Как са се образували елементите във Вселената? Произход на химичните елементи. Как златото и други тежки елементи възникват във Вселената

От гледна точка на науката XVIII-XIX век. материята беше вечна, а въпросът за произхода химически елементипросто би било погрешно. Ако материята е вечна, тогава тя няма произход. През ХХ век. ситуацията се промени бързо. Разработена е теорията на относителността, открито е разширението на Вселената, разработена е теорията за структурата и еволюцията на звездите, открито е т. нар. реликтово лъчение, тясно свързано с разширяването на Вселената. Всичко това доведе до най-правдоподобната, макар и трудна за вместване в главата теория за Големия взрив. Предполага се, че Вселената е започнала своето съществуване с непонятен (все още?) импулс, който е довел до продължаващото разширяване на гигантски съсирек материя от една точка.

Когато изучаваме веществата и техните химични трансформации, съвсем естествено е да се замислим върху въпроса откъде са дошли всички тези видове атоми, които изграждат веществата и които сами по себе си не подлежат на трансформации по време на химични реакции? Ще се опитаме да отговорим на този въпрос възможно най-кратко в момента.

Според различни източници Големият взрив е станал преди 15-18 милиарда години. В невероятно горещ и плътен, бързо разширяващ се и охлаждащ се съсирек от материя непрекъснато възникват определени „поколения“ от частици, съответстващи на променящите се условия.

След три минути разширяване и охлаждане на плазмата се появи набор от частици, които не се промениха преди образуването на звезди. Най-важните характеристики на този състав се свеждат до това, че във Вселената е създадено съотношение между протони и фотони, равно на 1:10 9 . Това е удивителен брой фотони (но в сравнение с атомите) и в момента изпълва пространството под формата на космическо микровълново фоново лъчение, което няма източник.

В рамките на няколко минути след разширяване, Вселената се охлади толкова много, че скоростта на ядрените реакции между наличните частици падна до нула. Неутроните се комбинират с протони, за да образуват деутерий, а деутериевите ядра бързо се комбинират в хелиеви ядра (4 He). Начални условиявъв Вселената се оказа такова, че неутроните са достатъчни, за да образуват приблизително 10% хелий от общия брой ядра. Останалите протони се запазват в свободна форма и заедно с електроните по-късно образуват химичния елемент водород. Ако във Вселената имаше повече неутрони, тогава хелият можеше да преобладава в материята, което би повлияло радикално на последващите процеси на звездообразуване. Хелият в звездите ще се превръща в тежки елементи няколко пъти по-бързо от водорода и продължителността на живота на звездите ще бъде значително намалена. Това очевидно би повлияло на възможността за еволюция на биологичния живот.

Друг вид частици, които имат маса на покой и са необходими за образуването на атоми - електрони - са се запазили в количество, приблизително равно на броя на протоните. Съществуването на тези частици е забележително по свой начин и не е обяснено. И трите частици - протони, неутрони и електрони - имат свои собствени античастици: антипротони ( Р~), антинеутрони (I) и антиелектрони (позитрони, д).Когато частица и античастица се сблъскат, те анихилират, в крайна сметка се превръщат във фотони. При температури от милиарди градуси фотоните непрекъснато генерират двойки електрон-позитрон ( e~ - e+), които отново анихилират, превръщайки се във фотони. Така електроните, позитроните и фотоните са в равновесие. Тъй като температурата пада, докато Вселената се разширява, енергията на фотоните става недостатъчна, за да произведе двойки д~ - e + , всички налични двойки се анихилират и в този случай се открива малък излишък от електрони, които са запазени за следващите времена. Този излишък е малък в сравнение с броя на наличните фотони, както беше споменато по-горе. Същото важи и за протоните, които се оказаха малко повече от антипротоните. Следователно, една от предпоставките за появата на атоми се оказа незначителен дисбаланс на частици и античастици.

След милиони години разширяване и охлаждане на Вселената, температурата падна до -4000 K. Това е температурната граница, под която електроните се улавят от привличането на ядрата и се образуват "пълни" атоми. Неутралният хелий се среща при малко по-висока температура от водорода, тъй като неговата йонизационна енергия е по-голяма.

Досега нищо не е казано за съществуването на други химични елементи, с изключение на водорода с неговия изотоп деутерий и хелий. На етапа на еволюцията преди появата на звездите те наистина не са съществували. Звездите започнаха да се образуват в резултат на гравитационна кондензация на материята след появата на неутрални атоми. Времето на появата на галактиките и съставните им звезди не е точно определено. От гледна точка на физиката се оказа по-лесно да се разработи теория за процесите, протекли през първите минути след Големия взрив, отколкото „сценарий“ на по-нататъшни събития, свързани с фрагментирането на материята на отделни галактики и звезди. Може да се приеме като груба оценка, че първото поколение звезди е възникнало милиард години след Големия взрив.

По време на гравитационното компресиране на куп смес от водород и хелий потенциалната енергия се трансформира в кинетична енергия и съответно температурата се повишава. Когато достигна 10-15 милиона градуса, в централната област протозвезди(ядрото) започнаха термоядрени реакции и звездата светна. Термоядрените реакции включват както водород, така и хелий. Водородът първо се превръща в хелий чрез верига от реакции:

2p += d + + e ++ v много бавен; d + + p + = 3 Не 2+ + y бързо;
2 3 He 2+ = 4 He 2+ + 2 е относително бавен (тук b/ + е дейтрон, e + е позитрон, v е неутрино и y е гама квант).

Някой може да попита: защо водородът не се е превърнал в хелий чрез тези последователни реакции в първите минути след Големия взрив, а се превръща в звезди? Причината е много проста. В първите минути благоприятната температура за този процес продължи мигове, тъй като Вселената се разширяваше и охлаждаше, а в звездите този процес протича като че ли в режим на тлеене при стационарни условия. Бавността на първия етап се дължи на слабите ядрено взаимодействиеи е едно от условията за дълго съществуване на една звезда. След като водородът изгори, температурата в ядрото се повишава и при ~1 10 8 градуса започва "изгаряне" на хелий, което представлява последователно сливане на неговите ядра в ядрата на следващите елементи, придружено от освобождаване на огромна енергия. Когато две 4 Нестабилни ядра се сблъскат, ядрото 8 Be не се образува. Този изотоп на берилий изобщо не съществува. Но ако сблъсъкът на две ядра е последван бързо от сблъсък с трето хелиево ядро, тогава се образува ядро въглерод 12 C. Това ядро реагира допълнително с хелий, превръщайки се в кислород 16 0. Удивителен късмет (по отношение на наличието на материя за съществуването на живот) е, че реакцията на въглерод с хелий е доста бавна. Следователно, когато се образува кислород, се запазва и значително количество въглерод, необходимо за живота. Това завършва етапа на изгаряне на хелий. При по-нататъшно повишаване на температурата въглеродът и кислородът изгарят. При реакции между въглеродни ядра или между кислородни ядра се образуват по-тежките елементи магнезий, натрий, сяра, фосфор, силиций и др. с едновременното излъчване на протони, неутрони и a-частици. Последните, последователно свързвайки стабилни ядра, например 28 Si, образуват химични елементи до желязо.

Звезда може да се нарече котел, в който суровините се варят, превръщайки се в набор от химически елементи. Но готовият продукт трябва да бъде изваден от котела. Без това образуваните елементи в недрата на звездата не се проявяват по никакъв начин. Тук много удобно се разкрива способността на звездите от определен тип да експлодират. На съответния етап от еволюцията на звездата силата на освобождаване на енергия нараства лавинообразно в слой на известно разстояние от центъра. Полученото налягане помита цялата външна маса на звездата в космоса и същевременно компресира останалата централна част. Това е експлозия с невъобразима сила. За кратко време светимостта на една звезда нараства до яркостта на цяла галактика. В този случай ядрените процеси водят до образуването на всички елементи, по-тежки от желязото. Звездата изхвърля черупката, която се разпръсква в околното пространство.

Сега междузвездният газ е обогатен с всички химични елементи. Трябва също така да се подчертае, че елементите, образувани в ядрото на една звезда, съставляват средно само 1-2% от общото количество материя на звездата. Междузвездният газ все още е доминиран от водород и хелий. Следващото поколение звезди, планети, техните спътници и комети се образуват от материала на експлодирали звезди. Астрофизиката разглежда и други начини за образуване на тежки елементи, по-специално в ядрата на галактиките. Но това само допълва основния факт, който се свежда до факта, че всички тежки елементи са образувани от първични елементи - водород и хелий.

