Айзек Азимов - Взрывающиеся солнца. Тайны сверхновых
Вселенная остывает все больше, и каждое ядро уже в состоянии уловить какое-то количество электронов. Каждый электрон имеет электрический заряд —1, и, поскольку противоположные заряды притягиваются, отрицательно заряженный электрон стремится остаться вблизи положительно заряженного ядра. В обычных условиях число электронов, которые могут удерживаться отдельным ядром, равно числу протонов в этом ядре. Когда число протонов в ядре равно числу окружающих его электронов, суммарный электрический заряд ядра и электронов равен нулю, а их сочетание дает нейтральный атом. Число протонов или электронов соответствует атомному числу.
Вещество, состоящее из атомов с одним и тем же атомным числом, называется элементом. Например, водород — элемент, состоящий из атомов, ядра которых содержат один протон и один электрон вблизи него. Такой атом называется «атомом водорода», а ядро такого атома — «ядром водорода». Таким образом, атомное число водорода равно 1. Гелий состоит из атомов гелия, содержащих ядра с двумя протонами, отсюда атомное число гелия равно 2. Аналогично литий имеет атомное число 3, бериллий — 4, бор — 5, углерод — 6, азот — 7, кислород — 8 и т. д.
С помощью химического анализа атмосферы Земли, океана и почвы установлено, что существует 81 устойчивый элемент, т. е. 81 элемент, которые не претерпят никаких изменений в естественных условиях неопределенно долго.
Наименее сложный атом на Земле (из фактически существующих) — это атом водорода. Рост атомного числа приведет нас к самому сложному устойчивому атому на Земле. Это атом висмута, имеющий атомное число 83, т. е. каждое ядро висмута заключает в себе 83 протона.
Так как всего имеется 81 устойчивый элемент, то в списке атомных чисел два числа должны быть пропущены, и это так: атомы, имеющие 43 протона и 61 протон, неустойчивы, элементов с атомными числами 43 и 61, подвергшихся химическому анализу, в естественных материалах нет.
Это, однако, не значит, что элементы с атомными числами 43 и 61 или с числом более 83 не могут существовать временно. Эти атомы нестабильны, поэтому рано или поздно, в один или несколько приемов они распадутся на атомы, которые останутся устойчивыми. Это не обязательно случается мгновенно, но может потребовать долгого времени. Торию (атомное число 90) и урану (атомное число 92) требуются миллиарды лет атомного распада, чтобы прийти к устойчивым атомам свинца (атомное число 82).
В сущности, за все долгие миллиарды лет существования Земли только часть тория и урана, изначально присутствовавших в ее структуре, успела распасться. Около 80 % первоначального тория и 50 % урана избежали распада и сегодня еще могут находиться в породах земной поверхности.
Хотя все 81 устойчивый элемент (плюс торий и уран) присутствуют в земной коре (ее верхних слоях), но в разных количествах. Наиболее распространенными являются кислород (атомное число 8), кремний (14), алюминий (13) и железо (26). Кислород составляет 46,6 % земной коры, кремний — 27,7 %, алюминий — 8,13 %, железо —5 %. Эта четверка образует почти семь восьмых частей земной коры, одну восьмую — все остальные элементы.
Конечно, названные элементы редко существуют в чистом виде. Смешиваясь, они стремятся соединиться друг с другом. Эти сочетания (или комбинации элементов) атомов называются соединениями. Атомы кремния и кислорода связываются между собой весьма прихотливым образом, к этому соединению (кремний/кислород) здесь и там присоединяются атомы железа, алюминия и других элементов. Такие соединения — силикаты — обычные породы, из которых в основном состоит земная кора.
Поскольку атомы кислорода сами по себе легче, чем другие наиболее распространенные элементы земной коры, то общая масса кислорода содержит больше атомов, чем аналогичная масса других элементов. На каждую 1000 атомов земной коры приходится 625 атомов кислорода, 212 кремния, 65 алюминия и 19 железа, т. е. 92 % атомов земной коры приходится, так или иначе, на эти четыре элемента.
