Buch lesen: «Элементы жизни», Seite 3

– 10^—35 – 10^—32 с после Большого Взрыва. Вселенная преимущественно заполнена излучением, но уже начинают образовываться кварки, электроны и нейтрино.

– 10^—32 – 10^—12 с после Большого Взрыва. Температура Вселенной всё ещё очень высока. Поэтому электромагнитные взаимодействия и слабые взаимодействия пока представляют собой единое электрослабое взаимодействие. При очень высоких энергиях образуются экзотические частицы – W-бозон, Z-бозон и бозон Хиггса.

– 10^—12 – 10^—6 с после Большого Взрыва. Электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое взаимодействия эволюционируют к их современному состоянию. Температуры и энергии все еще слишком велики, чтобы кварки группировались в адроны.

– 10^—6 – 1 с после Большого Взрыва. Кварк-глюонная плазма охлаждается, и кварки группируются в адроны, образуя протоны и нейтроны. Примерно через 1 с после Большого Взрыва нейтрино высвобождаются и начинают свободно двигаться в пространстве. Сегодня эти частицы ведут себя аналогично фоновому реликтовому излучению, которое возникло значительно позже них.

– 1 с – 3 мин после Большого Взрыва. Материя достаточно охладилась для образования стабильных протонов и нейтронов (нуклонов). Начался процесс первичного нуклеосинтеза (синтеза ядер). За это время образовался первичный состав звёздного вещества: около 25% гелия-4, 1% дейтерия, следы более тяжёлых элементов до бора и водород.

– 379 000 лет после Большого Взрыва. Вселенная стала достаточно холодной (3000° К) для образования атомов. Из состояния плазмы материя перешла в газообразное состояние. Тепловое излучение той эпохи мы можем наблюдать в наше время в виде реликтового излучения. За счёт гравитационного притяжения вещество во Вселенной начинает распределяться по обособленным скоплениям (кластерам). Предполагается, что первыми плотными объектами в тёмной Вселенной были квазары. Затем начали образовываться ранние формы галактик и газопылевых туманностей. Появляются первые звёзды, в которых происходит синтез элементов тяжелее гелия.

– 8—9 миллиардов лет после Большого Взрыва. Начали образовываться структуры, соизмеримые по масштабу с нашей Солнечной системой. Звезда, которую мы называем Солнцем, появилась относительно поздно. Есть гипотеза, что часть массы Солнца включает в себя остатки более ранних звёзд.

Из всего этого явствует, что первые химические элементы во Вселенной появились между первой секундой и третьей минутой ее существования. Ими стали водород (Н) и гелий (Не) – самые легкие элементы в природе. Ядро стабильного водорода (водорода-1 или протия) содержит всего один протон и больше ничего. Есть у водорода два изотопа – водород-2 (дейтерий (D) от греч. Δεύτερον – второй) и водород-3 (тритий (T)). В ядре дейтерия, кроме протона, появляется еще один нейтрон. А в ядре трития вместе с одним протоном живут два нейтрона. Поэтому масса атома дейтерия больше массы атома протия или просто водорода, а тритий тяжелее дейтерия. Дейтерий называют тяжелым водородом, а тритий – сверхтяжелым водородом.

Итак, к протону добавили всего один нейтрон, получили новый изотоп водорода – почти его близнец. Но близнец оказался не вполне похожим на своего братца. Он так же стабилен, как и протий, в том смысле, что его ядро не стремится распадаться – протон и нейтрон мирно сосуществуют до бесконечности. Дейтерий, подобно водороду-1, образует воду, но с химической формулой не Н₂О, а D₂О – ее называют тяжелая вода. Тяжелая вода на вид и вкус ничем не отличается от обычной. И тем не менее, химические реакции в ее среде проходят несколько медленнее, чем в обычной воде, потому что водородные связи с участием дейтерия сильнее связей водорода-1, а потому их тяжелее разорвать. Тяжелая вода имеет большую вязкость, иную проводимость. Это приводит к тому, что попадая в организм человека, такая вода иначе участвует в процессах обмена веществ, чем обычная вода. Поэтому тяжёлая вода считается в слабой степени токсичной. Иногда ее даже называют мертвой водой. То есть протий и дейтерий – вовсе не близнецы, а скорее двойняшки.

В природной воде на один атом дейтерия приходится 6400 атомов водорода-1. Это означает, что в крайне незначительном количестве в любой луже или ручье содержится тяжелая вода. Правда, в этом ничего страшного нет – такая мизерная доля дейтерия совершенно не опасна для здоровья даже при кипячении и выпаривании воды. Между прочим, человек может без видимого вреда выпить даже несколько стаканов чистой тяжёлой воды – весь дейтерий будет выведен из организма через несколько дней.

