансплутониевых элементов. Например, америций, эйнштейний или менделевий. Человек примеряет на себя функции звезды.

Впрочем, почему нет? Как, надеюсь, ясно из написанного, все мы и так когда-то уже как минимум один раз были звездами. Одной или несколькими. И атомы нашей левой руки вполне могли образоваться в другой части Галактики, нежели атомы правой. И наоборот, наш непримиримый враг когда-то мог составлять с нами единое целое. Скорее всего, конечно, в виде звезды, но, может, и в виде планеты, а то и ее обитателей. У нас друг с другом и с нашим миром гораздо больше общего, чем может показаться на первый взгляд.

Что почитать:

http://nuclphys.sinp.msu.ru/astro/astro14.htm
http://physics.info/nucleosynthesis/