Гелий во Вселенной
Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам 76% космической массы приходится на водород и 23% на гелий; на все прочие элементы остается только 1%! Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе.
Вероятно, все планеты солнечной системы содержат радиогенный (образовавшийся при альфа-распаде) гелий, а крупные — и реликтовый гелий из космоса. Гелий обильно представлен в атмосфере Юпитера: по одним данным его там 33%, по другим — 17%. Это открытие легло в основу сюжета одного из рассказов известного ученого и писателя-фантаста А. Азимова. В центре повествования — план (возможно, осуществимый в будущем) доставки гелия с Юпитера, а то и заброски на ближайший спутник этой планеты — Юпитер V — армады кибернетических машин на криотронах (о них — ниже). Погрузившись в жидкий гелий атмосферы Юпитера (сверхнизкие температуры и сверхпроводимость — необходимые условия для работы криотронов), эти машины превратят Юпитер V в мозговой центр солнечной системы.
Происхождение звездного гелия было объяснено в 1938 г. немецкими физиками Бете и Вейцзекером. Позже их теория получила экспериментальное подтверждение и уточнение с помощью ускорителей элементарных частиц. Суть ее в следующем.
Ядра гелия синтезируются при звездных температурах из протонов в результате термоядерных процессов, высвобождающих 175 млн. киловаттчасов энергии на каждый килограмм гелия.
Разные циклы реакций могут привести к синтезу гелия.
В условиях не очень горячих звезд, таких, как наше Солнце, преобладает, по-видимому, протонно-протонный цикл. Он складывается из трех последовательно сменяющихся превращений. Вначале соединяются на огромных скоростях два протона с образованием дейтрона — конструкции из протона и нейтрона; при этом отделяются позитрон и нейтрино. Далее соединяются дейтрон с протоном в легкий гелий с испусканием гамма-кванта. Наконец, реагируют два ядра 3He, преобразуясь в альфа-частицу и два протона. Альфа-частица, обзаведясь двумя электронами, станет потом атомом гелия.
Кривые распространенности элементов на Земле (вверху) и в космосе. «Космическая» кривая отражает исключительную роль водорода и гелия в мироздании и особое значение гелиевой группировки в строении атомного ядра. Наибольшую относительную распространенность имеют те элементы и те их изотопы, массовое число которых делится на четыре: 16 O, 20 Ne, 24 Mg и т. д.
Тот же конечный результат дает более быстрый углеродно-азотный цикл, значение которого в условиях Солнца не очень велико, но на более горячих, чем Солнце, звездах роль этого цикла усиливается. Он складывается из шести ступеней — реакций.
Углерод играет здесь роль катализатора процесса слияния протонов. Энергия, выделяемая в ходе этих превращений, такая же, как и при протонно-протонном цикле — 26,7 Мэв на один атом гелия.
Реакция синтеза гелия — основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.
Гелий не всегда бывает конечным продуктом звездных синтезов. По теории профессора Д.А. Франк-Каменецкого, при последовательном слиянии ядер гелия образуются 8 Be, 12 C, 16 O, 20 Ne, 24 Mg, а захват этими ядрами протонов приводит к возникновению других ядер. Для синтеза ядер тяжелых элементов вплоть до трансурановых требуются исключительные сверхвысокие температуры, которые развиваются на неустойчивых «новых» и «сверхновых» звездах.
Известный советский химик А. Ф. Капустинский называл водород и гелий протоэлементами — элементами первичной материи. Не в этой ли первичности скрыто объяснение особого положения водорода и гелия в периодической системе элементов, в частности того факта, что первый период по существу лишен периодичности, характерной для прочих периодов?
Атом гелия (он же молекула) — прочнейшая из молекулярных конструкций. Орбиты двух его электронов совершенно одинаковы и проходят предельно близко от ядра. Чтобы оголить ядро гелия, нужно затратить рекордно большую энергию — 78,61 эв. Отсюда — феноменальная химическая пассивность гелия, истинно инертного газа.
За последние 20 лет химикам удалось получить сотни химических соединений тяжелых благородных газов. Однако инертность гелия остается, как и прежде, вне подозрений.
Вычисления показывают, что если бы и был найден путь получения, скажем фторида или окисла гелия, то при образовании они поглотили бы так много энергии, что получившиеся молекулы были бы «взорваны» этой энергией изнутри.
