Первым во вселенной возник гелий

Это должен знать каждый. Удивительный гелий.

Каждый из нас знаком с этим удивительным веществом. Кто- то вдыхал его и при этом веселил окружающих своим изменившимся голосом. А шары , наполненные гелием — любимая игрушка всей детворы и символ свободы для выпускников школ. Но кроме этих знакомых всем свойств, гелий обладает массой уникальных особенностей.

Гелий — второй химический элемент Периодической системы Д.И. Менделеева. Обнаружен он был 18 августа 1868 года французским ученым Пьером Жансеном и 20 октября того же года английским астрономом Норманом Локьером. Они изучали корону Солнца и в спектре обнаружили ярко- желтую линию до того момента никому неизвестного химического элемента.Локьер с Франклендом назвали его гелий (от греческого «гелиос» — солнце).

В 1895 году шотландец Уильям Рэмси открыл гелий и на Земле, а затем было доказано его наличие в атмосфере.

Почему с гелием так трудно работать, почему его так трудно обнаружить. Все дело в том, что гелий относится к группе инертных газов.

Эти газы, из- за того, что у них определенное число электронов не взаимодействуют с другими веществами и химическими элементами.

Гелий самый неактивный элемент во Вселенной. Повторюсь самый неактивный. Его электронная оболочка, состоящая всего из двух электронов заполнена. Ему не надо «чужих» электронов и свои он тоже не отдает. Чтобы заставить гелий соединиться с другим химическим элементом нужны экстремальные давления и температуры.

Гелий, после водорода, самый распространенный элемент во Вселенной. Он появляется в процессе термоядерного синтеза из водорода в глубинах звезд. На долю водорода и гелия приходится 99,9 % всего вещества нашей Вселенной.

Он не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха.

Но самые удивительные свойства проявляются у гелия, если его перевести в жидкое состояние. Это возможно только при температурах близких к абсолютному нулю. Жидкий гелий ведет себя аномально, у него нет вязкости, и он может беспрепятственно перетекать в любых направлениях. Такие жидкости получили название квантовых.

Гелий в основном используется в металлургической промышленности, при воздухоплавании, и как все инертные газы светится при пропускании через него электрического тока.

Так что, такой веселый газ играет огромную роль в глобальных процессах нашей Вселенной.

Источник

Откуда взялись все химические элементы?

Если мы посмотрим на историю нашей Вселенной, то обнаружим, что в самом начале не было ни Менделеева, ни его периодической таблицы, ни элементов входящих в нее. Наша Вселенная в момент своего рождения была очень плотной и очень горячей. А при таких условиях сложные структуры просто не могут существовать.

Например, при высоких температурах мы можем плавить металлы, то есть можем рушить молекулярную структуру. Повышая температуру, будут разрушаться молекулы на атомы. Атомы также являются составными частицами. Следовательно, повышая температуру дальше мы можем достичь разрушения атомов на отдельные протоны и нейтроны. Повышая температуру еще сильнее, мы продолжим эту матрешку, пока нейтроны и протоны не распадутся на кварки, которые являются фундаментальными частицами и распасться дальше не могут. Поэтому в очень ранней Вселенной не существовало привычного нам вещества.

По мере расширения, Вселенная остывала, что давало возможность образовываться более сложным структурам. Естественно, первым появившимся элементом, судя из таблицы Менделеева, стал водород , поскольку водород — это всего-лишь протон . Это произошло в первые секунды после Большого взрыва.

Поскольку нейтрон немного тяжелее протона, то он появился немного позднее и немного в меньшем количестве. За первые минуты Вселенная расширилась и остыла настолько, что начали происходить термоядерные реакции, в ходе которых стали появляться элементы от водорода до лития включительно. Однако, лития образовалось настолько мало, что его практически не учитывают.

Данный процесс образования первых химических элементов называется первичным нуклеосинтезом . Стоит заметить, что в ходе этого нуклеосинтеза образуется настолько мало лития, что его практически не учитывают, а подсчеты и наблюдения показывают, что Вселенная спустя несколько минут от Большого взрыва на 75% состояла из водорода и почти на 25% из гелия.

В таком составе Вселенная будет пребывать еще долгое время, пока спустя 550 млн лет не образуются первые звезды. В звездах происходит постоянный процесс ядерного синтеза . Большую часть времени звезды преобразуют водород в гелий. Поэтому, по причине процессов в звездах, водорода во Вселенной становится все меньше, а гелия все больше.

Если плотность и температура звезды имеет достаточное значение, то образовавшийся или имеющийся изначально гелий начинает преобразовываться в более тяжелые элементы. Однако, с продвижением по таблице Менделеева требуются все более экстремальные условия.

Экстремальные условия звезда создает сама по себе. Чем тяжелее звезда, тем сильнее она давит сама на себя, тем больше плотность и температура в ее недрах. Следовательно, чем массивнее звезда, тем более тяжелые химические элементы она может производить

Наше Солнце является относительно небольшой звездой, поэтому она может производить элементы только до кислорода. К концу своей жизни Солнце станет красным гигантом, а потом станет белым карликом, сбросив красную оболочку, насыщенную тяжелыми элементами, в космос. Это вещество вместе с таким же сброшенным веществом от других звезд скучкуется и впоследствии образует новое поколение звезд со своими планетами с уже конкретным набором химических элементов.

Источник

Открытие гелия

Химический элемент гелий сначала был обнаружен на Солнце и лишь потом — на Земле.