В приетата от нас периодична таблица са дадени руските имена на елементите. За по-голямата част от елементите те са фонетично близки до латински: аргон - аргон, барий - барий, кадмий - кадмий и др. Тези елементи се наричат по подобен начин в повечето западноевропейски езици. Някои химични елементи имат имена в различни езицинапълно различни.

Всичко това не е случайно. Най-големите разлики в имената на онези елементи (или техните най-често срещани съединения), с които човек се е срещал в древността или в началото на Средновековието. Това са седемте древни метала (злато, сребро, мед, олово, калай, желязо, живак, които са сравнени с известните тогава планети, както и сяра и въглерод). Те се срещат в природата в свободно състояние и много от тях са получили имена, съответстващи на тях. физични свойства.

Ето най-вероятния произход на тези имена:

злато

От древни времена блясъкът на златото е сравняван с блясъка на слънцето (сол). Оттук и руското "злато". Златната дума европейски езицисвързан с гръцкия бог на слънцето Хелиос. Латинското aurum означава "жълт" и е свързано с "Аврора" (Aurora) - утринна зора.

Сребро

На гръцки среброто е "argyros", от "argos" - бяло, блестящо, искрящо (индоевропейският корен "arg" - да свети, да бъде светлина). Оттам – аргентум. Интересното е, че единствената страна, кръстена на химичен елемент (а не обратното) е Аржентина. Думите сребро, Silber, а също и сребро се връщат към древния немски silubr, чийто произход е неясен (може би думата идва от Мала Азия, от асирийския sarrupum - бял метал, сребро).

Желязо

Произходът на тази дума не е известен със сигурност; според една версия тя е свързана с думата "острие". Европейското желязо, Eisen идва от санскритското "isira" - силен, силен. Латинското ferrum идва отдалеч, да бъде трудно. Името на естествения железен карбонат (сидерит) идва от лат. sidereus - звезден; наистина, първото желязо, попаднало в ръцете на хората, е с метеоритен произход. Може би това съвпадение не е случайно.

Сяра

Произходът на латинското сяра е неизвестен. Руско имеЕлементът обикновено се извлича от санскритското "sira" - светло жълто. Би било интересно да видим дали сярата има връзка с еврейския seraph - множествено число на seraph; буквално "серафим" означава "изгаряне", а сярата гори добре. В староруски и старославянски сярата обикновено е горимо вещество, включително мазнини.

Водя

Произходът на думата е неясен; както и да е, нищо общо с прасето. Най-изненадващото тук е, че на повечето славянски езици(български, сърбохърватски, чешки, полски) оловото се нарича калай! Нашето "олово" се среща само в езиците на балтийската група: svinas (литовски), svin (латвийски).

Английското наименование на олово и холандското lood вероятно са свързани с нашето „калай“, въпреки че отново се калайдисват не с отровно олово, а с калай. Латинското plumbum (също с неясен произход) даде английска думаводопроводчик - водопроводчик (някога тръбите са били сечени с меко олово), а името на венецианския затвор с оловен покрив е Пиомбе. Според някои съобщения Казанова успява да избяга от този затвор. Но сладоледът няма нищо общо с това: сладоледът идва от името на френския курортен град Пломбиер.

Калай

IN Древен Римкалайът се наричаше "бяло олово" (plumbum album), за разлика от plumbum nigrum - черно или обикновено олово. Гръцката дума за бяло е alophos. Очевидно "калай" идва от тази дума, която показва цвета на метала. Той идва на руски език през 11 век и означава както калай, така и олово (в древни времена тези метали са били слабо различими). Латинското stannum е свързано със санскритската дума, която означава непоколебим, издръжлив. Произходът на английския (както и холандския и датския) калай е неизвестен.

живак

Латинското hydrargirum произлиза от гръцките думи "hudor" - вода и "argyros" - сребро. Живакът се нарича още „течно” (или „живо”, „бързо”) сребро на немски (Quecksilber) и на староанглийски (quicksilver), а на български живакът е живак: наистина живачните топчета блестят като сребро и то много бързо” Бягай“ – като жив. Съвременните английски (mercury) и френски (mercure) имена за живак идват от името на латинския бог на търговията Меркурий. Меркурий също бил пратеник на боговете и обикновено бил изобразяван с крила на сандалите или на шлема си. Така че бог Меркурий тичаше толкова бързо, колкото живакът блести. Меркурий съответства на планетата Меркурий, която се движи по-бързо от другите в небето.

Руското име за живак, според една версия, е заемка от арабски (през тюркските езици); Според друга версия "живакът" се свързва с литовския ritu - търкалям се, търкалям се, който идва от индоевропейското ret (x) - бягам, търкалям се. Литва и Русия са тясно свързани и през 2-рата половина на 14 век руският е езикът на деловодството във Великото литовско княжество, както и езикът на първите писмени паметници на Литва.

въглерод

Международното наименование идва от латинското carbo - въглен, свързано с древния корен kar - огън. Същият корен в латинското cremare е изгаряне, а вероятно и на руски „горя“, „горем“, „изгарям“ (на староруски „угорати“ - изгарям, изгарям). Оттук и "въглищата". Нека си припомним тук и играта на горелката и украинската тенджера.

Мед

Дума от същия произход като полски miedz, чешки med. Тези думи имат два източника - древногерманското smida - метал (оттук немските, английските, холандските, шведските и датските ковачи - Schmied, smith, smid, smed) и гръцкото "metallon" - мина, мина. Така че медта и металът са роднини в две линии наведнъж. Латинското cuprum (от което произлизат други европейски имена) се свързва с остров Кипър, където още през 3 век пр.н.е. съществували медни мини и се топила мед. Римляните наричали медта cyprium aes, метал от Кипър. В късния латински cyprium става cuprum. Имената на много елементи са свързани с мястото на добив или с минерала.

Кадмий

Открит е през 1818 г. от немския химик и фармацевт Фридрих Стромайер в цинков карбонат, от който се получават лекарства във фармацевтична фабрика. гръцка дума Cadmeya от древни времена се нарича карбонатни цинкови руди. Името се връща към митичния Кадъм (Кадмос) - героят на гръцката митология, братът на Европа, царят на Кадмейската земя, основателят на Тива, победителят на дракона, от чиито зъби са израснали воини. Сякаш Кадъм беше първият, който намери цинков минерал и разкри на хората способността му да променя цвета на медта по време на съвместното топене на техните руди (сплав от мед и цинк е месинг). Името Кадъм се връща към семитското "Ka-dem" - Изток.

Кобалт

През 15 век в Саксония сред богатите сребърни руди са намерени бели или сиви кристали, блестящи като стомана, от които не е възможно да се разтопи металът; примесването им със сребърна или медна руда пречи на топенето на тези метали. „Лошата“ руда е била наречена от миньорите на планинския дух Коболд. Най-вероятно това са кобалтови минерали, съдържащи арсен - кобалтит CoAsS, или кобалтови сулфиди скутерудит, шафран или смалтин. При изстрелването им се отделя летлив отровен арсенов оксид. Вероятно името на злия дух се връща към гръцкото "кобалос" - дим; образува се по време на печенето на руди, съдържащи арсенови сулфиди. Със същата дума гърците наричали измамни хора. През 1735 г. шведският минералог Георг Бранд успява да изолира неизвестен преди това метал от този минерал, който той нарича кобалт. Той също така установява, че съединенията на този елемент стават стъкло сини - това свойство е използвано дори в древна Асирия и Вавилон.

никел

Произходът на името е подобен на кобалт. Средновековните миньори наричали никела зъл планински дух, а „Kupfernickel“ (Kupfernickel, меден дявол) – фалшива мед. Тази руда изглеждаше като мед и се използваше в производството на стъкло за оцветяване на стъкло зелен цвят. Но никой не успя да вземе мед от него - нямаше го. Тази руда - медно-червени кристали на никелин (червен никелов пирит NiAs) е изследвана от шведския минералог Аксел Кронстед през 1751 г. и изолира нов метал от нея, наричайки го никел.