Молекулы гелия неполярны. Силы межмолекулярного взаимодействия между ними крайне невелики — меньше, чем в любом другом веществе. Отсюда — самые низкие значения критических величин, наинизшая температура кипения, наименьшие теплоты испарения и плавления. Что касается температуры плавления гелия, то при нормальном давлении ее вообще нет. Жидкий гелий при сколь угодно близкой к абсолютному нулю температуре не затвердевает, если, помимо температуры, на него не действует давление в 25 или больше атмосфер. Второго такого вещества в природе нет.
Нет также другого газа, столь ничтожно растворимого в жидкостях, особенно полярных, и так мало склонного к адсорбции, как гелий. Это наилучший среди газов проводник электричества и второй, после водорода, проводник тепла. Его теплоемкость очень велика, а вязкость мала.
Поразительно быстро проникает гелий сквозь тонкие перегородки из некоторых органических полимеров, фарфора, кварцевого и боросиликатного стекла. Любопытно, что сквозь мягкое стекло гелий диффундирует в 100 раз медленнее, чем сквозь боросиликатное. Гелий может проникать и через многие металлы. Полностью непроницаемы для него лишь железо и металлы платиновой группы, даже раскаленные.
На принципе избирательной проницаемости основан один из методов извлечения гелия из природного газа. Исключительный интерес проявляют ученые к жидкому гелию. Во-первых, это самая холодная жидкость, в которой к тому же не растворяется заметно ни одно вещество. Во-вторых, это самая легкая из жидкостей с минимальной величиной поверхностного натяжения.
При температуре 2,172 К происходит скачкообразное изменение свойств жидкого гелия. Образующаяся разновидность условно названа гелием II. Гелий II кипит совсем не так, как прочие жидкости, он не бурлит при кипении, поверхность его остается совершенно спокойной. Гелий II проводит тепло в 300 млн. раз лучше, чем обычный жидкий гелий (гелий I). Вязкость гелия II практически равна нулю, она в тысячу раз меньше вязкости жидкого водорода. Поэтому гелий II обладает сверхтекучестью — способностью вытекать без трения через капилляры сколь угодно малого диаметра.
Другой стабильный изотоп гелия 3 He переходит в сверхтекучее состояние при температуре, отстоящей от абсолютного нуля всего на сотые доли градусов. Сверхтекучие гелий-4 и гелий-3 называют квантовыми жидкостями: в них проявляются квантовомеханические эффекты еще до их отвердевания. Этим объясняется весьма детальная изученность жидкого гелия. Да и производят его ныне немало — сотни тысяч литров в год. А вот твердый гелий почти не изучен: велики экспериментальные трудности исследования этого самого холодного тела. Бесспорно, пробел этот будет заполнен, так как физики ждут много нового от познания свойств твердого гелия: ведь он тоже квантовое тело.
Источник
Гелий нейтрино термоядерный синтез
Идея термоядерного синтеза нашла конкретное воплощение в работах физика X. Бете. Синтез водорода и гелия, как показал Бете, должен идти не прямым путем, а через целую цепочку превращений. Существуют две возможности термоядерного синтеза: протон-протонный и углеродно-азотный циклы.
В первом цикле исходными компонентами служат ядра водорода — протоны, которые могут вступать в реакции друг с другом, когда звезда «разогреется» примерно до 10 млн. градусов. При этом кинетическая энергия протонов будет достаточно велика, чтобы преодолеть силы электрического отталкивания или, как говорят физики, кулоновский барьер.
Простейшая реакция между двумя протонами выглядит так:
где v — элементарная частица нейтрино, о которой дальше пойдет речь и которая является обязательным участником этих процессов, a d — ядро дейтерия. Ядро дейтерия, так называемый дейтрон, охотно и быстро «подхватывает» один из протонов, населяющих звездные недра, образуя гелий-3:
А два ядра гелия-3 способны соединиться, что приведет к образованию гелия-4 — конечной цели этого цикла — и двух протонов:
Если «суммировать» все эти реакции, то действительно получится обещанное превращение четырех протонов в гелий. В результате этого процесса выделяется энергия, равная 26,7 МэВ на один атом гелия. Для углеродно-азотного цикла необходим угле-од, который делает вероятным присоединение протона к ядру углерода:
Образующийся при этом изотоп азота будет радиоактивным. Он превращается в изотоп углерода ¹³С6, который в свою очередь тоже имеет шанс присоединить протон и, если это произойдет, преобразоваться в стабильный изотоп азота:
Последующее присоединение протона к азоту приведет к возникновению изотопа кислорода:
который испытывает бета-распад:
Еще одно столкновение с протоном — и среди продуктов распада появляется долгожданный гелий-4:
Как видно из рассматриваемых реакций, число ядер изотопа углерода ¹²С6 в итоге остается постоянным, углерод как бы выступает в роли катализатора.