Основная часть элементов периодической системы Менделеева была открыта в XIX и XX веке. Это объясняется тем, что большинство из них в природной форме встречается крайне редко и, чтобы их обнаружить (или получить), нужен определенный уровень развития техники. У каждого элемента своя история открытия. Пожалуй, наиболее поучительная — у гелия, ведь вплоть до конца 1930-х годов ученые не могли окончательно опровергнуть предположение, что где-нибудь во Вселенной могут существовать химические элементы, которых нет на Земле. Если бы это оказалось правдой, был бы подвергнут сомнению один из главных принципов современной науки, согласно которому все известные нам в настоящее время законы природы действовали и будут действовать всегда и во всех точках Вселенной (в этом состоит принцип Коперника).

Ключевую роль в истории открытия гелия сыграл Норман Локьер, основатель одного из передовых мировых научных изданий — журнала Nature. В процессе подготовки к выпуску журнала он познакомился с лондонским научным истеблишментом и увлекся астрономией. Это было время, когда, вдохновленные открытием Кирхгофа—Бунзена, астрономы только начинали изучать спектр света, испускаемого звездами. Локьеру самому удалось сделать ряд важных открытий — в частности, он первым показал, что солнечные пятна холоднее остальной солнечной поверхности, а также первый указал на наличие у Солнца внешней оболочки, назвав ее хромосферой. В 1868 году, исследуя свет, излучаемый атомами в протуберанцах — огромных выбросах плазмы с поверхности Солнца, — Локьер заметил ряд прежде неизвестных спектральных линий (см. Спектроскопия). Попытки получить такие же линии в лабораторных условиях окончились неудачей, из чего Локьер сделал вывод, что он обнаружил новый химический элемент. Локьер назвал его гелием, от греческого helios — «Солнце».

Ученые недоумевали, как им отнестись к появлению гелия. Одни предполагали, что при интерпретации спектров протуберанцев была допущена ошибка, однако эта точка зрения получала все меньше сторонников, поскольку все большему количеству астрономов удавалось наблюдать линии Локьера. Другие утверждали, что на Солнце есть элементы, которых нет на Земле — что, как уже говорилось, противоречит главному положению о законах природы. Третьи (их было меньшинство) считали, что когда-нибудь гелий будет найден и на Земле.

В конце 1890-х годов лорд Рэлей и сэр Уильям Рамзай провели серию опытов, приведших к открытию аргона. Рамзай переделал свою установку, чтобы с ее помощью исследовать газы, выделяемые урансодержащими минералами. В спектре этих газов Рамзай обнаружил неизвестные линии и послал образцы нескольким коллегам для анализа. Получив образец, Локьер сразу же узнал линии, которые более четверти века назад он наблюдал в солнечном свете. Загадка гелия была решена: газ, несомненно, находится на Солнце, но он существует также и здесь, на Земле. В наше время этот газ больше всего известен в обычной жизни как газ для надувания дирижаблей и воздушных шаров (см. Закон Грэма), а в науке — благодаря его применению в криогенике, технологии достижения сверхнизких температур.

Вопрос о том, есть ли где-нибудь во Вселенной химические элементы, которых нет на Земле, не потерял свою актуальность и в XX веке. При исследовании внешней солнечной атмосферы — солнечной короны, состоящей из горячей сильно разреженной плазмы, — астрономы обнаружили спектральные линии, которые им не удалось отождествить ни с одним из известных земных элементов. Ученые предположили, что эти линии принадлежат новому элементу, который получил название короний. А при изучении спектров некоторых туманностей — далеких скоплений газов и пыли в Галактике — были обнаружены еще одни загадочные линии. Их приписали другому «новому» элементу — небулию. В 1930-е годы американский астрофизик Айра Спрейг Боуэн (Ira Sprague Bowen, 1898–1973) пришел к выводу, что линии небулия на самом деле принадлежат кислороду, но приобрели такой вид из-за экстремальных условий, существующих на Солнце и в туманностях, причем условия эти не могут быть воспроизведены в земных лабораториях. Короний же оказался сильно ионизированным железом. А эти линии получили название запрещенные линии.

Английский ученый. Родился в городе Рагби в семье военного врача. Локьер пришел в науку необычным путем, начав свою карьеру чиновником в военном министерстве. Чтобы подработать, он, воспользовавшись общественным интересом к науке, стал издавать научно-популярный журнал. В 1869 году вышел первый номер журнала Nature, и в течение 50 лет Локьер оставался его редактором. Он участвовал во многих экспедициях, наблюдающих за полными солнечными затмениями. Одна из таких экспедиций и привела его к открытию гелия. Локьер также известен как основатель археоастрономии — науки, изучающей астрономический смысл древних сооружений, таких как Стоунхендж, — и автор многих научно-популярных книг.

Источник

Первый век гелия

В процессе работы над книгой автору приходилось мучительно решать для себя, а нужна ли сегодняшнему читателю, пересыщенному информацией, желающему получить конкретный ответ на вынесен­ный в заглавии книги вопрос о роли гелия в нашем мире, историческая прелюдия, так ли интересен ему далеко не безболезненный процесс перехода от состоя­ния «не знаю» к победному «Эврика!».

Краткое содержание этой главы, ее «сухой оста­ток», можно было бы сформулировать так: элемент, за­нимающий вторую клеточку в периодической системе, представлен двумя стабильными и двумя радио­активными изотопами. Этот информационный экст­ракт едва ли удовлетворит читателя, который вслед за А. Эйнштейном видит в развитии науки не только накопление фактов, но и «драму идей». Поэтому нам трудно обойтись без небольших экскурсий в историю рассматриваемых проблем.

В «гелиевом веке», началом которого следует счи­тать 1868 год, первые 27 лет, которые заняло откры­тие гелия, тянулись невероятно медленно. Но затем охватившая мир цепная реакция открытий, превра­тившая мертво-классическую физику в область зна­ния, называемую с тех пор современной физикой, во­влекла в свою орбиту и проблемы, связанные с ге­лием, а также привела к значительному уплотнению, сжатию, временной шкалы.