Земная кора — не пробный образец Вселенной и даже Земли в целом. «Сердцевина» Земли (центральная область, составляющая одну треть массы планеты), как считают, состоит почти целиком из железа. Если принять это в соображение, то железо составляет 38 % массы всей Земли, кислород — 28 %, кремний—15 %. Четвертым наиболее распространенным элементом может быть магний, а не алюминий, составляющий до 7 % земной массы. Эти четыре элемента составляют вместе семь восьмых массы всей Земли. Тогда на каждую 1000 атомов в целом на Земле приходится 480 атомов кислорода, 215 — железа, 150 — кремния и 80 — магния, т. е. вместе эта четверка составляет 92,5 % всех атомов Земли. Но Земля не типичная планета Солнечной системы. Возможно, Венера, Меркурий, Марс и Луна, очень схожие с Землей по своему строению, составлены из каменистых материалов и, как Венера и Меркурий, имеют богатую железом сердцевину. В какой-то мере то же верно для спутников и некоторых астероидов, но все эти скалистые миры (с железными ядрами или без них) не составляют и половины процента общей массы всех обращающихся вокруг Солнца объектов. Остальные 99,5 % массы Солнечной системы (без массы Солнца) принадлежат четырем планетам-гигантам: Юпитеру, Сатурну, Урану и Нептуну. Только Юпитер (крупнейший из всех) составляет более 70 % общей массы.
Предположительно Юпитер имеет относительно небольшую скалисто-металлическую сердцевину. Структура гигантской планеты, судя по данным спектроскопии и пробам планет, состоит из водорода и гелия. Сказанное, видимо, справедливо и для других планет-гигантов.
Но вернемся к Солнцу, масса которого в 500 раз больше массы всех планетных тел, вместе взятых, — от Юпитера до крошечной пылинки; мы обнаружим (главным образом благодаря спектроскопии), что его объем заполняет все тот же водород с гелием. Фактически примерно 75 % его массы падает на водород, 22 %—на гелий, а 3 % — это все остальные элементы, вместе взятые. Количественный состав атомов Солнца окажется таким, что на каждую 1000 атомов Солнца приходится 920 атомов водорода и 80 атомов гелия. Менее одного атома из тысячи представляют все остальные элементы.
Бесспорно, Солнце обладает львиной долей массы всей Солнечной системы, и мы не очень ошибемся, решив, что его элементарный состав представителен для всей системы в целом. Подавляющее большинство звезд по своему элементарному составу напоминает Солнце. Кроме того, известно, что разреженные газы, заполняющие межзвездное и межгалактическое пространство, тоже в основном водород и гелий.
Поэтому можно заключить, что из 1000 атомов всей Вселенной 920 — водород, 80 — гелий и менее одного — все прочее.
ВОДОРОД И ГЕЛИЙ
Почему так? Увязывается ли водородно-гелиевая Вселенная с Большим взрывом? Очевидно, да. По крайней мере в том, что касается системы рассуждений Гамова, системы улучшенной, но в основе оставшейся без изменений.
Вот как это работает. Очень скоро после Большого взрыва, через какую-то долю секунды, расширяющаяся Вселенная остыла до такой точки, когда образовались известные нам составляющие атомов: протоны, нейтроны и электроны. В условиях огромной температуры, которая еще царила в то время, ничего более сложного существовать не могло. Частицы не могли соединиться друг с другом: при такой температуре, даже сталкиваясь, они тут же отскакивали в разные стороны.
Это остается справедливым и при столкновениях протон — протон или нейтрон — нейтрон даже при гораздо меньших температурах, таких, как температура нынешней Вселенной. Однако по мере того как температура ранних этапов эволюции Вселенной продолжала падать, наступил момент, когда при столкновениях протон — нейтрон появилась возможность двум частицам удержаться вместе. Они удерживаются вместе так называемым сильным взаимодействием — сильнейшим из четырех известных взаимодействий.
Протон-1 — это ядро водорода, как было сказано ранее в этой главе. Но комбинация протон — нейтрон — это тоже ядро водорода, потому что она имеет один протон, а это все, что требуется, чтобы квалифицировать ядро как водородное. Эти две разновидности ядер водорода (протон и протон — нейтрон) называются изотопами водорода и определяются в зависимости от общего числа частиц, которые они включают. Протон, в котором есть только одна частица, — это ядро водород-1. Комбинация протон — нейтрон, которая включает всего две частицы, — это ядро водород-2.
При высоких температурах ранней Вселенной, когда формировались различные ядра, ядро водорода-2 было не очень устойчиво. Оно стремилось либо к распаду на отдельные протоны и нейтроны, либо к соединению с дополнительными частицами, с последующим образованием более сложных (но, возможно, более стабильных) ядер. Ядро водорода-2 может столкнуться с протоном и примкнуть к нему, образуя ядро, составленное двумя протонами и одним нейтроном. В этой комбинации два протона, и мы получим ядро гелия, а так как в ядре три частицы, то это гелий-3.
