Все окружающие нас тела отмечены печатью изменчивости и сохраняют на себе следы тех процессов, в результате которых они были созданы. Современное естествознание вскрыло ряд важнейших закономерностей в развитии отдельных форм скопления вещества. Атом дает возможность установить прочную генетическую связь между формами скопления вещества с резко различными свойствами. Поэтому история возникновения и гибели любого тела является в то же время историей атомов, его слагающих. Выражаясь языком атомистики, рождение, развитие и гибель любой формы существования вещества есть концентрация и рассеяние атомов, его составляющих. Но история атомов химических элементов в природе не ограничивается исключительно процессами их соединения и рассеяния, образованием бесконечных их сочетаний в виде различных простых и сложных химических соединений. Сам атом — изменчивая частица в необозримой истории мироздания.
Атомы химических элементов имеют свою историю, которая носит двойственный характер. С одной стороны, это история уже готовых атомов, сочетающихся друг с другом но химическим законам, вечно движущихся в различных частях Вселенной, создающих всю красочность нашей земной природы. С другой — это процессы созидания и разрушения самих атомов и необычайно контрастных термодинамических условиях космоса и в его электромагнитных нолях. Если первая, преимущественно внешняя сторона истории атомов изучена и в значительной степени входит в круг интересов геохимии, космохимии, биохимии и других наук, то вторая сторона истории, затрагивающая более глубокую сущность вещества и связанная с эволюцией атомных ядер в природе, изучена еще очень мало, и положительные успехи в этой области достигнуты лишь в самые последние годы.
На повестку дня становится новая проблема — происхождение и эволюция химических элементов. С каждым годом исследования в этой области расширяются. Представление о вечности и неизменности атомов давно уже отошло в область предания, оставив в наследство лишь сам термин (атом — неделимый). Те или другие предположения о происхождении и эволюции атомов в природе в настоящее время рождаются при рассмотрении вопросов теории ядра, относительного распространения ядерных видов, изотопного состава элементов, а также в астрофизических исследованиях, касающихся источников энергии и строения звезд.
Проблема естественной эволюции атомов стоит на грани ядерной физики и физики космоса. Она теснейшим образом связана с геохимией и космохимией. Ее успешное разрешение зависит от углубленного изучения вещества пашен плакаты и родственного вещества метеоритов.
В своих блестящих обобщениях в области геохимии и космохимии А. Е. Ферсман выделил три основные эпохи существования атомов Земли: первую — эпоху звездных условий существования; вторую — космическую — качало формирования планеты; третью — стадию геологического развития. В исторической последовательности эволюции вещества солнечной системы первой, по-видимому, была звездная стадия, включающая процессы естественного синтеза атомных ядер. Некоторые основные особенности этого процесса мы можем себе представить в общих чертах, исходя из состава ядер.
Так, последовательное построение атомных ядер с увеличенном числа их составных частиц — нуклонов (Z и N) — может происходить либо путем слияния заряженных частиц (протонов, а-частиц) друг с другом и вновь образованными ядрами, либо путем последовательного добавления нейтральных частиц — нейтронов. Условия, необходимые для протекания этих процессов, до современным данным, создаются в недрах массивных звезд различных типов. В этих звездах заряженные частицы приобретают высокую скорость, соответствующую температурам порядка десятков/сотен миллионов градусов. В верхних разреженных оболочках звезд заряженные частицы могут ускоряться электромагнитными полями, с последующей вероятностью ядерных реакции протонов с нейтронами и протонов с другими ядрами. Если в процессе эволюции звезды в результате ядерных реакций возникают нейтроны, то они затем легко проникают в другие ядра, способствуя образованию тяжелых ядерных видов. При любом из указанных способов построения формируются первоначально атомные ядра с аномальным нейтронно-протонным соотношением по сравнению со стабильным отношением.
Нетрудно представить себе, что если при синтезе изотопов ведущее значение имело присоединение протонов, то возникали ядра с избыточным их относительным содержанием. Эти новорожденные ядра избавлялись от избытка положительных зарядов путем позитронной ß+-радиоактивности. Если же происходил последовательный захват нейтронов, то возникали ядра, максимально ими обогащенные, и затем избавлялись от нейтронов путем обычной ß-радиоактивности, известной и сейчас у некоторых радиоактивных изотопов земной коры.
Из рассмотренных выше соотношений следует, что любой способ естественного синтеза элементов приводил к образованию радиоактивных изотопов как первичных продуктов, которые затем выравнивали нейтронно-протонные соотношения до определенного стабильного значения путем ß-распада. Наиболее тяжелые ядра, перегруженные нейтронами, подвергались также а-распаду и осколочному спонтанному делению. Таким образом, современные радиоактивные изотопы в материале солнечной системы являются прямыми свидетелями процессов ядерного синтеза с участием нейтронов.