Визитная карточка элемента X

Солнечного затмения, которое должно было про­изойти 18 августа 1868 года, с нетерпением ждали. Предстояло решить очень важный вопрос, касавший­ся природы солнечных факелов или, как их тогда на­зывали, протуберанцев. Что это такое? Однозначного ответа не существовало. Предполагали, что протубе­ранцы — это видимые на фоне скрытого Луной сол­нечного диска «лунные горы», а может быть, «сол­нечные горы». Но почему же тогда их очертания ме­нялись так быстро, что астрономы, их наблюдавшие, не успевали зарисовать картину?

Интерес к предстоящему солнечному затмению подогревался еще и тем, что впервые после откры­тия спектрального анализа этот метод надеялись применить и для изучения солнечной короны. Спек­тральный анализ уже дал науке блестящие результа­ты: новые элементы — рубидий, цезий, таллий, ин­дий — были открыты с его помощью. Именно спект­ральному анализу отводилась важнейшая роль в оп­ределении природы солнечных факелов.

Солнечную корону, как полагали в то время, мож­но было наблюдать только во время полных солнеч­ных затмений, когда на внезапно потемневшем небе вокруг Солнца, закрытого Луной, появляется жем­чужно-белый ореол, по яркости примерно вдвое ус­тупающий полной Луне (рис. 1).

Лондонское королевское общество и Парижская академия наук снарядили ряд экспедиций в те райо­ны земного шара, где условия наблюдений предсто­ящего затмения были наиболее благоприятны. Участ­ником одной из экспедиций, которая разбила лагерь у подножия Гималаев, стал французский астроном Жюль Жансен. Посланная им через несколько дней после солнечного затмения телеграмма, зачитанная на заседании Парижской академии наук, гласила: «Наблюдалось затмение, замечательный и неожидан­ный спектр. Протуберанцы состоят из газов».

Но, как отметят впоследствии историки науки, са­мым интересным и далеко идущим результатом на­блюдений оказались не сведения о природе протубе­ранцев, а то обстоятельство, что Ж. Жансену удалось наблюдать солнечную корону не только в период за­тмения, но и во время, когда солнечный диск не был закрыт. И не только ему одному. Английскому уче­ному Джозефу Норману Локьеру, как и Ж. Жансену, удалось усовершенствовать спектрограф и сделать его пригодным для наблюдения за протуберанцами в любое время.

Оказалось, что вокруг Солнца существует одно­родная оболочка из раскаленных газов, названная Дж. Локьером хромосферой. Протуберанцы пред­ставляют собой гигантские скопления газов. Ж. Жан-сен описал их, как «колоссальные столбы раскален­ного газа, состоящего главным образом из водорода». Об этом свидетельствовали хорошо знакомые иссле­дователям по «земным экспериментам» спектраль­ные линии водорода.

А вот ярко-желтая линия, которая не наблюда­лась в спектрах ни одного из известных в то время химических элементов, заставила ученых задуматься. С чем связано ее происхождение? С веществом но­вым или давно известным, но находящимся в необыч­ных условиях? Полагали, что эту линию в спектре солнечной короны может давать какой-либо металл или тяжелый водород состава 4 Н. Д. И. Менделеев считал, что неизвестная линия может принадлежать одному из известных элементов, потому что с пере­меной температуры меняются яркость и положение видимых линий.

А может быть, на Солнце присутствует новый хи­мический элемент — некий X? Одним из первых к та­кому выводу пришел, по-видимому, Дж. Локьер. Спустя три года так и не найденный на Земле элемент X назвали гелием, что в переводе с греческого значит солнечный.

Гипотетический гелий привлекал внимание уче­ных. Предполагали, что он связан с первичной мате­рией, которая служит исходным материалом для по­строения химических элементов. В таком случае этот таинственный элемент действительно может сущест­вовать только на Солнце и ни о каком материальном выделении его на Земле не может быть и речи.

Кусочек Солнца

Спустя 13 лет после открытия Ж. Жансена и Дж. Локьера итальянский физик Л. Пальмиери, под­вергнув спектральному анализу пробы газа из вул­кана Везувий, обнаружил ту самую ярко-желтую ли­нию, которая представляла собой загадку солнечного спектра. Работу ученого встретили с недоверием: его эксперименты выглядели недостаточно строгими, подтвердить результаты Л. Пальмиери не удалось, точнее, не удалось его современникам. А много лет спустя, когда методика исследований была значитель­но усовершенствована и когда существование гелия уже не вызывало сомнений, оказалось, что в этих про­бах гелия настолько мало, что едва ли итальянский ученый мог его наблюдать. Но тем не менее считать абсолютно ошибочными опыты Пальмиери все же нет оснований.

В 1895 году в английском журнале «Nature» («Природа») с недельным интервалом появились две статьи с одинаковым названием «Земной гелий». Ав­тором одной из них был известный экспериментатор Уильям Рамзай, открывший к тому времени химичес­кий элемент аргон; автором другой — Уильям Крукс, получивший известность благодаря исследованиям катодных лучей. Гелий, до сих пор наблюдавшийся только в спектре Солнца, обнаружили при анализе радиоактивного минерала клевеита. О том, что этот минерал содержит гелий, естественно, не знали.

У. Рамзай изучал газы, которые выделяются из урановых минералов под действием азотной и серной кислот. Клевеит — достаточно редкий минерал. В рас­поряжении У. Рамзая было всего 30 г минерала. После кипячения клевеита в разбавленной серной кислоте исследователю удалось собрать небольшое количество — около 20 см 3 — выделившегося в этой реакции бесцветного газа. Газ был запаян в стеклян­ную трубку, в которую ввели тонкие платиновые элек­троды. При пропускании электрического тока через трубку газ начинал светиться, поскольку его атомы возбуждались. Это означало, что можно приступать к исследованию спектра газа. Среди спектральных ли­ний, характерных для аргона, также открытого У. Рамзаем, четко выделялась ярко-желтая линия, принадлежащая гипотетическому гелию.

