З чого це зроблено Гаряче
Ось я і повернувся з відпустки, мої передплатники :)) То чому ж банан та холодильник родичі?
Біологи кажуть, що ДНК людини та миші збігаються на 80% (при певному способі підрахунку). Ми з мишами родичі, як і всі ссавці, хай і дуже далекі. Декілька десятків мільйонів років тому на Землі жили наші спільні предки. Але це не все. ДНК людини, продовжують біологи, на 50% також збігаються і з ДНК банана! І це теж логічно: адже і ми, і рослина уявляємо той самий світ органічного життя: земного життя. Тому з бананом, що, можливо, зараз зберігається у вашому холодильнику, у вас також колись був спільний предок. І це метафора, а реальність. Згадайте про це, коли зберете його з'їсти. Але з погляду астрофізика все ще набагато цікавіше: у вас був спільний предок і з тим самим холодильником! І у банана, виходить, також. Це теж не метафора, а науково встановлений факт. Спробую пояснити це.
Насправді суть явища досить проста. Все, що оточує нас, складається з атомів. А самі атоми, за деяким винятком, колись давно утворились у надрах зірок. Потім були викинуті в міжзоряне середовище, зібралися разом знову, знову були викинуті для того, щоб знову стати зірками, планетами, камінням, рослинами, розумними істотами, нарешті.
І вся незліченна різноманітність речовин і предметів нашого всесвіту побудована лише на 120 видах різних атомів.
Небагато зі шкільної програми. Кожен атом, у випадку, складається з позитивно зарядженого ядра, оточеного деякою кількістю негативно заряджених електронів. У свою чергу, ядро атома складається з протонів (вони несуть позитивний заряд) і нейтронів (які заряду не мають зовсім), разом званих нуклонами. УВ принципі, можна піти і далі і розповісти з чого зроблені нуклони, але в нашій розповіді це не так важливо. Важливо те, що один хімічний елемент від іншого, з погляду фізика, відрізняється кількістю протонів у його ядрі. Або, що те саме, зарядом ядра. Який, до речі, відповідає номеру елемента таблиці Менделєєва. Так, у водню першого елемента заряд 1 і його ядро складається з єдиного протона. Ядро вуглецю (шостий елемент) - з 6 протонів та 6 нейтронів, а золота (79-й) - з 79 та 118 відповідно. При цьому число нейтронів в атомі може бути різним — ядра з тим самим зарядом, але різною кількістю нейтронів називають ізотопами одного і того ж елемента.
Структура трьох найлегших атомів – водню (один протон), гелію (два протони та два нейтрони) та літію (три протони та чотири нейтрони). Заряд ядра – його головна характеристика.
Однак, якщо електрони в атомі пов'язані з ядром не дуже міцно - за допомогою електромагнітних сил, то нуклони в ядрі тримаються разом завдяки сильній (воно так і називається) взаємодії.
Тому відірвати електрон від атома або розділити пару атомів, пов'язаних загальним електроном, не так вже й складно, що регулярно і трапляється.
А ось розділити на складові атомне ядро набагато складніше. Для цього необхідно витратити багато енергії. Саме тому, багато атомних ядрів самі по собі, одного разу утворившись, можуть існувати дуже довгий час, що на багато порядків перевищує сучасний вік Всесвіту. По суті – вічно. А електрони – справа наживна. Тому розповідь про спільні предки всього і всіх, це розповідь про утворення атомів, а точніше - про утворення атомних ядер. Як створювалося хімічна різноманітність Всесвіту, без якого наш світ був би зовсім не наш.
2. Ядерна кухня
А почалося все, як заведено, з Великого Вибуху ще 13,7 млрд років тому. Утворення перших атомних ядер — первинний нуклеосинтез — завершився вже у перші 10-20 хвилин життя Всесвіту. У ту епоху світ виявився заповнений переважно воднем (точніше протонами), гелієм - наступним за воднем елементом, деякою домішкою їх ізотопів і зовсім зникаюче малою кількістю трохи важчих елементів, таких як літій та берилій. Ще в ранньому Всесвіті були і вільні нейтрони, але їх кількість швидко зменшувалася, тому що ця частка нестабільна і у вільному стані живе лише 15 хвилин.
При цьому не можна сказати, що всі з протонів і легких ядер, що утворилися в перші хвилини Всесвіту, дожили до наших днів. Відповідно до законів квантової механіки, субатомні частки можуть, за певних умов, перетворюватися одна на одну.
Що згодом неодноразово відбувалося і продовжує траплятися досі.
Десь через 500 років після Великого Вибуху почали утворюватися перші зірки: особливо щільні хмари газу первинного водню почали колапсувати (падати самі на себе) під дією власної гравітації. В результаті тиск і температура в їхньому центрі зросли настільки, що окремі протони почали стикатися, зчіплюватись і утворювати протон-нейтронні пари (згадаємо, що частинки можуть перетворюватися одна на одну). Після ще кількох зіткнень із таких пар збиралося ядро гелію, на створення якого, виходить, було витрачено чотири протони. Тобто запустився механізм синтезу важчих ядер із легших — термоядерний синтез. "Термо" - тому що він вимагає дуже високих температур, досяжних тільки в надрах зірок. І, що важливо, цей процес йде із виділенням чималої енергії. Тієї самої,яка потім випромінюється зірками. Саме термоядерний синтез «запалює» зірки і тому кажуть, що у їхніх надрах «горять» легкі елементи. Більшість об'єктів — водень.