Относительно легкие элементы Z < 35 имеют максимальное содержание легкого изотопа, т. е. они имеют минимальное стабильное содержание нейтронов и максимальное стабильное количество протонов, что указывает на их порождение путем присоединения протонов или других заряженных частиц (дейтронов, а-частиц).
Различные гипотезы относительно происхождения химических элементов путем разного рода ядерных реакций были выдвинуты давно. Одна группа гипотез связывала образование атомных ядер с сверхплотным состоянием материи в эпоху раннего дозвездного существования материи, когда началось расширение Вселенной. Другая группа гипотез связывала образование элементов с эволюцией массивных звезд.
С постепенным развитием ядерной физики и астрофизики в настоящее время все более подтверждаются теории звездного синтеза элементов. В 1931 г. Р. Аткинсон и Ф. Гоутермапс сделали попытку объяснить источники звездной энергии превращением легких элементов в тяжелые. Еще в 1938 г. Г. Бете и С. Вейцзеккер выдвинули теорию термоядерных реакций в звездах, согласно которой вероятным источником энергии наиболее распространенных звезд — так называемой главной последовательности — является превращение водорода в гелий. Это связывало эволюцию звезд с изменением их состава. Выделение энергии при превращении водорода в гелий огромно. Так, превращение всего лишь 10% массы Солнца дало бы достаточно энергии для поддержания его свечения на современном уровне в течение 10 млрд, лет, что примерно вдвое больше возраста солнечной системы.
Однако, как показали расчеты целого ряда исследователей, синтез изотопов, более тяжелых, чем гелий и углерод, требует исключительно высоких температур, которые невозможны в недрах большинства звезд. В 1946 г. Ф. Хоил вычислил, что повышенную распространенность элементов и области железа можно объяснить термоядерными реакциями при необычайно высоких температурах и давлениях в недрах редких массивных звезд. Эти условия создаются на конечных стадиях эволюции звезд и проявляются в виде взрыва сверхновой.
За последние годы происходило дальнейшее накопление астрофизических данных, имеющих отношение к ядер-ному синтезу. В оболочках некоторых звезд был обнаружен элемент технеций (Z=43), отсутствующий на Земле, все изотопы которого радиоактивны. Его присутствие в звездных атмосферах определенно указывает на возможность синтеза элементов в звездных условиях. Характер падения светимости сверхновых звезд после их яркой вспышки великолепно согласуется по времени с периодом полураспада некоторых трансурановых изотопов (Cf254), что рассматривается астрофизиками в качестве косвенного указания на возможность синтеза тяжелых трансурановых элементов и некоторых звездах. Наконец, теоретические расчеты А. Камерона показали, что на определенной стадии развития звезд-гигантов в их недрах происходит генерация нейтронов — чрезвычайно активных частиц в отношении образования тяжелых элементов за счет слияния самих нейтронов с элементами средними и легкими.
В результате сопоставления астрофизических данных к теоретических расчетов А. Камерона, Дж. и М. Бербидж, В. Фаулера, Ф. Хойла, Д. А. Франк-Каменецкого удалось показать, что химические элементы сформировались вследствие наложения ряда процессов, взаимосвязанных с эволюцией звезд. Подтверждением реальности нейтронных реакций в прошлом в истории вещества солнечной системы служит то обстоятельство, что ядра с малой вероятностью захвата нейтронов имеют повышенную распространенность. Это происходит потому, что ядро с высокой вероятностью захвата будет легче превращаться в следующий член ряда, чем ядро, у которого вероятность захвата мала.
Процессы протонного захвата приводят к образованию ядерных видов с повышенным содержанием протонов по сравнению с минимальным стабильным соотношением. Протоны, необходимые для осуществления ядерных реакции, разгоняются до высоких скоростей в электромагнитных переменных полях звездных атмосфер. Реакции могут происходить при взрывах сверхновых, содержащих в оболочках много водорода.
Рассмотренные выше процессы качественно, а возможно в отдельных случаях и количественно, хорошо объясняют наблюдаемую в солнечной системе распространенность элементов и их изотопный состав. Поэтому мы имеем основание допустить, что вещество солнечной системы перед образованием планет прошло длительную стадию развития, включающую различные процессы синтеза атомных ядер.