В распоряжении У. Рамзая была недостаточно совершенная аппаратура для спектральных исследо­ваний. Поэтому трубка с первым «кусочком» солнеч­ного вещества была отослана У. Круксу с просьбой провести более детальный анализ. Крукс подтвердил: в трубке действительно гелий. Первый земной гелий»

Вскоре гелий обнаружили в ряде других минералов и горных пород, чаще всего в тех, где, как и в клевеите, присутствовали уран и торий.

А вот в атмосферном воздухе гелий пока не нашли. Но это обстоятельство никого особенно не удивило. Полагали, что благодаря своей легкости гелий, как и водород, давно уже улетучился в мировое прост­ранство.

В том же 1895 году У. Рамзаю удалось выделить гелий из смеси газов. Он оказался, подобно аргону, инертным.

Гелий и радиоактивность

Едва научная общественность успела осознать значение открытия солнечного элемента на Земле, как мир потрясла новая сенсация. В марте 1896 года французский физик Анри Беккерель обнаружил ин­тересное явление. Оказалось, что соли урана — са­мого тяжелого элемента в периодической таблице — служат источником излучения, ранее неизвестного науке, невидимого невооруженным глазом, но, подоб­но свету, заставляющего темнеть фотопластинку.

Молодая исследовательница Мария Склодовская-Кюри высказала предположение, что излучение урана является свойством его атомов. Вскоре выяснилось, что подобным свойством — испускать невидимое излуче­ние — обладают не только уран, но и другие химичес­кие элементы. Семейство радиоактивных или, как их стали называть, радиоэлементов вскоре пополнилось торием, полонием, радием, радоном.

Появились и первые теории, объясняющие сущ­ность явления радиоактивности. Согласно теории, предложенной английскими учеными Эрнестом Резерфордом и Фредериком Содди, радиоактивность — следствие атомного распада, причем атомы радиоак­тивного вещества в процессе этого распада превра­щаются в атомы более легкого химического элемента. Впоследствии выяснилось, что вообще все химичес­кие элементы, обладающие естественной радиоактив­ностью, можно отнести к одному из трех радиоактив­ных семейств, каждое из которых представляет собой цепочку превращений.

Когда само радиоактивное излучение подвергли де­тальному анализу, решив посмотреть, как оно ведет себя в электрическом и магнитном полях, оказалось, что излучение, испускаемое радиоактивными атома­ми, не одинаково по своей природе, а состоит из трех, совершенно различных компонентов. Часть излуче­ния хорошо отклонялась в электрическом и магнит­ном полях, а значит, имела корпускулярную природу, В магнитном поле могут отклоняться только заряжен­ные частицы. Эти частицы отождествили с обычны­ми электронами и назвали бета-частицами. На дру­гую часть заряженных частиц магнитное поле дей­ствовало слабее, чем на бета-частицы. Их назвали альфа-частицами. И наконец, на часть излучения, имевшего электромагнитную природу, так называе­мое гамма-излучение, магнитное и электрическое по­ля вообще не действовали.

Характер отклонений альфа-частиц в магнитном поле свидетельствовал о том, что они заряжены по­ложительно. В 1903 году Э. Резерфорд и Ф. Содди, проанализировав генетические связи урана и тория, пришли к выводу, что продуктом радиоактивного распада должен быть элемент гелий. Правда, потре­бовалось еще около семи лет, чтобы доказать, что альфа-частицы представляют собой полностью иони­зованные атомы гелия.

Э. Резерфорд в последующей серии экспериментов измерил отношение электрического заряда альфа-ча­стиц к их массе. Оказалось, что оно такое же, как и у дважды ионизованного атома гелия.

В одном из опытов, проведенных в 1909 году Э. Резерфордом и Т. Ройдсом, альфа-частицы из ра­диоактивного источника направлялись в стеклянную трубку, откуда был выкачан воздух. Содержимое трубки подвергли спектральному анализу. В спектре газа, заключенного в стеклянную трубку, опять по­явилась та самая ярко-желтая линия, которую ранее видели все причастные к открытию гелия ученые: Ж. Жансен, Дж. Локьер, У. Рамзай, У. Крукс. Сом­неваться не приходилось: в процессе радиоактивного распада рождались атомы гелия, впервые на глазах ученых. Начинало казаться, что материя напоминает жидкость, «растекающуюся» по клеточкам периоди­ческой системы химических элементов. Вставал более общий вопрос: как вообще образуются химические элементы? «Может быть, в основе их лежит некая «праматерия» и каждый элемент превращается в природу другого элемента», — писал еще Р. Бэкон. По мнению У. Крукса, «из всех известных элементов в первую очередь должен начать существовать тот, который обладает простейшим строением и низшим атомным весом (Относительная атомная масса)». С ним соглашался Э. Резерфорд: «Более тяжелые атомы возникли из более легких и элементарных, веществ — водорода и гелия». Правда, была и другая точка зрения на происхождение эле­ментов. Ее высказывал, в частности, голландский фи­зик Т. Вульф, утверждавший, что не синтез, а рас­пад более тяжелых элементов дает всю их систему, из которой и построен мир.

Простейшим элементом, безусловно, следовало счи­тать водород — элемент № 1. Но в цепочке радиоактив­ных превращений упорно появлялся не водород, а бо­лее тяжелый и, следовательно, более сложный гелий.