Может ли эта гипотеза быть проверена экспериментальным путем? Еще со времен Огюста Конта утвердилось мнение, что проникнуть в недра звезд невозможно. А спектральный анализ давал сведения только о поверхности звезд.
Но, может быть, барьер непознаваемости чисто психологический? Ведь в ядро атома — объект чудовищной плотности и ничтожно малых размеров — «заглянуть» все же удалось. Правда, для этого пришлось разрушить атом. Но ведь звезду просто так не сломаешь. Да и экспериментировать со своим собственным светилом опасно. А, может быть, и ломать совсем необязательно? Если бы удалось просветить звезду лучами, подобными рентгеновским… И, как ни странно, такое излучение в природе нашлось.
История открытия нейтрино
Это произошло почти полвека назад. «Я сделал, сегодня что-то ужасное,— сказал молодой швейцарский физик Вольфганг Паули своему другу астроному В. Бааде.— Физику-теоретику не следует делать такого. Я предсказал нечто, что никогда нельзя будет проверить экспериментально».
Речь шла о нейтрино. Эта частица была предложена В. Паули, чтобы спасти закон сохранения энергии, казалось бы нарушаемый при бета-распаде. Действительно, тщательный кинематический анализ радио-активных превращений, которые усиленно изучались в 20-е и 30-е годы, показал, что при распадах какая-то часть энергии радиоактивного ядра не передается ни дочернему продукту распада, ни бета-электрону. Она бесследно исчезает в пространстве. Эта энергия могла уноситься неизвестной частицей, которую не «чувствуют» приборы. Дилемма «закон сохранения энергии» или «неизвестная частица» была решена В. Паули в пользу последней.
Пессимизм ученого относительно экспериментальной проверки его гипотезы станет понятным, если учесть, что гипотетические частицы должны быть лишены электрического заряда, иметь массу покоя, равную нулю, следовательно, двигаться, подобно фотонам, только со скоростью света и практически не взаимодействовать с материей. Впрочем, последняя особенность нейтрино выяснилась позднее.
Первоначально В. Паули считал, что предложенная им частица должна иметь проникающую способность, такую же (или на порядок выше), как и гамма-кванты, рождающиеся при радиоактивных распадах ядер. Долгое время нейтрино считали совершенно неуловимой частицей. Если, например, для нуклонов и мезонов, летящих со скоростями, близкими к световой, средний пробег в веществе до взаимодействия с атомными ядрами исчисляется сантиметрами (в зависимости от плотности вещества), то нейтрино, например, беспрепятственно проскочили бы заполненную железом сферу диаметром, равным расстоянию от Земли до Солнца (около 150 млн. км). Более того, Вселенная радиусом 10 млрд. световых лет практически прозрачна для нейтрино.
Нейтрино нашли спустя четверть века после предсказания В. Паули. В эксперименте, поставленном американскими физиками Ф. Райнесом и К. Коуэном, источником нейтрино служил мощный ядерный реактор. Нейтрино зарегистрировали, «заставив» участвовать в процессе, обратном бета-распаду нейтрона:
Речь о нейтрино зашла неслучайно, ибо своеобразным «рентгеном» для звезд могло бы служить именно нейтрино. Только нейтрино, нейтринное излучение, способно беспрепят- ственно проникнуть через толщу звездного вещества.
Однако подвергать Солнце просвечиванию ней-трино не пришлось. Не потому, что технически это пока совершенно нереально. Просто в подобной процедуре нет необходимости. Дело в том, что гигантские термоядерные реакторы, а именно таковыми физики представляют себе звезды, являются очень мощными природными источниками нейтрино. От Солнца, например, каждый квадратный сантиметр земной поверхности получает 100 млрд. нейтрино. Земля как бы погружена в невидимое, неосязаемое нейтринное море. И если мы хотим заглянуть в недра звезд, сделать это можно только с помощью нейтрино.
Поиски нейтрино
Итак, достижения современной физики позволили поставить на повестку дня вопрос об экспериментальной проверке гипотезы термоядерных источников солнечной энергии. Эксперимент, который уже более двух десятилетий проводит американский физик Раймонд Дэвис, удивительно прост. Во всяком случае, так считает сам профессор Р. Дэвис.
И в то же время эксперимент настолько сложен, что нередко его называли научной авантюрой XX века. В опытах Дэвиса нейтрино заставляют взаимодействовать с обычным земным веществом, причем ничтожно малая вероятность этого взаимодействия компенсируется огромным потоком нейтрино от Солнца, большим объемом детектора и… терпеливым ожиданием.