Ниобий и тантал

През 1801 г. английският химик Чарлз Хачет анализира черен минерал, съхраняван в Британския музей и открит през 1635 г. в днешния Масачузетс, САЩ. Hatchet открива оксид на неизвестен елемент в минерала, който е наречен Колумбия - в чест на страната, в която е открит (по това време САЩ все още нямат утвърдено име и мнозина го наричат Колумбия след откривател на континента). Минералът се нарича колумбит. През 1802 г. шведският химик Андерс Екеберг изолира друг оксид от колумбит, който упорито отказваше да се разтвори (както тогава казаха, да се насити) в каквато и да е киселина. „Законодателят“ в химията от онези времена, шведският химик Джене Якоб Берцелиус, предложи металът, съдържащ се в този оксид, да се нарича тантал. Тантал е герой древногръцки митове; за наказание за незаконните си действия той стоеше до шия във водата, към която се навеждаха клоните с плодове, но не можеше нито да пие, нито да се насити. По същия начин танталът не можеше да бъде „наситен“ с киселина - той се отдръпна от него, като вода от тантал. По отношение на свойствата този елемент беше толкова подобен на колумбий, че дълго време имаше спорове дали колумбий и тантал са едни и същи или все още различни елементи. Едва през 1845 г. немският химик Хайнрих Розе разрешава спора, като анализира няколко минерала, включително колумбит от Бавария. Той установи, че всъщност има два елемента с подобни свойства. Колумбиумът на Hatchet се оказа смес от тях, а формулата на колумбита (по-точно манганоколумбита) е (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2O6. Розе нарече втория елемент ниобий, на името на дъщерята на Тантал Ниоба. Но до средата на 20-ти век символът Cb остава в американските таблици на химичните елементи: там той стои на мястото на ниобий. И името на Hatchet е увековечено в името на минерала Hatchit.

Прометий

Той е бил „откриван“ многократно в различни минерали в търсене на липсващия редкоземен елемент, който е трябвало да заема място между неодима и самария. Но всички тези открития се оказаха неверни. За първи път липсващото звено във веригата на лантаноидите е открито през 1947 г. от американски изследователи Дж. Марински, Л. Гленденин и К. Кориел, които разделят продуктите на делене на уран в ядрен реактор хроматографски. Съпругата на Кориела предложила откритият елемент да бъде кръстен прометий на името на Прометей, който откраднал огъня от боговете и го дал на хората. Това подчертава огромната сила, съдържаща се в ядрения „огън“. Съпругата на изследователя беше права.

Торий

През 1828 г. Y.Ya. Берцелиус открил в рядък минерал, изпратен му от Норвегия, съединение на нов елемент, който нарекъл торий - в чест на староскандинавския бог Тор. Вярно, Берцелиус излезе с това име през 1815 г., когато погрешка „откри“ торий в друг минерал от Швеция. Това беше редкият случай, когато самият изследовател "затвори" уж открития от него елемент (през 1825 г., когато се оказа, че Берцелиус преди това е имал итриев фосфат). Новият минерал се нарича торит, той е ториев силикат ThSiO4. Торият е радиоактивен; неговият полуживот е 14 милиарда години, краен продуктразпад - олово. Количеството олово в ториевия минерал може да се използва за определяне на неговата възраст. Така възрастта на един от откритите във Вирджиния минерали се оказва 1,08 милиарда години.

Титан

Смята се, че този елемент е открит от немския химик Мартин Клапрот. През 1795 г. той открива оксид на неизвестен метал в минерала рутил, който нарича титан. Титани - в древногръцката митология великаните, с които са се борили олимпийските богове. Две години по-късно се оказва, че елементът "менакин", който е открит през 1791 г. от английския химик Уилям Грегор в минерала илменит (FeTiO3), е идентичен с титана на Клапрот.

Ванадий

Открит през 1830 г. от шведския химик Нилс Сефстрьом в шлака от доменни пещи. Наречен на скандинавската богиня на красотата Ванадис или Ванадис. В този случай също се оказа, че ванадийът е бил открит и преди, и дори неведнъж - от мексиканския минералог Андре Мануел дел Рио през 1801 г. и немския химик Фридрих Вьолер малко преди откриването на Сефстрьом. Но самият дел Рио се отказа от откритието си, решавайки, че има работа с хром, а Вьолер беше възпрепятстван да завърши работата си поради болест.

уран, нептуний, плутоний

През 1781 г. английският астроном Уилям Хершел открива нова планета, която е наречена Уран - на името на древногръцкия бог на небето Уран, дядото на Зевс. През 1789 г. М. Клапрот изолира черно тежко вещество от смолистия минерал, който той погрешно приема за метал и според традицията на алхимиците "свързва" името му с наскоро отворена планета. И той преименува сместа от смола на уранова смола (именно с нея са работили Кюри). Само 52 години по-късно се оказа, че Клапрот е получил не самия уран, а неговия оксид UO2.

През 1846 г. астрономите откриват нова планета, предсказана малко преди това от френския астроном Льо Верие. Тя е кръстена Нептун – на името на древногръцкия бог на подводното царство. Когато през 1850 г. в минерал, донесен в Европа от Съединените щати, беше открит нов метал, под впечатлението от откритието на астрономите беше предложено да го наречем нептуний. Скоро обаче стана ясно, че това е ниобий, който вече беше открит по-рано. За "нептуния" беше забравен почти век, докато не беше открит нов елемент в продуктите на облъчване на уран с неутрони. И както Нептун следва Уран в Слънчевата система, така и в таблицата на елементите нептуний (№ 93) се появява след уран (№ 92).

През 1930 г. е открита деветата планета от Слънчевата система, предсказана от американския астроном Ловел. Тя е кръстена Плутон – на името на древногръцкия бог на подземния свят. Следователно е логично следващият елемент след нептуния да се нарече плутоний; той е получен през 1940 г. в резултат на бомбардировката на уран с ядра на деутерий.

Хелий

Обикновено се пише, че Янсен и Локиър са го открили по спектрален метод, наблюдавайки пълно слънчево затъмнение през 1868 г. Всъщност всичко не беше толкова просто. Няколко минути след края на слънчевото затъмнение, което френският физик Пиер Жул Янсен наблюдава на 18 август 1868 г. в Индия, той успява да види за първи път спектъра на слънчевите протуберанци. Подобни наблюдения са направени от английския астроном Джоузеф Норман Локиър на 20 октомври същата година в Лондон, като подчертава, че неговият метод позволява да се изследва слънчевата атмосфера в периоди без затъмнения. Новите изследвания на слънчевата атмосфера направиха голямо впечатление: в чест на това събитие Парижката академия на науките издаде указ за изсичането на златен медал с профилите на учените. В същото време не се говори за нов елемент.

Италианският астроном Анджело Секи на 13 ноември същата година обърна внимание на "забележителна линия" в слънчевия спектър близо до добре известната жълта D-линия на натрий. Той предположи, че тази линия се излъчва от водород при екстремни условия. Едва през януари 1871 г. Локиър предполага, че тази линия може да принадлежи на нов елемент. За първи път думата "хелий" беше произнесена в речта си от президента на Британската асоциация за напредък на науките Уилям Томсън през юли същата година. Името е дадено от името на древногръцкия бог на слънцето Хелиос. През 1895 г. английският химик Уилям Рамзи събира неизвестен газ, изолиран от урановия минерал клевеит по време на обработката му с киселина, и с помощта на Lockyer го изследва по спектрален метод. В резултат на това на Земята също беше открит "слънчев" елемент.

Цинк

Думата "цинк" е въведена в руския език от M.V. Ломоносов - от немското Цинк. Вероятно идва от древногерманското tinka - бяло, наистина най-разпространеният цинков препарат - оксид ZnO ("философската вълна" на алхимиците) има бял цвят.

Фосфор

Когато през 1669 г. хамбургският алхимик Хенинг Бранд открива бялата модификация на фосфора, той е удивен от светенето му в тъмното (всъщност не фосфорът свети, а неговите пари, когато се окисляват от атмосферния кислород). Новото вещество е кръстено, което на гръцки означава „носещо светлина“. Така че "светофар" е лингвистично същото като "Луцифер". Между другото, гърците наричали Фосфорос утринната Венера, която предвещавала изгрева.

Арсен

Руското име най-вероятно се свързва с отровата, която отрови мишките, наред с други неща, сивият арсен прилича на мишка на цвят. Латинското arsenicum води началото си от гръцкото "arsenikos" - мъжки, вероятно поради силното действие на съединенията на този елемент. И защо са били използвани, благодарение на фантастиката, всеки знае.

Антимон

В химията този елемент има три имена. Руска дума„Антимон“ идва от турското „сюрме“ – триене или почерняване на вежди в древността, за целта е служил тънко смлян черен антимонов сулфид Sb2S3 („Постиш, не антимонизирай вежди“ – М. Цветаева). Латинското наименование на елемента (stibium) идва от гръцкото "stibi" - козметичен продукт за очна линия и лечение на очни заболявания. Солите на антимоновата киселина се наричат антимонити, името вероятно е свързано с гръцкото "антемон" - цвете от сраствания на игловидни кристали с антимонов блясък Sb2S2, които приличат на цветя.