А может быть, в качестве «праматерии» выступа­ют не водород или гелий, а какой-то другой, пока не найденный на Земле элемент? Кстати, лавры перво­открывателей гелия побуждали многих исследовате­лей искать элементы, которых нет на Земле, но ко­торые якобы присутствуют в спектрах отдаленных звезд, в космической пыли и туманностях, в солнеч­ной короне. Но гипотетические элементы подобного рода — геокороний, небулий, архоний, протофтор — в отличие от гелия не выдержали проверки экспе­риментом. Из многочисленной плеяды «звездных» элементов остался только гелий.

Без радиоактивных ступенек

Долгое время гелий, вопреки своему положению в периодической системе Менделеева, как ни странно, казался простым элементом, даже проще водорода. Что означала эта простота?

Мысль о возможности существования вокруг ста­бильного химического элемента неустойчивых атом­ных группировок, высказанная впервые У. Круксом еще в 1900 году, получила свое развитие в трудах известного английского радиохимика Ф. Содди. «Три естественных радиоактивных ряда включают в себя около тридцати пяти отдельных превращений и столь­ко же различных видов атомов. По мере того как они открывались, оказывалось, что новые члены рядов были не новыми химическими элементами, по­добно полонию, радию и актинию, а изотопами общих элементов. Так, радиосвинец или радий-D, прямой предшественник полония, является, как говорит его название, химически подобным свинцу; ионий — не­посредственный предшественник радия — подобен то­рию и т. д.»,— писал он в книге «История атомной энергии».

Попытки химическим путем разделить атомные группировки, названные Ф. Содди изотопами, не увен­чались успехом. «Ни один из химиков не может от­делить радиоторий от тория, так как эти радиоэле­менты химически идентичны, хотя атомные их массы различаются на четыре единицы», — писал он.

Изучение естественной радиоактивности позволи­ло Ф. Содди ответить на вопросы: что же происходит с атомами радиоактивных веществ, когда они теряют альфа- или бета-частицу; что представляют собой радиоэлементы: являются ли они обычными химичес­кими элементами с необычными свойствами, или это совершенно новый вид материи? Закон радиоактив­ных смещений, открытый Ф. Содди, гласил: испус­кание бета-частицы ведет к смещению радиоэлемен­та в периодической системе на одно место вправо, а испускание альфа-частицы — к смещению его на два места влево. И эти новые элементы, образовавшиеся в процессе радиоактивного распада, оказываются по химическим свойствам сходными с теми, в чьи ячейки они попали. Химические элементы, занимающие в периодической системе одно место, но различающиеся атомными массами и способностью к радиоактивному распаду, Ф. Содди и назвал изотопами.

В 1919 году появилась возможность проверить, существуют ли изотопы только у тяжелых радиоак­тивных элементов, замыкающих периодическую си­стему, или же изотопия — это универсальное свойст­во всех химических элементов независимо от их мес­тоположения в системе Менделеева.

Для поиска изотопов английским ученым Фрэнси­сом Астоном был сконструирован прибор — масс-спектрометр. В этом приборе заряженные частицы движутся в электрическом и магнитном полях, что приводит к отклонению их траекторий. Место попа­дания частицы в детектор (например, на фотоплас­тинку) определяется зарядом, массой частицы и ее скоростью. Первыми были открыты изотопы неона с массовыми числами 20 и 22. Затем масс-спектро­скопическому анализу были подвергнуты ртуть и хлор. В 1920 году, когда наряду с другими элемента­ми был впервые исследован и гелий, ученых ждало разочарование. Гелий, в отличие от других предста­вителей периодической системы, был представлен только одним изотопом с массовым числом четыре. Искали же в основном изотопы гелия с массовыми числами 3 и 5.

Постепенно элемент за элементом была исследо­вана вся периодическая система. В 30-е годы обна­ружили тяжелый изотоп водорода — дейтерий, а вскоре в международную таблицу изотопов попал и тритий — еще более тяжелый изотоп водорода, ока­завшийся радиоактивным. А на подступах к гелию не было никаких радиоактивных ступенек. В природ­ном гелии упрямо присутствовал лишь один-единст­венный изотоп.

Изотоп-изгнанник

Когда проводился первый эксперимент Ф. Астона по поиску изотопов в природном гелии, никто еще не знал, сколько изотопов может быть у того или иного элемента. Концепция изотопов обрела свою физическую наглядность лишь после открытия в 1932 году английским ученым Джеймсом Чедвиком нейтрона — элементарной частицы с зарядом, равным нулю, и массой, приблизительно равной массе про­тона.

С открытием нейтрона атомное ядро обрело свой «строительный материал». Советский ученый Дмит­рий Дмитриевич Иваненко в том же 1932 году пред­ложил протонно-нейтронную модель атомного ядра вместо электронно-протонной, которой оперировала донейтронная физика и которая противоречила мно­гим положениям физики. Согласно протонно-нейтрон­ной модели число протонов в ядре определяет поряд­ковый номер химического элемента, т. е. его химичес­кое лицо. Нейтроны же нужны для «цементирования» протонов, которые под действием сил кулоновского отталкивания должны были бы разлететься. И если число протонов для каждого химического элемента должно быть строго заданным, то число нейтронов может колебаться. Изотопы химических элементов различались именно по числу нейтронов.

Если природа почему-то не допускает существо­вания других, кроме гелия-4, изотопов этого элемента, то, может быть, они образуются в искусственных радиоактивных превращениях? Правда, в каких имен­но, никто не знал. Но в 1933 году М. Олифант, В. Кинсей и Э. Резерфорд при изучении взаимодей­ствия протонов с ядрами лития обнаружили, что в ядерной реакции

наряду с обычным гелием возникает его ранее не­известный изотоп — гелий-3.

