Химия Солнца

Химия Солнца

Трудно даже вообразить, что человек может изучить химию Солнца. Но наука сумела мно­гое сделать: мы знаем теперь химический состав Солнца, знаем (и знаем уже немало) о грандиоз­ных процессах — источниках солнечной энергии.

С помощью спектрального анализа было найдено на Солнце более шестидесяти элементов периодической системы Менделеева. Наверное, будут найдены и остальные.

Определены даже количественные соотно­шения между химическими элементами на Солн­це. Оказалось, что Солнце — это мир раскален­ного водорода. Водородных атомов там почти в пять раз больше, чем атомов гелия, ив тысячу раз больше, чем атомов всех остальных элемен­тов, вместе взятых.

Среди других элементов на Солнце преоб­ладают углерод, кислород и азот. Немало там и магния, алюминия, кремния, серы, желе­за. В меньшем количестве присутствуют калий, кальций, натрий, свинец и другие. Обнаружено даже несколько представителей редких земель; можно быть уверенным, что будут найдены и ос­тальные. Как и повсюду в мироздании, на Солнце преобладают легкие элементы, с малыми атом­ными номерами. Кроме того, как правило, элементов с четными порядковыми номерами на Солнце значительно больше, чем их соседей по периодической таблице с нечетными номерами.

Мало того, если не считать водорода и ге­лия, занимающих в мироздании вообще осо­бое положение, то наблюдается замечательное соответствие между относительным содержа­нием остальных элементов на Солнце и в ка­менных метеоритах (см. табл.).

Обнаружены на Солнце и простейшие хими­ческие соединения, молекулы которых способ­ны выдержать очень высокую температуру. Это не какие-нибудь особые, «солнечные» сое­динения — нет, химики умеют их получать и исследовать на Земле. Это простейшие радика­лы: СН, ОН, NH, CaH, SiH, CN. Более слож­ные молекулы, вероятно, не могут существо­вать на Солнце.

С точки зрения старой химии, имеющей дело только с электронными оболочками атома, химия Солнца, по-видимому, очень проста. Но на Солнце протекают процессы ядерной химии, и в очень грандиозных масштабах.

Периодический закон Менделеева помогает разобраться в том, что происходит на Солнце (и, конечно, на звездах, похожих на наше Солнце) и какие превращения испытывают на Солнце атомные ядра. В его недрах, при немыслимо вы­соких температурах и давлении, атомы элемен­тов теряют почти все свои электроны. В условиях сжатого до огромной плотности газа, состоящего главным образом из протонов и электронов, ядер гелия и относительно неболь­шой примеси ядер и ионов других элементов, протоны могут вступать между собой и с ядрами других элементов в ядерно-химические реакции.

Солнце — это мир водорода. Ядра осталь­ных элементов окружены со всех сторон прото­нами (ядрами водорода) и могут сталкиваться почти исключительно лишь с протонами. Другие столкновения происходят значительно реже. Если скорости и энергия сталкивающихся атом­ных ядер достаточно велики, то при столкно­вении оба ядра сливаются и возникает новый элемент.

На Солнце протекает очень много различ­ных ядерных реакций. Далеко не все они хорошо изучены, о многих из них мы еще и не подозреваем.

Одна из известных нам ядерных реакций на Солнце имеет особое значение. Она определяет природу Солнца. Это реакция образования ге­лия из водорода. Она протекает различными путями. Протоны могут соединяться непосред­ственно друг с другом. При этом образуются ядра дейтерия (тяжелый изотоп водорода) и ге-лия-3 (легкий изотоп гелия). Реагируя с про­тонами, они образуют ядра гелия-4.

Но еще интереснее и важнее сложная ядер­ная каталитическая реакция — синтез гелия из водорода на углеродных атомах. Эта реакция протекает не сразу, а в несколько ступеней. Катализатором в этой солнечной реакции слу­жит углерод, точнее, его наиболее распро­страненный изотоп С¹², тот самый, которого больше всего и на Земле.

Первая стадия реакции — соединение ядер водорода с ядрами изотопа углерод-12. При этом возникает атомное ядро с семью положительны­ми зарядами: у углерода их шесть, а с протоном добавляется еще один. Возникает атом нового элемента, ядро которого обладает семью заря­дами, а атомный вес увеличивается на единицу.

С таким атомным ядром ученые знакомы; на Земле его нет, но они уже умеют получать его искусственно.

Согласно правилу сдвига, элемент при уве­личении заряда ядра на единицу превращается в другой, занимающий в таблице Менделеева следующую по порядку клетку. Углерод-12, захватив протон, превращается в азот — в ра­диоактивный изотоп азота N¹³ (рис. 21). Пери­од его жизни невелик: за 10 минут он распада­ется наполовину. Выбрасывая позитрон и ней­трино, тяжелый азот превращается снова в тя­желый изотоп углерода—С¹³ (рис. 22). Не нуж­но думать, что это какой-то особенный «сол­нечный» углерод. Его много и на Земле: в земном углероде изотопа С¹³ около одного процента.