Бисмут

Това вероятно е изкривен немски "weisse Masse" - бяла маса, от древни времена са известни бели късчета бисмут с червеникав оттенък. Между другото, в западноевропейските езици (с изключение на немски) името на елемента започва с "b" (бисмут). Замяната на латинското „b“ с руското „v“ е често срещано явление Авел - Авел, Василий - Василий, базилиск - базилиск, Барбара - Варвара, варварство - варварство, Вениамин - Вениамин, Вартоломей - Вартоломей, Вавилон - Вавилон, Византия - Византия , Ливан - Ливан, Либия - Либия, Ваал - Ваал, азбука - азбука ... Може би преводачите са вярвали, че гръцката "бета" е руската "в".

Произход на химичните елементи във Вселената

Създаване на химични елементи на Земята

Всеки знае периодична таблица на химичните елементи - маса Менделеев . Там има много елементи и физиците непрекъснато работят за създаването на все по-тежък трансуран елементи . Има много интересни неща в ядрената физика, свързани със стабилността на тези ядра. Има всякакви острови на стабилност и хората, работещи върху съответните ускорители, се опитват да създадат химически елементи с много големи атомни числа. Но всички тези елементи живеят много кратко време. Тоест можете да създадете няколко ядра от това елемент , имайте време да изследвате нещо, докажете, че наистина сте го синтезирали и сте открили това елемент . Получете правото да му дадете някакво име, може би ще получите Нобелова награда. Но в природата на тези химически елементи изглежда не, но всъщност те могат да се появят в някои процеси. Но напълно в незначителни количества и за кратко време се разпадат. Следователно, в Вселена , общо взето виждаме елементи започвайки с уран и запалка.

Еволюция на Вселената

Но Вселена нашата се развива. И като цяло, щом стигнете до идеята за някаква глобална промяна, неизбежно стигате до идеята, че всичко, което виждате около себе си, в един или друг смисъл става смъртно. И ако по отношение на хората, животните и нещата някак сме се примирили с това, тогава понякога изглежда странно да направим следващата стъпка. Например водата винаги е вода или желязото винаги е желязо?! Отговорът е не, защото се развива Вселена като цяло и някога, разбира се, не е имало земя, например, и всичките й съставни части са били разпръснати върху някаква мъглявина, от която се е образувала слънчевата система. Трябва да се връщаме все по-назад и ще се окаже, че някога е имало не само Менделеев и неговата периодична таблица, но не е имало елементи, включени в нея. Тъй като нашите Вселена е роден след преминаване през много горещо, много плътно състояние. А когато е горещо и плътно, всички сложни структури се разрушават. И така, в много ранна история Вселена нямаше познати за нас стабилни вещества или дори елементарни частици.

Произход на леките химични елементи във Вселената

Образуването на химичен елемент - водород

Като Вселената се разширяваше , охлади се и стана по-малко плътен, появиха се някои частици. Грубо казано, към всяка маса на една частица можем да сравним енергията по формулата E=mc 2 . Можем да присвоим температура на всяка енергия и когато температурата падне под тази критична енергия, частицата може да стане стабилна и да съществува.
Съотв Вселената се разширява , изстива и естествено се появява първи от периодичната таблица водород . Защото това е просто протон. Тоест появиха се протони и можем да кажем това водород . В този смисъл Вселена На 100% се състои от водород, плюс тъмна материя, плюс тъмна енергия, плюс много радиация. Но от обикновената материя има само водород . Се появи протони , започват да се появяват неутрони . неутрони малко по-трудно протони и това води до неутрони се появява малко по-малко. За да имаме някои временни фактори в главата, говорим за първите части от секундата от живота Вселена .

"Първите три минути"
Появи се протони И неутрони изглежда горещ и стегнат. И със протон И неутрон можете да започнете термоядрени реакции, както в недрата на звездите. Но всъщност тя все още е твърде гореща и гъста. Затова трябва да изчакате малко и някъде от първите секунди от живота Вселена и до първите минути. Известна е една книга на Вайнбърг, наречена "Първите три минути"и е посветен на този етап от живота Вселена .

Произходът на химичния елемент - хелий

В първите минути започват да протичат термоядрени реакции, защото всички Вселена подобни на недрата на звезда и могат да протичат термоядрени реакции. започнете да се оформяте изотопи на водорода – деутерий и съответно тритий . Започват да се образуват по-тежки. химически елементи – хелий . Но е трудно да се продължи напред, защото стабилни ядра с броя на частиците 5 И 8 Не. И се оказва толкова сложен щепсел.
Представете си, че имате стая, пълна с Лего части и трябва да бягате и да събирате конструкции. Но детайлите се разпръскват или стаята се разширява, тоест някак всичко се движи. Трудно ви е да сглобите частите, а освен това например сте сгънали две, след което сте сгънали още две. Но да се залепи петата не става. И така в тези първи минути от живота Вселена , основно, има време да се формира само хелий , малко литий , малко деутерий остава. Той просто изгаря в тези реакции, превръща се в същото хелий .
Така че това е основно Вселена изглежда се състои от водород И хелий , след първите минути от живота си. Освен това изобщо не голям броймалко по-тежки елементи. И като че ли с това завърши началният етап от формирането на периодичната таблица. И има пауза, докато се появят първите звезди. В звездите отново се оказва горещо и плътно. Създават се условия да продължим термоядрен синтез . И звездите през по-голямата част от живота си се занимават с синтез хелий от водород . Тоест все още е игра с първите два елемента. Следователно, поради съществуването на звезди, водород намалява хелийстава все по-голям. Но е важно да се разбере, че в по-голямата си част веществото в Вселена не е сред звездите. Предимно обикновена материя, разпръсната навсякъде Вселена в облаци от горещ газ, в галактически купове, във влакна между купове. И този газ може никога да не се превърне в звезди, тоест в този смисъл, Вселена все още ще остане, главно състоящ се от водород И хелий . Ако говорим за обикновена материя, но на този фон в процентно отношение количеството на леките химични елементи намалява, а количеството на тежките расте.

Звездна нуклеосинтеза

И така след ерата на оригинала нуклеосинтеза , ерата на звездите нуклеосинтеза което продължава и до днес. В звезда, в началото водород превръща се в хелий . Ако условията позволяват, а условията са температура и плътност, тогава ще протичат следните реакции. Колкото по-напред се движим по периодичната таблица, толкова по-трудно е да започнем тези реакции, толкова повече екстремни условиянеобходими. Условията се създават в една звезда сами. Звездата се притиска, нейната гравитационна енергия се балансира с нейната вътрешна енергиясвързани с налягането на газа и проучване. Съответно, колкото по-тежка е звездата, толкова повече тя се притиска и получава по-висока температура и плътност в центъра. И може да има следното атомни реакции .

Химическа еволюция на звездите и галактиките

На Слънцето след синтез хелий , ще започне следващата реакция, ще се образува въглерод И кислород . По-нататъшни реакции няма да продължат и Слънцето ще се превърне в кислород-въглерод бяло джудже . Но в същото време външните слоеве на Слънцето, вече обогатени в реакцията на синтез, ще бъдат изхвърлени. Слънцето ще се превърне в планетарна мъглявина, външните слоеве ще се разлетят. И в по-голямата си част това е начинът, по който изхвърлените неща, след като се смесят с материята на междузвездната среда, могат да влязат в следващото поколение звезди. Така че звездите имат такава еволюция. Има химическа еволюция галактики , всяка следваща образувана звезда средно съдържа все повече и повече тежки елементи. Следователно първите звезди, които са се образували от чист водород И хелий , те, например, не биха могли да имат каменни планети. Защото нямаше какво да правят от тях. Беше необходимо да премине цикълът на еволюция на първите звезди и тук е важно масивните звезди да се развиват най-бързо.

Произход на тежките химически елементи във Вселената

Произходът на химичния елемент - желязото

слънцето и неговите пълен работен денпочти живот 12 милиарда години. И масивните звезди живеят няколко милиона години. Те предизвикват реакции към жлеза , и експлодират в края на живота си. По време на експлозията, с изключение на най-вътрешното ядро, цялата материя се изхвърля и следователно голямо количество се изхвърля, естествено, и водород , които са останали нерециклирани във външните слоеве. Но е важно да се изхвърли голямо количество кислород , силиций , магнезий , това е достатъчно тежки химически елементи , само за достигане жлеза и свързаните с него никел И кобалт . Много подчертани елементи. Може би следната картина е запомняща се от училищните времена: числото химичен елемент и освобождаване на енергия при реакции на синтез или разпад и там се получава такъв максимум. И желязо, никел, кобалт са на самия връх. Това означава, че колапсът тежки химически елементи печеливш до жлеза , синтезът от белите дробове също е полезен за желязото. Необходимо е да се изразходва допълнителна енергия. Съответно, ние се движим от страната на водорода, от страната на леките елементи и реакцията на термоядрен синтез в звездите може да достигне желязото. Те трябва да отидат с освобождаването на енергия.
Когато масивна звезда експлодира, желязо обикновено не се изхвърля. Остава в централното ядро и се превръща в неутронна звезда или Черна дупка . Но се изхвърлят химически елементи, по-тежки от желязото . Желязото се изхвърля при други експлозии. Белите джуджета могат да експлодират, каквото остава, например, от Слънцето. Само по себе си бялото джудже е много стабилен обект. Но той има ограничаваща маса, когато загуби тази стабилност. Реакцията на синтез започва въглерод .

