книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

открытие периодического закона Д. И. Менделеевым, выявившим не только последовательную повторяемость химических свойств элементов по мере роста их атомной плотности, но и предсказав­ шим на основании этого три новых элемента, их свойства и порядко­ вые номера.

Вторым, полностью не оцененным вначале открытием, явилось обнаружение явления радиоактивности, впервые установленное

в1896 г. А. Беккерелей, исследованное и понятое супругами Кюри

кначалу XX столетия.

Итак, начало нового века ознаменовалось открытием огромного числа новых фактов и представлений, поставивших ученых перед необходимостью соединить их в одно целое, осознать единство ок­ ружающего мира, выяснить условия перемещения атомов, подчиня­ ющиеся одним и тем же законам независимо от того, происходили ли они в земных породах, растениях, животных или на далеких планетах.

Геохимия, существовавшая пока только как возможная область знания, настоятельно требовала своего признания. Нужен был круп­ ный мыслитель, который смог бы заявить об ее существовании, ее методах, предмете самой науки. Таким ученым стал наш сооте­ чественник В. И. Вернадский (1863—1945 гг.).

В. И. Вернадский впервые определил задачи геохимии как науки, он сформулировал отдельные закономерности изоморфизма, рассеяния элементов, опубликовал первые великолепно написан­ ные очерки по геохимии кремния, марганца, углерода. Особое ме­ сто в исследованиях В. И. Вернадского заняли работы в области радиоактивности, значение которой он одним из первых понял до­ статочно глубоко. Вопросы использования радиоактивного тепла, измерения абсолютного возраста стали главными предметами его исследований и настойчивой пропаганды. Вернадскому принадле­ жат превосходные работы по биогеохимии. Он сформулировал закон постоянства жизни, рассматривая наиболее древние породы Земли как область былых биосфер. Им впервые был предложен тезис о ро­ ли жизни как о новом геологическом факторе, меняющем облик на­ шей планеты.

Из геохимиков первой половины XX века следует назвать В. М. Гольдшмидта, подошедшего очень близко к вопросам баланса элементов в геохимических процессах, установившего при помощи первоклассно поставленных спектральных определений закономер­ ности в распространенности ряда элементов. С именем Гольдшмидта связано возникновение кристаллохимического направления в гео­ химии.

Весьма яркая фигура А. Е. Ферсмана (1880—1946 гг.), широко известного минералога и геохимика, долгое время оставалась сим­ волом великолепного знания минеральных богатств нашей страны. С его именем связано изучение Кольской провинции щелочных по­ род, создание многотомного курса геохимии, первой классической работы по пегматитам. А. Е. Ферсман был представителем роман­

тического периода в геохимии. Дальнейшая судьба этой науки тре­ бовала привлечения огромного числа новых фактов, точных методов, позволяющих измерять в конкретных величинах параметры давно протекавших событий: возраст (в миллионах лет), температуру (в градусах), давление (в атмосферах) и т. д.

В. И. Вернадский (1S63—1945 гг.)— основопо­ ложник геохимической науки в СССР.

Подобный сдвиг наших знаний в области геохимии произошел в послевоенные годы. Он был вызван прежде всего бурным разви­ тием ядерной физики, оказавшей благотворное влияние на смежные науки.

Открытие многочисленных изотопов большинства элементов, новейшая аппаратура, позволившая измерять с высокой точностью нюансы в их распространенности, — все это привело к обнаруже­

нию совершенно новых видов информации о событиях, происходящих в природе.

Еще в 1938 г. А. Нир впервые на первом еще сравнительно грубом масс-спектрометре измерил изотопный состав природного свинца и установил закономерности эволюции его во времени. Эта эволю­ ция связана с постепенным радиоактивным распадом урана и то­ рия, в результате чего в земной коре непрерывно идет накопление конечных продуктов распада — свинцов определенного атомного веса. По соотношению урана и свинца, как это впервые было пред­ ложено П. Кюри в 1902 г., можно определять возраст минералов.

В40-х годах в связи с открытием радиоактивности калия были найдены новые независимые пути определения возраста по соотно­ шению калия и аргона — конечного продукта распада калия. Позд­ нее, после обнаружения радиоактивности Rb87, появился рубидиево­ стронциевый метод определения возраста.

Внастоящее время возникла целая наука — геохронология, позволяющая определять возраст геологических объектов в большом диапазоне с помощью различных ядерных реакций, идущих в при­ роде.

Помимо различных смесей изотопов, появляющихся в резуль­

тате распада более тяжелых ядер (свинец, стронций, аргон), позво­ ляющих расшифровывать геологические процессы, известны вари­ ации в распределении изотопов таких элементов, как кислород, сера, углерод, объясняемые кинетическими эффектами реакций, которые благодаря этому становятся индикатором многих процес­ сов. Так возникла палеотермометрия, позволяющая определять температуры образования древних объектов по изотопному составу кислорода.