Складання складних ядер важких елементів з кількох легших є ключовим механізмом виникнення хімічного розмаїття Всесвіту. Але реалізовуватись він може по-різному.
Ланцюжок термоядерного синтезу ядра гелію із чотирьох ядер атома водню – протонів.
Прямо зараз у надрах нашого Сонця горить водень і утворюється гелій. Приблизно через п'ять мільярдів років водень у центрі Сонця умовно закінчиться, і ці реакції припиняться. Але виникнуть умови для займання гелію, що утворився, що призведе до виникнення вуглецю і деякої кількості кисню. Горіння гелію триватиме близько мільярда років і залишить після себе вуглецеве ядро Сонця, оточене гелієвою та водневою оболонками.
На цьому термоядерний синтез у нашій зірці завершиться.
Її маси не вистачає для того, щоб згодом запалити вуглецю. Але у більш масивних зірок це реакції синтезу йдуть далі і набагато швидше, породжуючи більше кисню, натрій, кальцій, кремній (так, той самий кремній, завдяки якому ви зараз читаєте з екрану цей текст), аж до заліза (якщо маса зірки більше 8-10 сонячних) та нікелю. І ось далі починаються проблеми. "Горіння" заліза в рамках термоядерного синтезу йде не з виділенням енергії, а навпаки - з її поглинанням. Тобто енергетично невигідно. І це чудово! Тому що масивна зірка, у центрі якої утворилося залізне ядро, не може існувати у стані рівноваги. Адже саме тиск «термоядерного котла», що горить, утримував їх від колапсу. Тепер цей котел почав остигати, що зрештоюпризводить до колапсу ядра: за частки секунди воно стискається в сотні разів до стану 20-кілометрової нейтронної зірки (а то й взагалі «у крапку», тобто утворюється чорна діра), а зовнішні шари зірки, з усіма напрацьованими елементами, розлітаються у простір на швидкості десятки тисяч кілометрів на секунду. Відбувається вибух наднової! Нарешті, фабрика з виробництва хімічних елементів знайшла спосіб збути свою «продукцію». І її асортимент дуже вражає. Там і алюміній для наших літаків, і залізо для нашої крові, не кажучи вже про життєво важливі вуглеці і кисень. Спалахи наднової — одне з основних джерел збагачення міжзоряного середовища «елементною» базою. Згодом ці осколки, що розлетілися, братимуть участь у будівництві нових зірок і планет.
Серед зірок нового покоління також будуть масивні і все повториться знову.
Однак нагадаю, мова поки йде лише про елементи не важчі за залізо, яке не може брати участь у термоядерному синтезі. Тяжкіші елементи утворюються дещо інакше. Але теж, зрозуміло, у зірках.
3. Не можеш робити – захоплюй!
Як зробити дуже важкі елементи? Так, загалом, як і не дуже важкі – необхідно до атомних ядр приєднувати додаткові нуклони. Тільки в цьому випадку йдеться не про протони, а нейтрони. Їх до важкого ядра (скажімо, заліза) приєднати часом легше. У ході вибуху наднової, ядра заліза, що розлітаються, стикаючись з численними нейтронами, можуть обростати свого роду шубою з цих частинок. Потім частина нейтронів розпадеться — перетвориться на протони — що збільшить атомний номер ядра і цим виникне новий, важчий залізо, елемент. Такий процес називається швидким процесом захоплення нейтронів чи r-процесом. Він дозволяє утворитиядра атомів аж до урану та плутонію. Тобто атомний вибух на Землі був можливий завдяки колись вибуху наднового. Пам'ять про останнє все ще зберігають прикраси з платини і, частково, зі срібла. А ще свинець в автомобільному акумуляторі та деякі рідкісноземельні елементи.
Крім швидкого процесу захоплення нейтронів, існує ще й повільний. Він реалізується в надрах досить масивних зірок, поки в них ще йде термоядерний синтез. На відміну від свого «швидкого» аналога, тут легші ядра захоплюють нейтрони «по одному», що дозволяє створити не найважчі елементи, але ті, які, все-таки важчі заліза.
Сувеніром, що дістався нам від такого процесу, є, наприклад, мідна монета.
Ну чи звичайна мідно-нікелева. Лампочка, заповнена парами ртуті або стара, з вольфрамовою спіраллю, також стала можливою завдяки s-процесу захоплення нейтронів в одній або декількох масивних зірок.
У свою чергу, ті із зірок, маса яких зовсім не велика (на зразок нашого Сонця), діляться з Всесвітом напрацьованим матеріалом не так голосно і пафосно як наднові. Але дуже гарно – вони тихо скидають зовнішню оболонку, породжуючи те, що ми потім називаємо планетарною туманністю. Така доля чекає на наше Сонце.
Планетарні туманності – скидання оболонки наприкінці життя маломасивної зірки.