експлозия на свръхнова
И ако е обикновена звезда, тя е много стабилен обект. Леко сте го загряли в центъра, той ще реагира на това, ще се разшири. Температурата в центъра ще падне и всичко ще се регулира от само себе си. Без значение как се нагрява или охлажда. И тук бяло джудже не мога да направя това. Вие сте предизвикали реакция, той иска да се разшири, но не може. Следователно термоядрената реакция бързо обхваща цялото бяло джудже и то избухва изцяло. Оказва се експлозия на свръхнова тип 1А и това е много добра, много важна свръхнова. Оставят го да се отвори. Но най-важното е, че по време на тази експлозия джуджето е напълно унищожено и много жлеза . всичко жлези наоколо, всички пирони, гайки, брадви и цялото желязо вътре в нас, можете да убодете пръста си и да го погледнете или да го опитате. Така че това е всичко желязо взети от белите джуджета.

Произход на тежките химични елементи

Но има още по-тежки елементи. Къде се синтезират? Дълго време се смяташе, че основното място на синтеза е повече тежки елементи , Това експлозии на свръхнови свързани с масивни звезди. По време на експлозията, тоест когато има много допълнителна енергия, когато има всякакви допълнителни неутрони , е възможно да се осъществят енергийно неблагоприятни реакции. Просто условията са се развили по този начин и в това разширяващо се вещество могат да протичат реакции, които синтезират достатъчно тежки химически елементи . И те наистина отиват. много химически елементи , по-тежки от желязото, се образуват по този начин.
В допълнение, дори неизбухнали звезди, на определен етап от тяхната еволюция, когато се превърнаха в червени гиганти може да синтезира тежки елементи . В тях протичат термоядрени реакции, в резултат на които се образуват малко свободни неутрони. Неутрон , в този смисъл, много добра частица, тъй като няма заряд, тя може лесно да проникне в атомното ядро. И след като проникне в ядрото, тогава неутронът може да се превърне в протон . И съответно елементът ще прескочи до следващата клетка периодичната таблица . Този процес е доста бавен. Нарича се s-процес , от думата бавен - бавен. Но е доста ефективен и много химически елементи се синтезират в червените гиганти по този начин. И в свръхновите отива r-процес , тоест бързо. За колко, наистина всичко се случва за много кратко време.
Наскоро се оказа, че има и друга добро мястоза r-процеса, несвързан с експлозия на свръхнова . Има още един много интересен феномен - сливането на две неутронни звезди. Звездите много обичат да се раждат по двойки, а масивните звезди се раждат в по-голямата си част по двойки. 80-90% се раждат масивни звезди двойни системи. В резултат на еволюцията двойниците могат да бъдат унищожени, но някои стигат до края. И ако имахме в системата 2 масивни звезди, можем да получим система от две неутронни звезди. След това те ще се сближат поради излъчването на гравитационни вълни и в крайна сметка ще се слеят.
Представете си, че вземете предмет с размер 20 км с маса една и половина маса на Слънцето и почти с скоростта на светлината , пуснете го върху друг подобен обект. Дори и с проста формула, кинетичната енергия е (mv 2)/2 . Ако като м вие заместник кажете 2 масата на слънцето, като v сложи трети скоростта на светлината , можете да изчислите и да получите абсолютно фантастична енергия . Той също ще бъде освободен под формата на гравитационни вълни, най-вероятно в инсталацията ЛИГО вече виждаме такива събития, но все още не знаем за това. Но в същото време, тъй като реални обекти се сблъскват, наистина има експлозия. Отделя се много енергия гама диапазон , В Рентгенов диапазон. Като цяло всички диапазони и част от тази енергия отива към синтез на химични елементи .

Произходът на химичния елемент - злато

Произход на химичния елемент злато
И съвременните изчисления, те най-накрая се потвърждават от наблюдения, показват, че напр. злато се ражда в такива реакции. Такъв екзотичен процес като сливането на две неутронни звезди е наистина екзотичен. Дори в такива голяма системакато нашите Галактика , възниква някъде в 20-30 хиляда години. Изглежда доста рядко, но достатъчно, за да се синтезира нещо. Е, или обратното, можем да кажем, че се случва толкова рядко и следователно злато толкова рядко и скъпо. Като цяло е ясно, че мн химически елементи са доста редки, въпреки че често са по-важни за нас. Има всякакви видове редкоземни метали, които се използват във вашите смартфони и модерен човекпредпочитат без злато, отколкото без смартфон. Всички тези елементи са малко, защото се раждат в някои редки астрофизични процеси. И в по-голямата си част всички тези процеси, по един или друг начин, са свързани със звездите, с тяхната повече или по-малко спокойна еволюция, но с късни етапи, експлозии на масивни звезди, с експлозии бели джуджета или държави неутронни звезди .

Процесът на образуване на химичните елементи във Вселената е неразривно свързан с еволюцията на Вселената. Вече се запознахме с процесите, протичащи в близост до „Големия взрив“, знаем някои подробности за процесите, протичащи в „първичната супа“ от елементарни частици. Първите атоми на химичните елементи, които са в началото на таблицата на Д. И. Менделеев (водород, деутерий, хелий), започнаха да се образуват във Вселената още преди появата на първото поколение звезди. Именно в звездите, техните дълбини се затоплиха отново (след Големия взрив температурата на Вселената започна бързо да спада) до милиарди градуси и се получиха ядрата на химическите елементи след хелия. Като се има предвид значението на звездите като източници, генератори на химични елементи, ще разгледаме някои етапи звездна еволюция. Без разбиране на механизмите на звездообразуване и еволюцията на звездите е невъзможно да си представим процеса на образуване на тежки елементи, без които в крайна сметка животът не би възникнал. Без звезди във Вселената би съществувала вечно водородно-хелиева плазма, в която организацията на живота очевидно е невъзможна (при сегашното ниво на разбиране на това явление).

По-рано отбелязахме три наблюдателни факта или тестове на съвременната космология, простиращи се върху стотици парсеци, сега посочваме четвъртия - изобилието от леки химически елементи в космоса. Трябва да се подчертае, че образуването на леки елементи през първите три минути и тяхното изобилие в съвременната Вселена е изчислено за първи път през 1946 г. от международна тройка от изключителни учени: американецът Алфер, германецът Ханс Бете и руснакът Георгий Гамов. Оттогава физиците, участващи в атомната и ядрена физика, многократно са изчислявали образуването на леки елементи в ранната Вселена и тяхното изобилие днес. Може да се твърди, че стандартен моделнуклеосинтезата е добре подкрепена от наблюдения.

Еволюцията на звездите. Механизмът на образуване и еволюция на основните обекти на Вселената - звездите, е проучен най-много xoponio. Тук учените бяха подпомогнати от възможността да наблюдават огромен брой звезди на различни етапи на развитие - от раждането до смъртта - включително много така наречени "звездни асоциации" - групи от звезди, родени почти едновременно. Сравнителната "простота" на структурата на звездата, която доста успешно се поддава на теоретично описание и компютърна симулация, също помогна.

Звездите се образуват от газови облаци, които при определени обстоятелства се разпадат на отделни "букове", които допълнително се компресират под въздействието на собствената си гравитация. Компресирането на газа под въздействието на собствената му гравитация се предотвратява от нарастващото налягане. При адиабатното компресиране температурата също трябва да се повиши - гравитационната енергия на свързване се освобождава под формата на топлина. Докато облакът е разреден, цялата топлина лесно излиза с радиация, но в плътната сърцевина на кондензацията отстраняването на топлината е трудно и тя бързо се нагрява. Съответното увеличение на налягането забавя компресията на ядрото и то продължава да се случва само поради газа, който продължава да пада върху родената звезда. С увеличаването на масата налягането и температурата в центъра се увеличават, докато накрая последната достигне стойност от 10 милиона Келвина. В този момент в центъра на звездата започват ядрени реакции, превръщащи водорода в хелий, които поддържат стационарното състояние на новообразуваната звезда за милиони, милиарди или десетки милиарди години, в зависимост от масата на звездата.