Вставал вопрос и о возможном существовании другого, более тяжелого изотопа гелия с массовым числом 5. Для него тоже «придумали» реакцию — литиевую мишень (из лития-7) бомбардировали сна­рядами из дейтерия:

Но гелия-5 среди продуктов реакции не обнару­жили. Правда, предполагали, что он мог оказаться нестабильным и не успеть долететь до детектора.

Французские физики Ф. Жолио-Кюри и И. Зло­товски искали гелий-5 среди продуктов реакции

И тоже безуспешно. К гелию-5 мы еще вернемся. А в физике 30-х годов вопрос о его существовании ос­тавался открытым.

В природных же образцах до сих пор наблюдали только гелий-4. И лишь в 1939 году американские физики Л. Альварес и Р. Корног, используя в качест­ве масс-спектрометра циклотрон, доказали, что ге­лий-3 все же присутствует в гелии как в атмосфер­ном, так и в добытом из скважин. Только его очень и очень мало. В среднем 1/10 000 000 часть природ­ного гелия приходилась на долю более легкого изо­топа. В пробах гелия, полученных из радиоактивных руд, гелия-3 бывало настолько мало, что отношение 3 Не/ 4 Не не всегда поддавалось оценке. Природа по­чему-то не любила этот изотоп.

Несуществующие изотопы гелия

Итак, по современным представлениям атомы ядер всех химических элементов состоят из комбинаций протонов и нейтронов, объединенных общим назва­нием нуклоны. Исключение составляет протий — са­мый легкий изотоп водорода, ядро атома которого состоит из одного протона.

А всего в природе может существовать около 6000 комбинаций протонов и нейтронов, т. е. около 6000 изотопов, большую часть которых еще предсто­ит открыть. В настоящее время известно около 2100 изотопов. Но лишь 280 из них лежат на узкой, как лезвие бритвы, «дорожке стабильности». И стоит хотя бы немного отойти от нее, изменив соотношение между протонами и нейтронами, как сгустки мате­рии будут испытывать радиоактивный распад. Прос­тейший пример — массовое число 3. Два протона и нейтрон дают начало стабильному изотопу гелий-3. Протон и два нейтрона образуют тяжелый изотоп водорода — тритий, период полураспада которого около 12 лет… Три протона, равно как и три нейт­рона, ядрами назвать уже нельзя, поскольку они мгновенно разваливаются.

Возникает вопрос: сколько изотопов отвела при­рода элементу с порядковым номером 2? С двумя из них — гелием-4 и гелием-3 — мы уже познакомились. Первый появляется в основном при радиоактивных превращениях, второй — в ядерных реакциях.

На роль самого легкого изотопа гелия мог бы претендовать бипротон (гелий-2), ядро которого пол­ностью лишено нейтронов. Однако долгое время воп­рос о существовании бипротона даже не вставал: само собой предполагалось, что частица, обладающая двойными по сравнению с протоном зарядом и мас­сой, не прошла бы незамеченной экспериментатора­ми (Прохождение заряженной частицы через вещество сопрово­ждается, как известно, его ионизацией. Ионизация пропорциональна квадрату электрического заряда частицы. Таким образом, ионизационный эффект альфа-частиц в 4 раза выше, чем в слу­чае протонов). Более того. Еще в 1944 году советские физики Л. Д. Ландау и Я. И. Смородинский показали, что система, состоящая из двух протонов, не может быть стабильной. Она будет «жить» приблизительно 10 -22 —10 -23 с. Интересно, что теория ядерных сил в принципе не протестует против существования та­кой системы.

Дело в том, что ядерные силы зарядово-незави­симы. Это означает, что чисто ядерные компоненты силы взаимодействия между двумя протонами, дву­мя нейтронами или протоном и нейтроном одинако­вы. Однако жизнеспособной оказывается только ком­бинация протон — нейтрон, дающая начало ядру атома дейтерия. В случае бипротона с ядерными си­лами начинают конкурировать кулоновские (посколь­ку протоны заряжены положительно), и ядро гелия-2, если бы только природа допустила его существова­ние, не успев родиться, было бы буквально «разодра­но» силами электрического отталкивания.

Говорить о прямом наблюдении гелия-2 в ядер­ных реакциях даже не приходится. Ведь за столь ма­лое время, отведенное ему природой, бипротоны едва успеют покинуть ядро-мишень, в которой они обра­зовались, и, естественно, никакого следа в детекторе не оставят. Однако в физике огромную роль играют косвенные источники информации. Известно, что би-протон должен мгновенно развалиться на два прото­на, которые согласно законам сохранения энергии и импульса имеют одинаковую энергию и разлетаются под очень малым углом друг к другу, если скорость гипотетического бипротона достаточно велика. Если удастся измерить этот угол и оценить энергию прото­нов, то можно вычислить и массу, которой обладала бы частица, распавшаяся на два протона. Оказалось, что в. результате анализа довольно большого числа протонных пар, разлетающихся под малыми углами, можно говорить о рождении бипротона. Во всяком случае в последние полтора-два десятилетия различ­ные исследовательские группы сообщали о подобном эффекте.

А вот массовому числу 5 вообще не повезло. Ни среди стабильных, ни среди радиоактивных ядер нет обладателя пяти нуклонов. Но в 30—40-е годы, когда еще не было известно, что гелий-5 с полным правом можно отнести к несуществующим изотопам, его интенсивно искали. Однако масс-спектрометрические исследования природного гелия из скважин показали, что в естественном состоянии этот изотоп практически отсутствует. Не смогли найти его, в отличие от гелия-3, и в ядерных реакциях. В безуспешных поис­ках участвовали многие крупные физики-ядерщики: Э. Резерфорд, Ф. Жолио-Кюри, Г. Штауб, В. Гейтлер, И. X. Д. Йенсен, С. Ф. Пауэлл, М. Г. Мещеря­ков.