Тяжёлая вода гораздо менее токсична, чем, скажем, поваренная соль. Есть даже запатентованный метод лечения гипертонии тяжёлой водой в суточных дозах до 1,7 г дейтерия на 1 кг веса пациента.

Еще одно свойство тяжелой воды объясняется тяжестью появившегося нейтрона. Добавленный к протону нейтрон увеличил массу ядра дейтерия по сравнению с протием. Ядро дейтерия стало тяжелым настолько, что может приостанавливать бег летящих на него посторонних нейтронов, как спортивная груша останавливает удар кулака боксера. Поэтому дейтерий в виде тяжёлой воды используют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах. Впрочем, это не единственное применение дейтерия в обыденной жизни. Кроме всего прочего, дейтерий считается ядерным топливом для энергетики будущего, основанной на управляемом термоядерном синтезе.

Если к протону добавить два нейтрона – получаем второй изотоп водорода: тритий. Он уже, в отличие от своих родных братьев, протия и дейтерия, радиоактивен. Радиоактивность означает нестабильность ядра атома, его способность излучать частицы и постепенно превращаться в другой химический элемент. Период полураспада трития – чуть более 12 лет. То есть через 12 лет половина нестабильных нейтронов из трития улетает навсегда. А на протяжении всех 12 лет тритий непрерывно излучает нейтроны. Хулиганит, одним словом.

Радиоактивность ядра атома трития проявляется в излучении этим ядром электронов и нейтрино. Откуда же берутся электроны и нейтрино, спросите вы, если в ядре трития, кроме протона и двух нейтронов ничего не было? Это и есть чудеса микромира – настоящее волшебство.

Оказывается, нейтрон способен превращаться в протон, выбрасывая из себя электрон и нейтрино, как Царевна-лягушка – лягушечью кожу. «Все дело в том, – рассказывает физик-теоретик из Лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований, доктор физико-математических наук Олег Теряев, – что нейтрон совсем чуть-чуть тяжелее протона – всего на 1 процент. Этот один процент образуют масса электрона, масса нейтрино и энергия, которая выделяется, когда электрон и нейтрино покидают нейтрон. Только благодаря этой однопроцентной разнице массы протона и нейтрона мы живем в столь разнообразном мире, составленном из целого множества элементарных частиц. Если бы нейтрон был тяжелее протона не на один, а, скажем, на два процента, то ядра всех атомов, кроме атома водорода, были бы нестабильны и распадались. Тогда в мире остался бы лишь один химический элемент – водород. Потому что его ядро состоит из одного протона и не содержит нейтронов (в ядра других элементов нейтроны входят). А если бы протон был тяжелее нейтрона, то во Вселенной не было бы вообще ни одного химического элемента. Отчего? Оттого что протоны в этом случае притягивали бы электроны с орбиты своего же атома и, взаимодействуя с ними, превратились бы в нейтроны. Тогда весь мир состоял бы только из нейтронов».

Еще раз поразимся тому, что мир, в котором мы живем, – невероятное чудо творения. Все параметры нашей Вселенной подобраны так, чтобы жизнь в ней могла существовать во всем ее разнообразии. Короче: наша Земля и мы сами – это антропный принцип в действии.

Почему одни элементы есть в природе, а других – нет

То, что на Земле существуют железо и медь, люди знали еще несколько тысяч лет назад. Потому, что видели и то, и другое своими глазами и использовали для своих нужд. Если мы можем видеть что-то ежедневно, значит, по нашим меркам, это что-то существует вечно. А вечно ли живут химические элементы, и существует ли для них вечность?

Только через 379 тысяч лет после Большого Взрыва Вселенная охладилась настолько, чтобы из протонов, нейтронов и электронов во всех возможных их сочетаниях стали образовываться атомы химических элементов.

Из состояния плазмы вещество переходило в газообразное состояние. Сохранившееся тепло той эпохи до сих пор доходит до нас из космических далей в виде реликтового излучения. Силы гравитации заставляли сбиваться появившееся вещество в обособленные скопления – кластеры. Считается, что первыми плотными объектами Вселенной были квазары. Затем начали образовываться ранние формы галактик и газопылевых туманностей. Постепенно появлялись первые звёзды, в которых происходил синтез химических элементов тяжелее гелия. Эту гипотезу подтвердила находка Ричарда Эллиса из Калифорнийского технологического института (в просторечии – Калтех). 11 июля 2007 г. на 10-метровом телескопе Keck II он обнаружил 6 звёздных скоплений, которые образовались 13,2 миллиардов лет тому назад. Значит, они возникли, когда Вселенной было всего 500 миллионов лет.