Звездата се превръща в огромен термоядрен реактор, в който като цяло същата реакция, която човек се е научил да извършва само в неконтролирана версия - във водородна бомба, протича стабилно и стабилно. Топлината, отделена по време на реакцията, стабилизира звездата, поддържа вътрешното налягане и предотвратява по-нататъшното й свиване. Малко произволно увеличение на реакцията леко "надува" звездата, а съответното намаляване на плътността води отново до отслабване на реакцията и стабилизиране на процеса. Звездата "гори" с почти постоянна яркост.

Температурата и мощността на излъчване на звезда зависи от нейната маса и зависи нелинейно. Грубо казано, с увеличаване на масата на една звезда 10 пъти, мощността на нейното излъчване се увеличава 100 пъти. Следователно по-масивните, по-горещи звезди изразходват своите резерви от гориво много по-бързо от по-масивните и живеят относително кратък живот. Долната граница на масата на звезда, при която все още е възможно да се достигнат температури, достатъчни за започване на термоядрени реакции в центъра, е приблизително 0,06 слънчеви. Горната граница е около 70 слънчеви маси. Съответно най-слабите звезди светят няколкостотин пъти по-слабо от Слънцето и могат да светят така сто милиарда години, много повече от времето на съществуване на нашата Вселена. Масивните горещи звезди могат да светят милион пъти по-силно от Слънцето и да живеят само няколко милиона години. Времето на стабилно съществуване на Слънцето е приблизително 10 милиарда години, като от този период то е живяло половината досега.

Стабилността на една звезда се нарушава, когато значителна част от водорода във вътрешността й изгори. Образува се хелиево ядро, лишено от водород, и изгарянето на водорода продължава в тънък слой на повърхността му. В същото време ядрото се свива, в центъра на неговото налягане и температура се повишава, в същото време горните слоеве на звездата, разположени над слоя на изгаряне на водород, напротив, се разширяват. Диаметърът на звездата се увеличава, а средната плътност намалява. Поради увеличаването на площта на излъчващата повърхност, нейната обща светимост също бавно се увеличава, въпреки че температурата на повърхността на звездата намалява. Звездата се превръща в червен гигант. В даден момент температурата и налягането вътре в хелиевото ядро са достатъчни, за да започнат следващите реакции на синтез на по-тежки елементи - въглерод и кислород от хелий, а на следващия етап още по-тежки. В дълбините на една звезда много елементи могат да се образуват от водород и хелий. Периодична система, но само до елементите от желязната група, която има най-висока енергия на свързване на частица. По-тежките елементи се образуват при други по-редки процеси, а именно при експлозии на свръхнови и частично нови звезди, и затова те са малко в природата.

Отбелязваме интересно, парадоксално на пръв поглед обстоятелство. Докато водородът гори близо до центъра на звездата, температурата там не може да се повиши до прага на реакцията на хелий. За да направите това, е необходимо изгарянето да спре и ядрото на звездата да започне да се охлажда! Охлаждащото ядро на звездата се свива, докато силата на гравитационното поле се увеличава и се освобождава гравитационна енергия, която нагрява веществото. При повишена сила на полето е необходима по-висока температура, за да може налягането да издържи на компресията, а гравитационната енергия е достатъчна, за да осигури тази температура. Имаме подобен парадокс при редукция космически кораб: за да се прехвърли на по-ниска орбита, трябва да се забави, но в същото време се оказва по-близо до Земята, където гравитацията е по-силна и скоростта му ще се увеличи. Охлаждането повишава температурата, а спирането увеличава скоростта! Природата е пълна с такива привидни парадокси и далеч не винаги е възможно да се доверим на "здравия разум".

След началото на горенето на хелий консумацията на енергия е много бързо, тъй като енергийният добив на всички реакции с тежки елементи е много по-нисък, отколкото в реакцията на изгаряне на водород и в допълнение, общата светимост на звездата на тези етапи се увеличава значително. Ако водородът гори милиарди години, то хелият милиони, а всички останали елементи не повече от хиляди години. Когато всички ядрени реакции във вътрешността на една звезда изчезнат, нищо не може да попречи на нейното гравитационно свиване и това се случва катастрофално бързо (колабира, както се казва). Горните слоеве падат към центъра с ускорение на свободното падане (стойността му превишава земното ускорение на падане с много порядъци поради несъизмеримата разлика в масите), освобождавайки огромна гравитационна енергия. Веществото е компресирано. Част от него, преминавайки в ново състояние с висока плътност, образува остатъчна звезда, а част (обикновено голяма) се изхвърля в космоса под формата на отразена ударна вълна с голяма скорост. Възниква експлозия на свръхнова. (В допълнение към гравитационната енергия, кинетичната енергия на ударната вълна също допринася за термоядреното изгаряне на част от водорода, останал във външните слоеве на звездата, когато падащият газ се компресира близо до звездното ядро - експлозия на възниква грандиозна „водородна бомба“).

На какъв етап от еволюцията на една звезда компресията ще спре и какъв ще бъде остатъкът от свръхнова, всички тези опции зависят от нейната маса. Ако тази маса е по-малка от 1,4 слънчеви маси, това ще бъде бяло джудже, звезда с плътност 10 9 kg/m 3, бавно охлаждаща се без вътрешни източници на енергия. Той се пази от по-нататъшно компресиране чрез налягането на изродения електронен газ. С по-голяма маса (до около 2,5 слънчеви) се образува неутронна звезда (съществуването им е предсказано от великия съветски физик, нобелов лауреат Лев Ландау) с плътност, приблизително равна на плътността атомно ядро. неутронни звездиса открити като така наречените пулсари. При още по-голяма първоначална маса на звездата се образува черна дупка - неконтролируемо свиващ се обект, който нито един обект, дори светлината, не може да напусне. Именно по време на експлозии на свръхнови се получава образуването на елементи, по-тежки от желязото, за което са необходими изключително плътни потоци от високоенергийни частици, за да са достатъчно вероятни многочастичните сблъсъци. Всичко материално на този свят е потомък на свръхнови, включително хората, тъй като атомите, от които сме съставени, са възникнали по време на експлозии на свръхнови.

По този начин звездите са не само мощен източник на висококачествена енергия, чието разпръскване допринася за появата на сложни структури, включително живот, но и реактори, в които се произвежда цялата периодична таблица - необходимият материал за тези структури. Експлозията на звезда, която слага край на живота си, изхвърля в космоса огромно количество различни елементи, по-тежки от водород и хелий, които се смесват с галактическия газ. По време на живота на Вселената много звезди са приключили живота си. Всички звезди като Слънцето и по-масивни, възникнали от първичния газ, вече са изминали своя жизнен път. Така че сега Слънцето и подобни звезди са звезди от второ поколение (и може би трето), значително обогатени с тежки елементи. Без такова обогатяване е малко вероятно около тях да са се образували планети. земен типи живота.

Ето информация за разпространението на някои химически елементи във Вселената:

Както можете да видите от тази таблица, водородът и хелият са преобладаващите химични елементи в момента (почти 75% и 25% всеки). Сравнително ниското съдържание на тежки елементи обаче се оказва достатъчно за образуването на живот (поне на един от островите на Вселената близо до "обикновена" звезда, Слънцето - жълто джудже). В допълнение към това, което вече споменахме по-рано, трябва да помним, че в открития космос има космически лъчи, които всъщност са потоци от елементарни частици, предимно електрони и протони с различни енергии. В някои области на междузвездното пространство има локални области с повишена концентрация на междузвездна материя, наречени междузвездни облаци. За разлика от плазмения състав на звезда, материята на междузвездните облаци вече съдържа (това се доказва от многобройни астрономически наблюдения) молекули и молекулярни йони. Например, открити са междузвездни облаци от молекулярен водород H 2 и съединения като хидроксилния йон OH, CO молекули, водни молекули и т.н. е над сто. Под въздействието на външна радиация и без нея различни химична реакция, често такива, че е невъзможно да се приложат на Земята поради специални условия в междузвездната среда. Вероятно преди около 5 милиарда години, когато нашите слънчева система, основният материал при формирането на планетите са същите прости молекули, които сега наблюдаваме в други междузвездни облаци. С други думи, процесът на химическа еволюция, който започна в междузвездния облак, след това продължи на планетите. Въпреки че някои междузвездни облаци вече са открити доста сложни органични молекули, вероятно, химическата еволюция е довела до появата на "жива" материя (т.е. клетки с механизми на самоорганизация и наследственост) само на планетите. Много е трудно да си представим организацията на живота в обема на междузвездните облаци.