Наиболее удобной для регистрации нейтрино оказалась реакция, предложенная около 30 лет назад Б. М. Понтекорво:
³⁷Cl + ν → ³⁷Ar + e⁻, ( ν частица антинейтрино)
Образующиеся при этом изотопы аргона-37 радиоактивны. Его период полураспада около 35 дней, что и позволяет регистрировать изотопы. Однако простота опытов Р. Дэвиса кажущаяся, хотя сам он считает, что «главное — измерения», а не используемые им методы, которые достаточно стандартны. Коллеги Р. Дэвиса отмечают, что отыскать иголку в стоге сена значительно легче, чем зарегистрировать нейтрино.
Требовались сотни тонн вещества-детектора.
Им служил четыреххлористый углерод, к счастью для экспериментаторов, — вещество дешевое. В результате взаимодействия (антинейтрино ν ) с хлором-37 образовывался аргон-37, который благодаря своей химической нейтральности выводился за пределы детектора. Легко регистрировался его радиоактивный распад. Кстати, последняя задача далеко не из простых: из 10³⁶ атомов хлора-37 нужно было выбрать всего несколько десятков атомов и точно сосчитать их число (точнее, число распадов в единицу времени).
Далее необходимо было полностью освободиться от фона, который имитировал слабые нейтринные эффекты. С этой целью эксперимент проводился в заброшенной шахте, глубоко под землей, полутора километровый слой которой задерживал любое излучение, кроме, разумеется, нейтринного.
Результат этого эксперимента вошел в физику под названием нейтринного парадокса. Поток нейтрино от Солнца оказался значительно меньше ожидаемого.
Где находиться нейтрино
Солнечные нейтрино были зарегистрированы в столь малом количестве, что под ударом оказалась гипотеза термоядерного происхождения солнечной, да и, по-видимому, звездной энергии. Никакого другого механизма, объясняющего столь длительное горение Солнца (астрофизики оценивают возраст Солнечной системы в 4,5 млрд. лет), наука предложить не могла.
Нейтринная неудача обострила и другую проблему: образование химических элементов, ибо одним из процессов, ответственных за многообразие ядер окружающего нас мира, до сих пор считался термоядерный синтез. А гелий — непосредственный продукт этого синтеза — был обнаружен не только в спектре Солнца , но и в атмосферах других- планет.
Кстати, анализ нейтринного эксперимента показал, что в недрах Солнца гелий присутствует. Его доля составляет 20—24%. Но, может быть, этот гелий образовался не в результате термоядерного синтеза, а лишь отражает предысторию межзвездного вещества, из которого в свое время сконденсировалось Солнце? В современных моделях Вселенной, обсуждать которые мы будем далее, допускается; что дозвездная материя состояла из смеси водорода и гелия.
И наконец, именно с нейтрино, точнее с нейтринной астрономией, связываются надежды «заглянуть» в недра звезд, откуда не может выбраться ни одна элементарная частица, за исключением 4 нейтрино. Впрочем, гамма-кванты, рожденные в недрах звезды, могут достигнуть ее поверхности, но их «путешествие» займет миллионы лет и «постаревшие» кванты уже «не помнят» о своем происхождении. На первый взгляд это выглядит парадоксальным, если вспомнить, что скорость света, в том числе и гамма-квантов, составляет 300 000 км/с. «Задержка» в пути происходит из-за многократного взаимодействия гамма-квантов с веществом звезды.
Итак, что же происходит на Солнце? Если термоядерные реакции протекают недостаточно активно, о чем свидетельствуют наблюдения нейтрино, то за счет чего же горит Солнце? А что если в его центре есть миниатюрная «черная дыра» и именно она питает энергией наше светило? Большинство астрофизиков считает эту гипотезу маловероятной. Тем более что проверить ее труднее, чем зарегистрировать нейтрино.
А если предположить, что мы мало знаем о свойствах нейтрино?
Эти частицы могут быть нестабильными и распадаться на пути к Земле. За счет распада поток солнечных нейтрино окажется уменьшенным. Эта гипотеза требует пересмотра многих фундаментальных представлений современной физики.
Однако только лишь перечисление проблем, порожденных нейтринным парадоксом, далеко уводит нас от гелия. Кстати, и первая реакция в цепочке термоядерного синтеза (р + р → d + е⁺ + ν) на Земле не наблюдалась из-за очень низкой вероятности ее осуществления. Реакция
тоже недостаточно изучена в лаборатории.
Статья на тему Гелий нейтрино термоядерный синтез
Источник