Спустя 8—9 миллиардов лет после Большого Взрыва стали появляться структуры, соизмеримые по масштабу с нашей Солнечной системой. Дающая Земле жизнь звезда по имени Солнце образовалась относительно поздно. Существуют догадки, будто часть массы Солнца представляет собой остатки более ранних звёзд.

Но вернемся к элементам и радиоактивности. Сколько элементов образовалось вследствие Большого взрыва, человечеству доподлинно неизвестно. Физики предполагают, что природа создала до трехсот химических элементов. Большая часть из них оказались короткоживущими и в процессе радиоактивного распада исчезли, превратившись в те элементы, которые живут вечно. Именно они, вечные (по меркам человека), и окружают нас сегодня на Земле.

Вечным мы обычно считаем то, что наблюдаем всю жизнь и что помнят еще наши дальние предки. Но в случае с химическими элементами такое понимание вечности не подходит. Обычно химический элемент, встречающийся в природе, состоит из нескольких изотопов, часть которых радиоактивна. К примеру, щелочной металл калий с атомной массой 39,098 – номер 19 в таблице Менделеева – является смесью трех изотопов: двух стабильных ³⁹К и ⁴¹К и радиоактивного ⁴⁰К. Попутно имеет смысл напомнить, что атомная масса дает представление о количественном соотношении изотопов в этой смеси, поскольку является средним значением атомной массы изотопов с учетом их процентного содержания. Число 39,098 говорит нам о калии, что в природной смеси присутствует больше всего изотопа ³⁹К. Остальные два изотопа калия там представлены в крайне незначительных количествах.

Радиоактивный изотоп калия ⁴⁰К имеет период полураспада 1,32 миллиарда лет (чем для человечества не вечность?). Распадаясь, он превращается в стабильный кальций ⁴⁰Сa и инертный газ аргон ⁴⁰Ar. Часть аргона не уходит в атмосферу, накапливаясь в содержащих калий минералах. По накопленному количеству аргона в породе и количеству оставшегося там радиоактивного изотопа калия можно определить возраст слоя, где залегает минерал. Зная, сколько времени нужно для превращения половины атомов калия в аргон (период полураспада) и сколько атомов аргона присутствует в изучаемой горной породе, составляют простую арифметическую пропорцию и получают искомый возраст. Калий-аргоновый метод используется палеонтологами для определения абсолютного возраста горных пород, а значит и находок, содержащихся в них.

Метод радиоизотопных датировок позволил установить возраст Земли: 4,6 – 5 миллиардов лет. Эти цифры получены, исходя из предположения, что горные породы и минералы, обнаруженные на поверхности Земли, не могли быть свидетелями образования планеты. Максимальный возраст Земли ограничен возрастом самых ранних в Солнечной системе тугоплавких метеоритных включений, содержащих кальций и алюминий. По результатам современных исследований ураново-свинцовым изотопным методом, возраст калициево-алюминиевых включений из упавшего в Мексике 8 февраля 1969 года метеорита Альенде (принадлежащего к классу углистых хондритов) составляет 4568,5±0,5 млн. лет. На сегодняшний день это лучшая оценка возраста Солнечной системы. Земля могла сформироваться позже этой даты на миллионы и даже многие десятки миллионов лет, но никак не раньше.

Это означает, что элементы, которые живут существенно меньше 4,6 миллиардов лет, могли не дожить до появления человека на Земле. Поэтому мы о них ничего не знаем.

Радиоизотопный метод помог наполнить датами историю развития жизни на Земле. Ведь до появления этого метода календарь событий, происходивших на нашей планете, был относительным. Относительный возраст горных пород геологи вычисляли с помощью данных палеонтологов, изучавших останки растений и животных.

Палеонтологи разделили историю Земли на отрезки времени. Два самых масштабных интервала (эона) – докембрий и фанерозой. Самый древний – докембрий. В этот период существовали только мягкотелые организмы, не оставившие следов в осадочных породах. Фанерозой начался около 542 млн лет назад «кембрийским взрывом» – появлением множества видов моллюсков и других организмов, «наследивших» своими ископаемыми остатками в нынешних пластах пород.