Временами проблема гелия-5 всплывает. Однако, как и в случае с бипротоном, удается только мыслен­но восстановить картину события: рождение и мгно­венный распад этого мифического изотопа. Та же судьба постигла и более тяжелые, с нечетным числом нейтронов ядра гелия-7 и гелия-9. Если они и фигу­рируют в научной литературе, то в основном как про­дукт теоретической мысли.

Современные представления о ядерных силах по­зволяют понять, почему эти ядра не могут сущест­вовать. В атомном ядре действует так называемый принцип Паули, согласно которому две одинаковые частицы, находящиеся в одном и том же состоянии в ядре, должны иметь противоположно направлен­ные спины (Спином называется механический момент количества дви­жения нуклона или ядра).

Рассмотрим ядро гелия-4, состоящее из двух про­тонов и двух нейтронов, имеющих согласно принципу Паули противоположно направленные спины. Это — низшее энергетическое состояние, и следующий нук­лон может занять только более высокое энергетичес­кое состояние. Но этот добавочный нуклон будет на­столько слабо связан с остальными четырьмя, обра­зующими укомплектованное состояние, что ядра с массовым числом пять обязательно окажутся неста­бильными. Это — гелий-5 ( 4 Не₂ + n) или литий-5 ( 5 Li₃ + p). Такое ограничение природа накладывает только на массовое число пять. Существование же более тяжелых изотопов гелия с четным числом ну­клонов с точки зрения современной физики представ­ляется возможным.

Почти нейтронная материя

За несколько лет до открытия в природных газах гелия-3 английский физик Т. Бьердж и советский ра­диохимик А. Е. Полесицкий, независимо друг от дру­га исследовавшие взаимодействие бериллия с нейтронами, наблюдали появление в ядерной реакции радиоактивности, которая, как удалось доказать, бы­ла связана с новым изотопом гелия — гелием-6:

Этот изотоп в отличие от основного содержал че­тыре нейтрона. Период полураспада гелия-6 оказал­ся не таким уж и малым по сравнению с предельной нестабильностью окружавших его изотопов: пример­но 0,8 с. Основной схемой распада было испускание электрона с образованием ядра лития-6:

Впервые мысль о существовании более тяжелого изотопа гелия, содержавшего шесть нейтронов, была высказана Я. Б. Зельдовичем и В. И. Гольданским еще в 1960 году. Такое ядро, по их мнению, должно стать родоначальником целой цепочки радиоактив­ных превращений: гелий-8 должен испытать бета-распад с образованием ядра лития-8, тоже радиоак­тивного, который в свою очередь, испустив электрон, превратится в нестабильный изотоп бериллий-8. По­следний существует только в течение так называемого ядерного времени, т. е. он практически мгновенно «разваливается» на две альфа-частицы. Такая слож­ная цепочка распадов оказалась достаточно надеж­ным критерием для экспериментального поиска ге­лия-8.

На Земле известен только один способ получения изотопов, не встречающихся в природе: это ядерные реакции. Необходимо ускорить заряженные частицы до достаточно высоких энергий (можно использовать нейтроны или гамма-кванты) и направить их на ве­щества-мишени. Высокие энергии частиц-снарядов нужны, чтобы преодолеть силы электрического от­талкивания, возникающие при приближении положи­тельно заряженной частицы к атомному ядру. Заря­женная частица, попав в атомное ядро, вызовет ми­ниатюрный ядерный взрыв. Из ядер мишени, как из рук иллюзиониста, будут вылетать и нуклоны, и их группы, и их сгустки, и атомные ядра. Многие изото­пы впервые явились именно в образе осколков ядер­ного вещества.

Так случилось и с гелием-8. Спустя год, после того как его существование было предсказано тео­ретически, ленинградские физики О. В. Ложкин и А. А. Римский-Корсаков сообщили о наблюдении сра­зу двух частиц, рожденных в ядерных реакциях и могущих претендовать на роль самого тяжелого изо­топа гелия. Возникает вопрос: неужели двух предста­вителей нового изотопа достаточно, чтобы говорить об его открытии? Однако в современной физике эле­ментарных частиц, равно как и в физике ядра, иног­да приходится иметь дело со столь редкими событи­ями, что следующий случай наблюдать и изучать их может представиться очень нескоро, поэтому даже одно достоверное событие может стать открытием.

Две частицы, обнаруженные ленинградскими уче­ными и идентифицированные как ядра гелия с мас­совым числом восемь, были рождены именно в про­цессе взаимодействия частиц высоких энергий (их ускорили на синхрофазотроне Объединенного инсти­тута ядерных исследований в подмосковном городе Дубна) с атомными ядрами. Мишенью и детектором одновременно служила ядерная фотоэмульсия.

Однако гелий-8 в этом эксперименте был открыт случайно. Более того, эксперимент не был «нацелен» на наблюдение таких редких событий и фотоэмуль­сия, которой пользовались исследователи, не позволя­ла зарегистрировать гелий-8 и литий-8, возникающие при бета-распаде. Потребовались дополнительные опыты, прежде чем гелий с массовым числом восемь занял место в таблице изотопов.

На очереди был поиск еще более тяжелого яд­ра — гелия-10. Пока наблюдать его в ядерных реак­циях не удалось никому. Предполагают, что он может быть радиоактивным. Не исключено также, что этот изотоп, сбросив два нейтрона, способен превратиться в уже знакомый нам гелий-8. И наконец, может быть, гелий-10, как и гелий с массовыми числами пять и семь, вообще не существует? Сделать более опреде­ленные выводы физики не могли. Судьба гелия с во­семью нейтронами зависит от таких тонких деталей взаимодействия между нуклонами, которые науке пока не известны.