Планетарна химическа еволюция.

Помислете за процеса на химическата еволюция на Земята. Първичната атмосфера на Земята съдържа главно най-простите водородни съединения H 2 , H 2 O, NH 3 , CH 4 . Освен това атмосферата беше богата на инертни газове, предимно хелий и неон. В момента изобилието от благородни газове на Земята е незначително, което означава, че те някога са дисонирали в междупланетното пространство. Нашата съвременна атмосфера е от вторичен произход. Първи път химичен съставатмосферата се различава малко от първичната. След образуването на хидросферата амонякът NH 3 практически изчезна от атмосферата, разтворен във вода, атомният и молекулярен водород избяга в междупланетното пространство, атмосферата беше наситена главно с азот N. Насищането на атмосферата с кислород настъпи постепенно, първо поради до дисоциацията на водните молекули от ултравиолетовото лъчение на Слънцето, а след това и главно чрез фотосинтезата на растенията.

Възможно е някои органична материяе донесен на Земята по време на падането на метеорити и, вероятно, дори на комети. Например кометите съдържат съединения като N, NH3, CH4 и др. Известно е, че възрастта земната кораприблизително равно на 4,5 милиарда години. Има и геоложки и геохимични данни, които показват, че още преди 3,5 милиарда години земната атмосфера е била богата на кислород. По този начин първичната атмосфера на Земята е съществувала не повече от 1 милиард години, а животът е възникнал вероятно дори по-рано.

Вече е натрупан значителен експериментален материал, който илюстрира как такива прости вещества, тъй като вода, метан, амоняк, въглероден окис, амониеви и фосфатни съединения се превръщат във високо организирани структури, които са градивните елементи на клетката. Американските учени Келвин, Милър и Юри проведоха серия от експерименти, в резултат на които беше показано как аминокиселините могат да възникнат в първичната атмосфера. Учените са създали смес от газове - метан CH 4 , молекулярен водород H 2 , амоняк NH 3 и водни пари H 2 O, симулиращи състава на първичната атмосфера на Земята. През тази смес бяха прекарани електрически разряди, в резултат на което в първоначалната смес от газове бяха открити глицин, аланин и други аминокиселини. Вероятно Слънцето е оказало значително влияние върху химичните реакции в първичната атмосфера на Земята с ултравиолетовата си радиация, която не се задържа в атмосферата поради липсата на озон.

Не само електрически разряди и ултравиолетово лъчение от Слънцето, но и вулканична топлина, ударни вълни, радиоактивен разпад на калий К (делът на енергията на разпадане на калий преди около 3 милиарда години на Земята беше втори след енергията на ултравиолетовото лъчение на Слънцето) имаше важна роля в химическата еволюция. Например, газове, отделени от първични вулкани (O 2, CO, N 2, H 2 O, H 2, S, H 2 S, CH 4, SO 2), когато са изложени на различни видове енергия, реагират с образуването на различни малки органични съединения, тип: циановодород HCN, мравчена киселина HCO 2 H, оцетна киселина H 3 CO 2 H, глицин H 2 NCH 2 CO 2 H и т.н. По-късно, отново, когато са изложени на различни видове енергия, малките органични съединения реагират, за да образуват по-сложни органични съединения: аминокиселини

Така на Земята имаше условия за образуване на сложни органични съединения, необходими за създаването на клетка.

Понастоящем все още няма единна логически последователна картина, както от първичната "суперкапка материя", наречена Вселена след голям взривживотът се появи. Но вече много елементи от тази картина учените си представят и вярват, че това е как всичко наистина се е случило. Един от елементите на тази единна картина на еволюцията е химическата еволюция. Може би химическата еволюция е един от аргументираните елементи на единна картина на еволюцията, макар и само защото позволява експериментално моделиране на химични процеси (което например не може да се направи по отношение на условия, подобни на тези близо до „Големия взрив“) . Химическата еволюция може да бъде проследена до елементарните градивни елементи на живата материя: аминокиселини, нуклеинови киселини.

Процесът на образуване на химичните елементи във Вселената е неразривно свързан с еволюцията на Вселената. Вече се запознахме с процесите, протичащи в близост до „Големия взрив“, знаем някои подробности за процесите, протичащи в „първичната супа“ от елементарни частици. Първите атоми на химичните елементи, които са в началото на таблицата на Д. И. Менделеев (водород, деутерий, хелий), започнаха да се образуват във Вселената още преди появата на първото поколение звезди. Именно в звездите, техните дълбини се затоплиха отново (след Големия взрив температурата на Вселената започна бързо да спада) до милиарди градуси и се получиха ядрата на химическите елементи след хелия. Имайки предвид значението на звездите като източници, генератори на химични елементи, нека разгледаме някои етапи от еволюцията на звездите. Без разбиране на механизмите на звездообразуване и еволюцията на звездите е невъзможно да си представим процеса на образуване на тежки елементи, без които в крайна сметка животът не би възникнал. Без звезди във Вселената би съществувала вечно водородно-хелиева плазма, в която организацията на живота очевидно е невъзможна (при сегашното ниво на разбиране на това явление).

По-рано отбелязахме три наблюдателни факта или теста на съвременната космология, простиращи се върху стотици парсеци, сега посочваме четвъртия - разпространението на леки химични елементи в космоса. Трябва да се подчертае, че образуването на леки елементи през първите три минути и тяхното изобилие в съвременната Вселена е изчислено за първи път през 1946 г. от международна тройка от изключителни учени: американецът Алфер, германецът Ханс Бете и руснакът Георгий Гамов. Оттогава атомните и ядрените физици многократно са изчислявали образуването на леки елементи в ранната Вселена и тяхното изобилие днес. Може да се твърди, че стандартният модел на нуклеосинтеза е добре подкрепен от наблюдения.

Една звезда се превръща в огромен термоядрен реактор, в който като цяло същата реакция, която човек се е научил да извършва само в неконтролирана версия - във водородна бомба, протича стабилно и стабилно. Топлината, отделена по време на реакцията, стабилизира звездата, поддържа вътрешното налягане и предотвратява по-нататъшното й свиване. Малко произволно увеличение на реакцията леко "надува" звездата, а съответното намаляване на плътността води отново до отслабване на реакцията и стабилизиране на процеса. Звездата "гори" с почти постоянна яркост.

Стабилността на една звезда се нарушава, когато значителна част от водорода във вътрешността й изгори. Образува се хелиево ядро, лишено от водород, и изгарянето на водорода продължава в тънък слой на повърхността му. В същото време ядрото се свива, в центъра на неговото налягане и температура се повишава, в същото време горните слоеве на звездата, разположени над слоя на изгаряне на водород, напротив, се разширяват. Диаметърът на звездата се увеличава, а средната плътност намалява. Поради увеличаването на площта на излъчващата повърхност, нейната обща светимост също бавно се увеличава, въпреки че температурата на повърхността на звездата намалява. Звездата се превръща в червен гигант. В даден момент температурата и налягането вътре в хелиевото ядро са достатъчни, за да започнат следващите реакции за синтез на по-тежки елементи - въглерод и кислород от хелий, а още по-тежки на следващия етап. Във вътрешността на една звезда много елементи от периодичната таблица могат да се образуват от водород и хелий, но само до елементите от желязната група, която има най-високата енергия на свързване на частица. По-тежките елементи се образуват при други по-редки процеси, а именно при експлозии на свръхнови и частично нови звезди, и затова те са малко в природата.

Отбелязваме интересно, парадоксално на пръв поглед обстоятелство. Докато водородът гори близо до центъра на звездата, температурата там не може да се повиши до прага на реакцията на хелий. За да направите това, е необходимо изгарянето да спре и ядрото на звездата да започне да се охлажда! Охлаждащото ядро на звездата се свива, докато силата на гравитационното поле се увеличава и се освобождава гравитационна енергия, която нагрява веществото. При повишена сила на полето е необходима по-висока температура, за да може налягането да издържи на компресията, а гравитационната енергия е достатъчна, за да осигури тази температура. Подобен парадокс имаме, когато космически кораб се спуска: за да го прехвърлим на по-ниска орбита, той трябва да бъде забавен, но в същото време се оказва по-близо до Земята, където гравитацията е по-силна и скоростта му ще нараства. Охлаждането повишава температурата, а спирането увеличава скоростта! Природата е пълна с такива привидни парадокси и далеч не винаги е възможно да се доверим на "здравия разум".

