—
Зверь и птица, звёзды и камень — все мы одно, все одно... — бормотала Кобра,
опустив свой клобук и тоже раскачиваясь. — Змея и ребёнок, камень и звезда —
все мы одно...
Памела Треверс. «Мэри
Поппинс»
Чтобы
установить распространённость химических элементов во Вселенной, нужно
определить состав её вещества. А оно сосредоточено не только в крупных объектах
— звёздах, планетах и их спутниках, астероидах, кометах. Природа, как известно,
не терпит пустоты, поэтому и космическое пространство заполнено межзвёздными
газом и пылью. К сожалению, нам для непосредственного изучения доступно лишь
земное вещество (и только то, которое «под ногами») да очень небольшое
количество лунного грунта и метеориты — обломки некогда существовавших
космических тел.
Как
же определить химический состав объектов, удалённых от нас на тысячи световых
лет? Получать всю необходимую для этого информацию стало возможным после
разработки в 1859 г. немецкими учёными Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном
метода спектрального анализа. А в 1895 г. профессор Вюрцбургского университета
Вильгельм Конрад Рентген случайно обнаружил неизвестное излучение, которое
учёный назвал Х-лучами (ныне они известны как рентгеновские). Благодаря этому
открытию появилась рентгеновская спектроскопия, которая позволяет
непосредственно по спектру определять порядковый номер элемента.
В
основе спектрального и рентгеноспектрального анализа лежит способность атомов
каждого химического элемента излучать или поглощать энергию в виде волн строго
определённой, только ему одному свойственной длины, что и улавливают специальные
приборы — спектрометры. Атом испускает волны видимого света при переходах
электронов на внешних уровнях, а за рентгеновское излучение отвечают более
«глубинные» электронные слои. По интенсивности определённых линий в спектре и
узнают содержание элемента в том или ином небесном теле.
К
концу XX в.
исследованы спектры многих объектов во Вселенной, накоплен огромный
статистический материал. Разумеется, данные о химическом составе космических
тел и межзвёздного вещества не окончательны и постоянно уточняются, но
благодаря уже собранным сведениям удалось установить среднее содержание
элементов в космосе.
Все
тела во Вселенной состоят из атомов одних и тех же химических элементов, но
содержание их в разных объектах различно. При этом наблюдаются интересные
закономерности. Лидеры по распространённости — водород (его атомов в космосе —
88,6 %) и гелий (11,3 %). На долю остальных элементов приходится всего 1 %! В
звёздах и планетах распространены также углерод, азот, кислород, неон, магний,
кремний, сера, аргон и железо. Таким образом, лёгкие элементы преобладают. Но
есть и исключения. Среди них — «провал» в области лития, бериллия и бора и
низкое содержание фтора и скандия, причина которого до сих пор не установлена.
Выявленные
закономерности можно представить в виде графика. Внешне он напоминает старую
пилу, зубья которой сточились по-разному, а некоторые вообще сломались.
Верхушки зубьев соответствуют элементам с чётными порядковыми номерами (т. е.
тем, у которых количество протонов в ядрах чётное). Данная закономерность носит
название правила Олдо — Харкинса в честь итальянского химика Джузеппе Оддо
(1865—1954) и американского физика и химика Уильяма Харкинса (1873— 1951).
Согласно этому правилу, распространённость элемента с чётным зарядом больше,
чем его соседей с нечётным количеством протонов в ядре. Если же у элемента и
количество нейтронов чётное, то он встречается ещё чаше и изотопов образует
больше. Во Вселенной существует 165 стабильных изотопов, у которых и число
нейтронов, и число протонов чётное; 56 изотопов с чётным числом протонов и
нечётным — нейтронов; 53 изотопа, у которых число нейтронов чётное, а протонов
— нечётное; и всего 8 изотопов с нечётным количеством и нейтронов, и протонов.
Бросается
в глаза и ещё один максимум, приходящийся на железо — один из наиболее
распространённых элементов. На графике его зубец возвышается, как Эверест. Это
связано с большой энергией связи в ядре железа — самой высокой среди всех
химических элементов.
А
вот и сломанный зуб у нашей пилы — на графике нет значения распространённости
технеция, элемента № 43, вместо него здесь пробел. Казалось бы, что в нём
такого особенного? Технеций находится в середине периодической системы,
распространённость его соседей подчиняется общим закономерностям. А дело вот в
чём: этот элемент просто-напросто давно «закончился», период полураспада его
самого долгоживущего изотопа 2,12•106 лет. Технеций даже не был
открыт в традиционном понимании этого слова: его синтезировали искусственно в
1937 г., и то случайно. Но вот что интересно: в 1960 г. в спектре Солнца была
обнаружена линия «несуществующего» элемента № 43! Это блестящее подтверждение
того факта, что синтез химических элементов в недрах звёзд продолжается и
поныне.
Второй
сломанный зуб — отсутствие на графике прометия (№ 61), и объясняется оно теми
же причинами. Период полураспада самого устойчивого изотопа этого элемента
очень мал, всего 18 лет. И пока нигде в космосе он не дал о себе знать.
Совсем
нет на графике и элементов с порядковыми номерами больше 83: все они тоже очень
нестабильны, и в космосе их исключительно мало.
Осколок
железного метеорита.
Наша
Галактика.
Комета
Галлея. Снимок 1986 г. |