Для того чтобы окончательно решить вопрос о существовании гелия-10, оставался один путь: опере­жая развитие теории, искать… И гелий-10 искали во многих научных центрах мира, в том числе в Ленин­граде и в Дубне. Искали в расщеплениях атомных ядер, вызванных попаданием в них частиц высоких энергий. Искали среди продуктов деления тяжелых ядер. Во всех этих процессах можно было найти практически все известные (и множество новых) изо­топы легких ядер. Но когда дело касалось гелия, его спектр обрывался на гелии-8.

Итак, очередной мифический изотоп? Скорее все­го, да. Если, конечно, не подвела статистика и ге­лий-10 рождается, но почему-то, по неизвестным при­чинам, гораздо реже, чем ожидается на основании известной вероятности появления других изотопов. Или он предпочитает (опять-таки по неизвестным причинам) «появляться» в иных процессах? Или же он, будучи предельно нестабильным, распадается еще до своего попадания в детектор?

Однако так и необнаруженный гелий с восемью нейтронами не закрывает список возможных изото­пов этого элемента. Несмотря на неудачу с гелием-10, теоретически рассчитаны ядра гелия-12, гелия-22 и даже более тяжелые. Как ни странно, даже более вероятным полагали получение гелия-22, чем других предельно пересыщенных нейтронами изотопов ге­лия, поскольку в этом случае нейтронная оболочка оказывается заполненной. Такие изотопы напоминали бы нейтронную материю, вещество которой почти ли­шено электрических зарядов.

Может ли нейтронная материя существовать на Земле? Или, точнее, как долго она могла бы сущест­вовать, какова ее стабильность? Дело в том, что ней­трон в свободном состоянии нестабилен, время его жизни около 1000 с. А далее он испытывает хорошо известный процесс радиоактивного распада, превра­щаясь в протон, электрон и антинейтрино. Аналогич­ный процесс распада для протона, в общем-то вполне вероятный, невозможен по энергетическим соображе­ниям, поскольку протон немного легче нейтрона.

Но когда нейтрон становится составной частью атомного ядра, ситуация резко меняется. Поле дейст­вия ядерных сил каким-то образом стабилизирует, замораживает нейтрон. Атомное ядро, в которое наряду с протонами входят и нестабильные в свобод­ном состоянии нейтроны, может существовать прак­тически вечно. Речь идет, разумеется, о тех ядрах, которым не угрожает процесс радиоактивного распа­да. Конечно, вечность для физики понятие некоррект­ное. Но в данном случае «вечность» означает время около 10 30 лет или даже больше. Согласитесь, эту цифру даже астрономической назвать трудно. Во всяком случае считают, что возраст нашей Вселенной на двадцать порядков меньше.

Однако атомное ядро — не единственное во Все­ленной место, где нейтрону не угрожает процесс ра­диоактивного распада. Нейтронная материя сущест­вует, по-видимому, и в недавно открытых нейтронных звездах. На определенной стадии эволюции звезды по мере выгорания термоядерного горючего под дей­ствием сил тяготения звезда начинает сжиматься. Физические условия в недрах таких звезд весьма необычны. Мощное гравитационное поле звезды бук­вально «вдавливает» электроны в протоны, превра­щая их в нейтронную материю, причем стабильную. В роли стабилизатора выступает не поле ядерных сил, как это имеет место в атомном ядре, а поле тяго­тения. Вещество нейтронных звезд состоит из плотно упакованных нейтронов, а их недра, как предполага­ют, даже из гиперонов — элементарных частиц, более тяжелых, чем нуклоны, время жизни которых в тыся­чи миллиардов раз короче, чем нейтронов. Плотность вещества нейтронной звезды такая же, как и атомно­го ядра, и даже выше. Но радиус атомного ядра не превышает 10 -13 см, а нейтронная звезда представ­ляет собой быстро вращающийся очень горячий вол­чок радиусом около 10 км. Для астрономов — это миниатюрная, хотя и очень плотная звезда, для фи­зиков — это гигантское атомное ядро. Во всяком слу­чае, нейтронные звезды — это единственные извест­ные нам (пока!) объекты во Вселенной, где сплошное ядерное вещество существует в макроскопических количествах.

Однако все попытки промоделировать в лаборато­рии отдельные этапы эволюции звездной материи оказались неудачными. Речь идет, конечно, не о том, чтобы получить на Земле миниатюрную нейтронную звезду. Но, может быть, микроскопические «капли» нейтронной материи или просто отдельные ядра, состоящие из одних нейтронов. Очень обнадеживали предсказания теоретиков, допускающих существова­ние ядер из 6, 8 и даже 22 нейтронов. А в некоторых теоретических моделях речь шла о сверхтяжелых нейтронных ядрах с массовым числом 300. Но экспе­римент (пока) показывает, что существование подоб­ных «капель» нейтронной материи, к сожалению, ско­рее всего можно предполагать лишь теоретически. А вот ядра, сильнообогащенные нейтронами,— это реальность.

В последние годы усилиями многих лабораторий мира таблица изотопов обогатилась десятками новых легких ядер, массы которых лежат вблизи границы ядерной стабильности. Среди них литий с восемью, кислород с шестнадцатью, калий с тридцатью двумя нейтронами. Почти нейтронная материя, поскольку вкрапленные в ее вещество немногочисленные прото­ны играют роль своеобразного ядерного клея, от ко­торого при конструировании изотопов пока невозмож­но отказаться.

Однако рекордсменом среди этих нейтронно из­быточных ядер оказывается уже знакомый нам ге­лий-8. Соотношение нейтронов и протонов у него са­мое большое среди всех известных физикам ядер. Опять-таки гелий!

Источник