Работы в области изотопии в Советском Союзе тесно связаны с именем А. П. Виноградова и его школы, разработавшей принципы интерпретации этих данных.

Другим не менее важным достижением геохимии середины XX в. явились экспериментальные исследования в области магматических явлений и гидротермальных растворов, в результате которых были установлены закономерности и найдены формы миграции вещества при разных давлениях и температуре. Эта работа, начатая впервые под руководством Н. Боуэна в Институте Карнеги в Вашингтоне в 20-х годах, продолжается в настоящий момент во многих лабора­ ториях мира.

Именно применение эксперимента положило начало теории кри­ сталлизационной дифференциации магм, доказало ионное состояние

исследуются породы и минералы с целью получения данных о тем­ пературе и давлении, при которых они возникали. Эти методы в со­ четании с указанными экспериментальными исследованиями дают огромную научную информацию.

И, наконец, за последние два десятилетия получено большое количество данных по распределению элементов в породах, позво­ ливших вычислять баланс в накоплении элементов в осадках гео­ синклинали и платформы, в различных фазах интрузивов, метамор­ фических фациях горных пород.

Все это стало возможным благодаря достижениям в области из­ мерительной техники, внедрению новых методов активационного анализа, квантометрии, инфракрасной спектроскопии и др. Еще Д. И. Менделеев сказал: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры».

Именно такой переход на новый уровень знания происходит сей­ час в геохимии.

С возможностью массового измерения распространенности эле­ ментов связано проникновение геохимических идей в практику гео­ логоразведочного дела в виде геохимических поисков.

Различного рода металлометрические съемки, дающие в поле­ вых условиях оперативную информацию о содержании искомого компонента в породах, позволили выявлять большое число рудных залежей по обнаруживаемым аномалиям их содержаний.

По мере исчерпания фонда легко открываемых, имеющих выход на земную поверхность залежей перед геологической службой все настойчивее ставится вопрос о разработке методов обнаружения руд на значительных глубинах, скрытых от глаз человека. Именно гео­ химия сыграет огромную роль в определении критериев поисков таких месторождений.

И, наконец, последние годы, в связи с проникновением человека в космос, ознаменовались развитием новой области геохимии—космо­ химии. Быстрое накопление знаний в области космохимии происхо­ дило разными путями: разностороннее исследование метеоритов, установление в них следов элементов, возникших при облучении космическими частицами; анализ океанических илов и льдов Антарк­ тиды в поисках следов космической пыли; исследование газовой оболочки Венеры, Марса и состава горных пород Луны, доставляе­ мых на Землю ракетами.

Следует отметить огромный поток публикаций по всем этим воп­ росам.

Когда-то В. И. Вернадский, говоря о развитии науки, сказал, что она в XX в. подобна взрыву, внезапно осветившему дотоле мало освещенное пространство. И далее он добавил:

«Мы переживаем не кризис, волнующий слабые души, а величай­ ший перелом научной мысли человечества, совершающийся лишь раз в тысячелетия, переживаем научные достижения, равных ко­ торым не видели долгие поколения наших предков.

Стоя на этом переломе, охватывая взором раскрывающееся буду­ щее, мы должны быть счастливы, что нам суждено это пережить, в создании такого будущего участвовать».

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЯДЕР ВО ВСЕЛЕННОЙ И ИХ ПРОИСХОЖДЕНИЕ

§ 1. СТРОЕНИЕ АТОМА

Атом, с греческого, — «неделимый». До Р. Бойля считалось, что такие свойства вещества, как текучесть и воспламеняемость обуслов­ ливаются проникновением в них атомов воды либо серы.

Вначале XIX в. Проут в Англии впервые предположил, что атомы разных веществ построены из мельчайших частиц, соизмери­ мых с атомом водорода.

В1897 г. Дж. Томсон, ионизируя газы в электрическом поле, обнаружил частицы с отрицательными зарядами, названные им электронами. В 1903 г. он создал представление об атоме как о шаро­ образной частице с расположенными вблизи ее поверхности отри­ цательно заряженными электронами.

В1911 г. Э. Резерфорд, учитывая, что альфа-частицы (ядра ге­ лия) пролетают в воздухе 5—10 см с огромной скоростью, прежде чем столкнутся с каким-то препятствием (ядрами других атомов), создал первую модель атома, весьма близкую к современной. Со­ гласно этой планетарной модели, атом обладает положительно за­ ряженным ядром (Солнцем) и вращающимися вокруг него электро­ нами (планетами) — электронным отрицательно заряженным об­ лаком.

Спустя два года, Н. Бор предложил модель атомов водорода, рассчитав радиусы орбит, по которым вращаются электроны вокруг

ядра. Соотношения масс электрона (9,108- 10-28 г) и ядра (1,67х X ІО-24 г) наиболее легкого из атомов —водорода — столь различны, что в первом приближении можно принять, что масса атома пол­ ностью определяется массой его ядра.

