Происхождение химических элементов

Всего на сегодняшний день открыто 115 химических элементов, из них 81 имеют радиоактивно стабильные изотопы. Изотопы этих химических элементов и 9 радиоактивных элементов, найденных в земных породах, а также изотопы технеция и прометия были обнаружены и в спектрах звезд. 23 элемента получены искусственно: от элемента с атомным номером 93 до элемента с номером 115.

Данные об относительной распространенности химических элементов получены для различных образцов земных пород, проб воды из океанов, проб газов и воздуха, из анализа состава метеоритов, солнечного ветра, из анализа лунных пород, доставленных на Землю.

На основании анализа полученных результатов составлена таблица относительной распространенности химических элементов в солнечной системе.

Элемент	Процент распространенности
Водород	71%
Гелий	27%
C, N, O, Ne.	1,8%
Группа кремния (Na – Ti)	0,2%
Группа железа (V – Ni)	0,02%

Лучшим примером распространенности химических элементов служит солнечная атмосфера. Предполагая, что вещество на поверхности Солнца и в его недрах мало перемешивается, можно считать, что приведенная таблица правильно передает распространенность химических элементов в том первичном веществе, из которого образовались Солнце и планеты солнечной системы.

Спектры звезд, подобных Солнцу, свидетельствуют о такой же распространенности элементов в них, где бы ни находились эти звезды, в нашей собственной Галактике, или в близких нам галактиках. О таком же распределении элементов свидетельствует и свет, приходящий к нам от самых удаленных галактик и от квазаров, правда в последних, почему-то, отсутствует гелий. Но известны звезды, для которых распределение химических элементов не совсем такое.

Как же появились химические элементы и в тех самых пропорциях, какие мы наблюдаем в настоящее время? Всегда ли химические элементы были такими, как сейчас, или каким-то образом эволюционировали? Если сначала их не было, то где и когда они образовались?

Существует несколько теорий о том, как Вселенная из своего первоначального состояния перешла в состояние той расширяющейся Вселенной, которую мы наблюдаем в настоящее время. Одна из них, это «теория большого взрыва» Гамова, для которой наиболее полно развиты космогонические теории.

Согласно теории «большого взрыва», Вселенная вначале была огромным огненным шаром, заполненным в основном электромагнитным излучением (фотонами) с невероятно большой плотностью и находящимся в равновесии с небольшим количеством элементарных частиц. Начиная с момента времени “нуль”, когда огненный шар, состоящий из излучения (фотонов), имел очень высокую температуру, он начал расширяться и охлаждаться.

В интервале времени 10^-6с<t<10^-4с температура упала от начальной (очень высокой) до T=10¹³К. В состоянии огромной плотности, несмотря на быстрое расширение, нуклоны, антинуклоны и фотоны успевают прийти в термодинамическое равновесие. Нуклонные ядра образоваться не могут, т.к. фотоны имеют энергию значительно превышающую энергию связи ядер и мгновенно разрушают любые ядра.

В период от t=10^-4с до t= 1с температура меняется в периодах 10¹⁰К<T<10¹²К. Для рождения тяжелых частиц уже не хватает энергии, соответствующие друг другу нуклон – антинуклонные пары аннигилировали. Из тяжелых частиц остался лишь небольшой избыток протонов и нейтронов. Этот временной интервал 10^-4с<t<1с называют лептонной эпохой. Именно в этот период подавляющую долю частиц составляют стабильные легкие частицы: электронно-позитронные пары, электронные нейтрино и антинейтрино. Эти частицы и неспаренные нуклоны находятся в тепловом равновесии.

К концу лептонной эпохи нейтрино практически перестают взаимодействовать с веществом системы. В дальнейшем нейтрино теряют энергию и к нашему времени температура «нейтринного газа» должна снизиться до T 2К. Обнаружение таких “холодных” нейтрино – вероятнее всего задача для экспериментаторов будущего.

Поскольку в лептонную эпоху средние энергии теплового движения заключены в интервале 10⁶эВ<W<10^-8эВ, образованием нуклонных ядер можно пренебречь. (1 эВ = 1 электрон- вольт =1,6 · 10^-19Дж).

В следующую эпоху расширения, занимающую период времени 1с<t<10⁶ лет, остаются в основном, фотоны, находящиеся в равновесии с электронами и нуклонами.

Временной интервал 1с<t<100 с, когда температура меняется в пределах 10⁹К<T<10¹⁰К, связан с интенсивным образованием легчайших ядер: дейтерия (соединение протона с нейтроном), гелия. Свободные нейтроны, не успевшие вступить в ядерные реакции синтеза по времени t ~ 10³с превращаются в протоны, т.е. в ядра обычного водорода. В результате образуется, как показывают расчеты, следующее соотношение по массе между ядрами: 30% ядер гелия и 70% ядер водорода. Результаты данных наблюдений распространенности элементов хорошо согласуются с этими предсказаниями модели горячей Вселенной.

В течении последующих миллиона лет температура дозвездной среды остается высокой (10⁴К<T<10⁹К). состояние вещества этой среды – плазма. Лишь при температуре 3500К – 4000К начинается процесс рекомбинации: протоны, дейтроны и ядра гелия присоединяют к себе электроны и становятся нейтральными атомами водорода и гелия. Равновесные фотоны с температурой ниже 3500К уже не способны к ионизации атомов водорода и гелия. Фотонный газ практически перестает взаимно действовать с веществом и составляет тот фон равновесного излучения, который, охлаждаясь при дальнейшем адиабатном расширении, принял к настоящему времени температуру T 2,7К. вот почему обнаруженное фоновое излучение называют реликтовым, т.е. оставшимся от тех далеких времен.

После эпохи рекомбинации, в дозвездной газовой среде должны были стать эффективными не только флуктуации плотности, но и коллективные газодинамические процессы. При условии сильной гравитации, достаточно большая флуктуация плотности может закончиться образованием стабильного сгустка газового вещества. В проблеме образования звезд достигнуто большое понимание, но успехи теоретиков в этой области ограничены недостатком данных наблюдений. Образование галактик и их скоплений, формирующих крупномасштабную ячеистую структуру Вселенной, интенсивно изучаются исследователями, но здесь многое остается неясным.

«Строительным материалом» для звезд первого поколения служил, очевидно, водород и гелий. Взаимодействие протонов при определенных условиях, существовавших в зарождающихся звездах, приводило к образованию дейтонов и гелия. Большая концентрация гелия приводит к синтезу бериллия, затем лития, бора и, наконец, углерода. С образованием углерода начинается серия ядерных реакций с появлением элементов вплоть до железа и близких к нему элементов. Эти элементы характеризуются максимальной энергией связи на один нуклон. Поэтому термоядерные реакции с выделением энергии заканчивается на железе .

Синтез элементов тяжелее железа обеспечивается реакцией медленного захвата ядрами нейтронов с последующим испусканием электрона и образованием ядра следующего порядкового номера. Настоящими «фабриками по производству элементов», являются звезды – красные гиганты.

Самые тяжелые элементы образуются при вспышках сверхновых звезд. Генерируемые при этих вспышках мощные потоки нейтронов могут обеспечивать интенсивное протекание процессов захвата нейтронов ядрами с образованием самых тяжелых элементов.