Образовавшееся ядро тяжелого углерода С¹³, подвергаясь новым ударам протонов, может слиться с тем из них, который обладает доста­точно большой энергией. При этом, как сле­дует из периодического закона, возникает ядро азота (рис. 23), но уже с большим атомным весом: на этот раз возникает самый обычный азот N¹⁴, который содержится в атмосфере Земли и который мы вдыхаем вместе с кислородом. Какие бы элементы ни возникали на Солн­це в цепи ядерно-химических превращений, какие бы элементы там ни существовали, их судьба предопределена: они снова и снова должны участвовать в протонных превраще­ниях. Такова же судьба и изотопа азота N¹⁴: его ядра будут реагировать с ядрами водорода. При их соединении, согласно правилу сдвига, должно возникнуть ядро легкого кислорода O¹⁵ (рис. 24). Такого изотопа на Земле нет, но физики умеют его получать и хорошо изу­чили его свойства. Он радиоактивен и исче­зает в короткое время. При распаде этот изо­топ испускает позитрон и нейтрино и уже в третий раз превращается в азот, в тяжелый изотоп азота — N¹⁵ (рис. 25). Он стабилен, хорошо известен и в небольшом количестве всегда присутствует в обычном земном азоте.

На Солнце в это атомное ядро снова внед­ряется протон, и тут ядро N¹⁵ сразу распада­ется, выбрасывая α-частицу (ядро атома гелия), и превращается в ядро обычного углерода С¹² (рис. 26), с которого началась эта удивительная цепь последовательных ядерных превращений.

Итак, на Солнце атомное ядро углерода в результате четырех последовательных ядерных реакций с протонами, трижды превратившись в азот, один раз — в тяжелый углерод, один раз — в кислород, выбросив по дороге два по­зитрона, потеряв две загадочные частицы — нейтрино, превращается в конце концов в тот же самый изотоп углерода С¹² и α-частицу.

В результате углерод остался таким же, каким он и был. Но исчезли четыре водородных ядра, и возникло ядро гелия. Оно сформиро­валось на углеродном атомном ядре, которое осталось без изменений, послужив ядерным ка­тализатором в ядерно-химической реакции — в синтезе гелия из водорода. Таким образом, водород на Солнце — топливо, а гелий — зола, отбросы.

Долго, невообразимо долго продолжается этот замечательный ядерный цикл реакций: должно пройти почти 5 млн. лет, пока атом углерода после всех последовательных превра­щений станет снова атомом углерода. Ведь далеко не каждое соударение с протоном ведет к реакции. Требуются миллионы лет, чтобы среди бесчисленного множества столкновений ядер углерода с протонами произошло столкновение с таким быстрым протоном, энергия которого так велика, что он способен проникнуть в малень­кую неприступную крепость — атомное ядро.

Но и с такой скоростью (за 5 млн. лет одно полное превращение) эта реакция может идти только при температуре не ниже 20 млн. гра­дусов. Температура же на поверхности Солнца не превышает 6000°. Это означает, что тайна Солнца скрыта в его недрах, в его централь­ных областях, где, как рассчитывают ученые, царят чудовищно высокие температуры, близ­кие к 20 млн. градусов.

Не нужно думать, что все только что изло­женное — это лишь предположение ученых. Физики уже сумели повторить в лабораториях все стадии солнечного ядерно-химического про­цесса. Ученым не нужно ждать миллионы лет, чтобы осуществить самую медленную стадию этого цикла. В ускорителях получают прото­ны с такой большой энергией, которая превы­шает их возможную энергию при 20 млн. гра­дусов на Солнце.

Спектроскописты сумели определить, сколь­ко углерода на Солнце. Они измерили, сколько в нем тяжелого изотопа С¹³. Физики рассчита­ли скорость этой реакции, нашли, сколько энергии выделяется при каждом полном цикле. Астрономы измерили массу солнечного шара, рассчитали температуры в его глубинах.

В результате большой общей работы было найдено, что при 20 млн. градусов и при том количестве изотопа С¹³, какое было найдено на Солнце, должно возникать ровно столько энергии, сколько ее излучает Солнце.

Посмотрите на солнышко, как много чу­десного рассказали ученым его ласковые лучи, в которых вы греетесь и загораете летом, о таинственных и загадочных процессах, проте­кающих за миллионы километров от нашей Зем­ли. Но еще не все понятно, не все изучено. Мно­гое и многое остается на вашу долю, юные чи­татели Детской энциклопедии.