Начало возникновения вещества, состоящего из атомов, от других форм материи относится к самым ранним событиям в истории Вселенной. В настоящее время расширение Вселенной установлено как реальный факт. Разные галактики, представляющие собой скопления миллиардов звезд, разбегаются в разные стороны. С этим эффектом расширения в далеком прошлом миллиарды лет тому назад связано рождение первых атомов водорода и, вероятно, гелия. Открытке космического радиоизлучения в области тепловых волн, равномерно заполняющего всю Вселенную, дает нам первую информацию относительно физических условий ее существования на ранних этапах развития. По этому поводу физик Я. Б. Зельдович пишет: «Новое открытие в 1965 г. излучения объясняется тем, что много миллиардов лет тому назад вся Вселенная была совершенно непохожа на современную. Все пространство было заполнено тем, что физики называют плазмой — горячим газом, состоящим из электронов, ядер водорода и гелия (т. е. протонов и а-частиц), и частицами излучения. Частицы излучения (фотоны) при этом даже преобладали. Вселенная расширялась, и в ходе этого расширения происходило постепенное изменение, остывание плазмы. Радиоволны, наблюдаемые в настоящее время, — это потомки горячего излучения в прошлом.» Такой вывод подтверждается и спектром радиоволн, он помогает правильно предсказывать потоки воля в разных диапазонах.
С охлаждением связано и выделение отдельных небесных тел. Совсем грубо можно применить аналогию — когда теплый воздух охлаждается, возникает туман; водяные нары, содержащиеся в воздухе, превращаются в капельки воды. Похожее явление происходит при охлаждении и с плазмой: электроны и ядра объединяются в атомы, атомы объединяются в облака газа, далее эти облака распадаются на отдельные звезды. Часть вещества и сейчас остается и форме газа.
В начальную эпоху формирования звезд плоской составляющей нашей галактики (в которую также входит Солнце) исходный материал для построения космических скоплений, как это следует из изложенного выше, был представлен главным образом водородом, доминирующем и доныне в космохимии Вселенной. Длительность эры допланетного существования едва ли может быть оценена даже приблизительно, поскольку у нас нет надежной оценки измерения времени для эпохи отсутствия радиоактивных ядер.
Сходство атомарного состава различных тел солнечной системы указывает, что в период синтеза тяжелых атомных ядер вещество Солнца и Земли (а также других членов солнечной системы) имело общую историю до определенного этапа развития, который знаменовался дифференциацией некоторой общей системы — смеси (первичной звезды) — на первичное Солнце и околосолнечный протопланетный материал.
Прямым следствием процесса нейтронного захвата, прошедшего, очевидно, непосредственно перед обособлением Солнца от остального протопланетного материала, было возникновение многочисленных радиоактивных изотопов. Сохранившиеся до настоящего времени в планетном материале ß-активные изотопы, возможно, появились при нейтронном захвате от некоторых стабильных изотопов, образованных ранее другими ядерными процессами.
Формирование изотопов трансвисмутовых элементов неизбежно протекало в условиях быстрого процесса нейтронного захвата, поскольку в радиоактивных рядах имеются изотопы, появившиеся при быстром и мощном потоке нейтронов. Интервал времени между завершением процесса синтеза радиоактивных ядер н началом образования Земли 100—200 млн. лет. Не исключена возможность того, что в этом интервале произошло рождение легких изотопов, быстро выгорающих в термоядерных реакциях звездных недр, — B, D, Li, Be. Д. Варнет, В. Фаулер и Ф. Хойл выдвинули гипотезу об образовании D, Li, Be, и В в твердых телах, окружавших ранее Солнце, под влиянием протонного облучения, ускоренного магнитным полем. При этом допускается, что Солнце тогда отличалось высокой магнитной активностью.
Главным выводом из всего сказанного является неизбежность прохождения в прошлом вещества через ряд стадий ядерного синтеза, которые в дальнейшем определили химический состав Земли, наблюдаемые изотопные соотношения, угасшую радиоактивность и радиоактивность сохранившихся до нашего времени изотопов.
Рассматривая историческую последовательность процессов естественного синтеза, нетрудно прийти к заключению, что первичный протопланетный материал сразу после завершения ядерного синтеза был представлен ионизированными и разобщенными атомами, возникшими в условиях высоких температур. Иначе говоря, лишь после значительного падения температур новорожденные атомные ядра оделись электронными оболочками, что создало предпосылку для осуществления химических реакции и возникновения первых химических соединений. Таким образом космическая пыль, которая состоит из твердых частиц и которая неоднократно привлекалась в космогонических гипотезах недавнего прошлого и качестве строительного материала планет, должна быть образованием вторичным, появившимся в результате химическом эволюции плазменного звездного вещества по мере его охлаждения.