Периодическое изменение свойств химических элементов по мере возрастания их атомного веса и положительного заряда ядра яви­ лось одним из доказательств правильности идей Бора о строении атома.

Современное представление о строении ядра атома сводится к тому, что ядро состоит из определенного числа протонов, соответ­ ствующего числу электронов электронного облака, и числа нейтро­ нов, непропорционально возрастающего по мере увеличения заряда ядра (или порядкового номера элемента). При этом отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре пір увеличивается от 1 (гелий) до 1,6 (уран). Это объясняется тем, что концентрация в ядре одних протонов ведет к возрастанию электростатических сил отталкивания, снижающих стабильность ядер. Разбавление протонов нейтронами

в ядре препятствует этому. Подобное сложное строение ядра обусло­ вило появление вариаций соотношений п/р для одного и того же эле­ мента, т. е. изотопов. Некоторые элементы имеют до десяти стабиль­ ных изотопов (олово, ксенон и др.). При этом большое число изото­ пов свойственно более тяжелым элементам.

При определенном числе протонов и нейтронов ядра оказались особенно прочными, что позволяет выделить так называемые «маги­ ческие» числа для протонов [2, 8, 14, 20, 28, 50 и 82] и для нейтронов [2, 8, 14, 20, 28, 50, 82, 1261. Элементы, имеющие ядра с дважды ма­ гическими числами (протонов и нейтронов), такие как 2Не4, 80 16, i4Si28, 82РЬ208, отличаются большой стабильностью.

Элементы с магическими числами протонов — 20Са, soSn, 82РЬ — характеризуются наибольшим числом изотопов, в то время как элементы 36Кг86 и 54Хе136, отвечающие магическому числу нейтронов, обладают наибольшими внутриядерными связями.

Эти эмпирические факты пока еще мало исследованной области знаний тем не менее являются весьма важным аргументом в пользу теории оболочечного строения ядер.

Начиная с полония, все более тяжелые элементы обладают ра­ диоактивностью. Ядра их непрерывно разрушаются, испуская аль­ фа-частицы (ядра гелия), либо бета-частицы (электроны), либо гаммаизлучение. При этом уменьшается массовое число образующихся изотопов — промежуточных продуктов распада одного из четырех семейств радиоактивного распада: U238, U235, Th232, Np237 — до тех пор, пока не возникнет стабильное ядро изотопа, являющегося конечным продуктом распада одного из этих семейств (Pb206, РЬ207, РЬ208 и Ві209).

Явления радиоактивности можно рассматривать как своеобраз­ ное приспособление тяжелых громоздких ядер к термодинамическим условиям среды, выражающееся в превращении в более устойчивые, симметрично построенные ядра с меньшим атомным весом. Нетрудно убедиться в том, что альфа- и бета-распад ведет к перемещению об­ разующегося нового ядра в первом случае на две единицы влево и вниз, во втором — на одну единицу вправо и вниз от места нахож­ дения исходного радиоактивного ядра, т. е. образуется ядро, пере­ мещающееся справа налево и вниз вдоль веера известных ныне изо­ топов (рис. 1).

За актинием в таблице Д. И. Менделеева следует целая группа элементов-актиноидов, самым тяжелым из которых является эле­ мент с порядковым номером 105, открытый в 1967 г. Они отличают­ ся, начиная с нептуния,сравнительно короткими периодами полу­ распада (максимально 6580 лет у Pu240, 3,8-105 лет у Pu242, 7800 лет у А т243 и т. д.), поэтому вымерли сравнительно быстро после ран­ него нуклеогенеза и были получены искусственно в лаборатории. Следы их в земном веществе до сих пор не обнаружены, за исклю­ чением Pu239, концентрация которого в железо-марганцовистых отложениях современного вулканизма составляет 7,4 • 10~10 %.

Среди более легких элементов известны изотопы (К40, Rb87

Если вычислить энергию связи на один нуклон для всех элемен­ тов менделеевской таблицы, то мы получим кривую, изображенную на диаграмме рис. 2.

На основе таких данных можно сделать общий вывод об энерге­

Рис. 2. Диаграмма величии энергии связи нуклонов в атомных ядрах в мас­ совых единицах (по И. П. Селимову, 1950 г.).

Черными точками обозначены точные значения, крестиками — приблизительные зн а­ чения величин энергии связи.

разовании ядер средней части таблицы Менделеева (50 < А <2 80) как за счет более легких ядер при нуклеогенезе, так и в результате радиоактивного распада более тяжелых элементов.

§ 2. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЯДЕР В ПРИРОДЕ

Впервые в 1914 г. и 1918 г. два ученых—Г. Оддо и В. Гаркинс — обратили внимание на преимущественную распространенность эле­ ментов с четным порядковым номером. А. Е. Ферсман, использовав старые представления Л. Мейтнер о существовании так называе­ мых гелио-групп, подсчитал, что распространенность изотопов в при­

роде подчиняется закону кратности четырем (табл. 1)5 1