След началото на изгарянето на хелий консумацията на енергия протича много бързо, тъй като добивът на енергия от всички реакции с тежки елементи е много по-нисък, отколкото при реакцията на изгаряне на водород, и в допълнение общата светимост на звездата на тези етапи се увеличава значително. Ако водородът гори милиарди години, то хелият гори милиони, а всички останали елементи – не повече от хиляди години. Когато всички ядрени реакции във вътрешността на една звезда изчезнат, нищо не може да попречи на нейното гравитационно свиване и това се случва катастрофално бързо (колабира, както се казва). Горните слоеве падат към центъра с ускорение на свободното падане (стойността му превишава земното ускорение на падане с много порядъци поради несъизмеримата разлика в масите), освобождавайки огромна гравитационна енергия. Веществото е компресирано. Част от него, преминавайки в ново състояние с висока плътност, образува остатъчна звезда, а част (обикновено голяма) се изхвърля в космоса под формата на отразена ударна вълна с голяма скорост. Възниква експлозия на свръхнова. (В допълнение към гравитационната енергия, кинетичната енергия на ударната вълна също допринася за термоядреното изгаряне на част от водорода, останал във външните слоеве на звездата, когато падащият газ се компресира близо до звездното ядро - експлозия на възниква грандиозна „водородна бомба“).

На какъв етап от еволюцията на една звезда компресията ще спре и какъв ще бъде остатъкът от свръхнова, всички тези опции зависят от нейната маса. Ако тази маса е по-малка от 1,4 слънчеви маси, това ще бъде бяло джудже, звезда с плътност 10 9 kg/m 3, бавно охлаждаща се без вътрешни източници на енергия. Той се пази от по-нататъшно компресиране чрез налягането на изродения електронен газ. С по-голяма маса (до около 2,5 слънчеви) се образува неутронна звезда (съществуването им е предсказано от великия съветски физик, нобелов лауреат Лев Ландау) с плътност, приблизително равна на плътността на атомното ядро. Неутронните звезди са открити като така наречените пулсари. При още по-голяма първоначална маса на звездата се образува черна дупка - неконтролируемо свиващ се обект, който нито един обект, дори светлината, не може да напусне. Именно по време на експлозии на свръхнови се получава образуването на елементи, по-тежки от желязото, за което са необходими изключително плътни потоци от високоенергийни частици, за да са достатъчно вероятни многочастичните сблъсъци. Всичко материално на този свят е потомък на свръхнови, включително хората, тъй като атомите, от които сме съставени, са възникнали по време на експлозии на свръхнови.

По този начин звездите са не само мощен източник на висококачествена енергия, чието разпръскване допринася за появата на сложни структури, включително живот, но и реактори, в които се произвежда цялата периодична таблица - необходимият материал за тези структури. Експлозията на звезда, която слага край на живота си, изхвърля в космоса огромно количество различни елементи, по-тежки от водород и хелий, които се смесват с галактическия газ. По време на живота на Вселената много звезди са приключили живота си. Всички звезди като Слънцето и по-масивни, възникнали от първичния газ, вече са изминали своя жизнен път. Така че сега Слънцето и подобни звезди са звезди от второ поколение (и може би трето), значително обогатени с тежки елементи. Без такова обогатяване планетите от земен тип и животът едва ли биха могли да възникнат в близост до тях.

Ето информация за разпространението на някои химически елементи във Вселената:

Както можете да видите от тази таблица, водородът и хелият са преобладаващите химични елементи в момента (почти 75% и 25% всеки). Сравнително ниското съдържание на тежки елементи обаче се оказва достатъчно за образуването на живот (поне на един от островите на Вселената близо до "обикновена" звезда, Слънцето - жълто джудже). В допълнение към това, което вече споменахме по-рано, трябва да помним, че в открития космос има космически лъчи, които всъщност са потоци от елементарни частици, предимно електрони и протони с различни енергии. В някои области на междузвездното пространство има локални области с повишена концентрация на междузвездна материя, наречени междузвездни облаци. За разлика от плазмения състав на звезда, материята на междузвездните облаци вече съдържа (това се доказва от многобройни астрономически наблюдения) молекули и молекулярни йони. Например, открити са междузвездни облаци от молекулярен водород H 2 и съединения като хидроксилния йон OH, CO молекули, водни молекули и т.н. е над сто. Под въздействието на външно облъчване и без него в облаците протичат различни химични реакции, често такива, които не могат да се осъществят на Земята поради специални условия в междузвездната среда. Вероятно преди около 5 милиарда години, когато се е формирала нашата слънчева система, основният материал при формирането на планетите са били същите прости молекули, които сега наблюдаваме в други междузвездни облаци. С други думи, процесът на химическа еволюция, който започна в междузвездния облак, след това продължи на планетите. Въпреки че вече са открити доста сложни органични молекули в някои междузвездни облаци, вероятно химическата еволюция е довела до появата на "жива" материя (т.е. клетки с механизми на самоорганизация и наследственост) само на планетите. Много е трудно да си представим организацията на живота в обема на междузвездните облаци.

Планетарна химическа еволюция

Помислете за процеса на химическата еволюция на Земята. Първичната атмосфера на Земята съдържа главно най-простите водородни съединения H 2 , H 2 O, NH 3 , CH 4 . Освен това атмосферата беше богата на инертни газове, предимно хелий и неон. В момента изобилието от благородни газове на Земята е незначително, което означава, че те някога са дисонирали в междупланетното пространство. Нашата съвременна атмосфера е от вторичен произход. Първоначално химичният състав на атмосферата се различава малко от първичния. След образуването на хидросферата амонякът NH 3 практически изчезна от атмосферата, разтворен във вода, атомният и молекулярен водород избяга в междупланетното пространство, атмосферата беше наситена главно с азот N. Насищането на атмосферата с кислород настъпи постепенно, първо поради до дисоциацията на водните молекули от ултравиолетовото лъчение на Слънцето, а след това и главно чрез фотосинтезата на растенията.

Възможно е определено количество органична материя да е донесено на Земята по време на падането на метеорити и, вероятно, дори на комети. Например кометите съдържат съединения като N, NH 3 , CH 4 и др.. Известно е, че възрастта на земната кора е приблизително 4,5 милиарда години. Има и геоложки и геохимични данни, които показват, че още преди 3,5 милиарда години земната атмосфера е била богата на кислород. По този начин първичната атмосфера на Земята е съществувала не повече от 1 милиард години, а животът е възникнал вероятно дори по-рано.

Понастоящем е натрупан значителен експериментален материал, който илюстрира как такива прости вещества като вода, метан, амоняк, въглероден оксид, амониеви и фосфатни съединения се превръщат във високо организирани структури, които са градивните елементи на клетката. Американските учени Келвин, Милър и Юри проведоха серия от експерименти, в резултат на които беше показано как аминокиселините могат да възникнат в първичната атмосфера. Учените са създали смес от газове - метан CH 4 , молекулярен водород H 2 , амоняк NH 3 и водни пари H 2 O, симулиращи състава на първичната атмосфера на Земята. През тази смес бяха прекарани електрически разряди, в резултат на което в първоначалната смес от газове бяха открити глицин, аланин и други аминокиселини. Вероятно Слънцето е оказало значително влияние върху химичните реакции в първичната атмосфера на Земята с ултравиолетовата си радиация, която не се задържа в атмосферата поради липсата на озон.

Не само електрически разряди и ултравиолетово лъчение от Слънцето, но и вулканична топлина, ударни вълни, радиоактивен разпад на калий К (делът на енергията на разпадане на калий преди около 3 милиарда години на Земята беше втори след енергията на ултравиолетовото лъчение на Слънцето) имаше важна роля в химическата еволюция. Например, газове, отделени от първични вулкани (O 2, CO, N 2, H 2 O, H 2, S, H 2 S, CH 4, SO 2), когато са изложени на различни видове енергия, реагират с образуването на различни малки органични съединения, видове: циановодород HCN, мравчена киселина HCO 2 H, оцетна киселина H 3 CO 2 H, глицин H 2 NCH 2 CO 2 H и др. По-късно, отново когато са изложени на различни видове енергия, малки органични съединения реагират, за да образуват по-сложни органични съединения: аминокиселини.

Понастоящем все още няма единна логически последователна картина за това как животът е възникнал от първичната „суперкапка материя“, наречена Вселена след Големия взрив. Но вече много елементи от тази картина учените си представят и вярват, че това е как всичко наистина се е случило. Един от елементите на тази единна картина на еволюцията е химическата еволюция. Може би химическата еволюция е един от аргументираните елементи на единна картина на еволюцията, макар и само защото позволява експериментално моделиране на химични процеси (което например не може да се направи по отношение на условия, подобни на тези близо до „Големия взрив“) . Химическата еволюция може да бъде проследена до елементарните градивни елементи на живата материя: аминокиселини, нуклеинови киселини.