Эоны ученые разделили на эры, эры – на периоды. Если в пласте известняка геологи находили панцирь трилобита, то уверенно утверждали, что известняк образовался в палеозойскую эру, когда жили эти существа. Крупнейшие месторождения угля в Донбассе и Кузбассе образовались в каменноугольном периоде палеозойской эры фанерозоя, когда появились деревья и пресмыкающиеся. Поволжские крупные месторождения нефти заключены в породах, которые отлагались во время предшествовавшего каменноугольному девонского периода палеозойской эры, когда вышедшие на сушу рыбы трансформировались в земноводных, а растения стали размножаться спорами. Знаменитые месторождения фосфоритов в Южном Казахстане приурочены к осадкам морей кембрийского периода, самого раннего периода палеозоя – эпохи «кембрийского взрыва».

Разложив остатки растений по «полочкам» пластов осадочных пород, ученые смогли разобраться, какие из пород старше или моложе, и составили относительную геохронологическую шкалу исторических событий на Земле, точные даты в которой появились на основании исследований пород радиоизотопными методами:

Вот так радиоактивность открыла нам прошлое Земли и объяснила, отчего человеку с момента появления его на планете были доступны только 92 химических элемента. Остальные элементы люди сделали сами. Одни – из любопытства другие – по необходимости, а некоторые – из политических соображений.

Глава 3. Конкуренция за элементы

Отчего для нас он – курчатовий, а для них – резерфордий

В 70-е годы прошлого века все советские школьники в кабинетах химии видели в таблице Менделеева под номером 104 химический элемент с названием «курчатовий» (Ku). До сих пор многие из них, став взрослыми людьми, не понимают, куда делся этот родной нам элемент и почему на его месте теперь во всех периодических таблицах мира расположился заморский резерфордий.

История исчезновения курчатовия и замещения его резерфордием связана с интереснейшей и во многом загадочной областью физики – синтезом тяжелых ядер. Именно синтез ядер замешан в истории с химическим элементом номер 104.

Ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон почти одинаково тяжелые – масса нейтрона больше массы протона всего на 0,1378%. Самое легкое ядро у водорода (¹Н) – оно содержит всего один протон. Чем больше протонов и нейтронов в ядре, тем оно тяжелее. С нарастанием массы ядра растет и порядковый номер химического элемента в периодической системе (порядковый номер химического элемента равен числу протонов в его ядре). Следовательно, самые тяжелые ядра сконцентрированы в самом низу периодической таблицы химических элементов.

Тяжелое, а значит, крупное по размеру ядро может распасться на несколько мелких. Такой процесс называется реакцией распада. Если происходит наоборот – несколько более мелких ядер объединяются в одно более крупное, – это событие называется реакцией синтеза. Естественные реакции ядерного синтеза во Вселенной распространены очень широко. В процессе синтеза ядер гелия (²Не) из ядер водорода насыщаются выделяемой при синтезе энергией видимые нам звезды. Первую искусственную реакцию термоядерного синтеза человек использовал для создания водородной бомбы, но не сумел пока найти способ направить термоядерный синтез в мирное русло и научиться получать с его помощью энергию для жизни.

Единственный мирный вариант искусственного синтеза новых ядер в мирных целях доступен физикам, работающим на ускорителях тяжелых ионов. В таких экспериментах обычно получают считанные количества новых ядер – до нескольких десятков. И нужно проявить большое искусство и сообразительность, чтобы с помощью приборов достоверно узнать, что за ядра получились при синтезе. Причем важно не только узнать ядра «в лицо», но и убедительно доказать, что «лицо» опознано верно. К тому же распознать продукт синтеза нужно необычайно быстро, поскольку он почти всегда не жилец – тут же начинает делиться, испуская нейтроны, электроны или альфа-частицы и распадаясь на другие элементы – долгоживущие.

В Советском Союзе исследования ядер тяжелых ионов инициировал Игорь Васильевич Курчатов в Институте атомной энергии, в Москве. Ими занялась группа физиков под руководством Георгия Николаевича Флерова.

В 50-е годы XX века физики стали ускорять тяжелые ионы (ядра углерода, азота и кислорода) на циклотроне диаметром в полтора метра, сталкивать их с неподвижными мишенями и исследовать происходящие при этом ядерные реакции. Это были первые попытки синтеза трансурановых элементов – химическим элементов, которые тяжелее урана.

Впоследствии синтез сверхтяжелых химических элементов продолжился в международном ядерно-физическом центре в Дубне – в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). В составе ОИЯИ специально для изучения сверхтяжелых элементов учредили целый научный институт под названием Лаборатория ядерных реакций (ЛЯР ОИЯИ). Естественно, ее директором стал академик Георгий Николаевич Флеров.

В 1959 году там создали самый мощный на тот момент в мире 310-сантиметровый циклотрон тяжелых ионов. А ныне в Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований функционируют три уникальных ускорителя тяжелых ионов У-400, У-400М и DC-280, последний из которых запущен в 2018 году на единственной в мире Фабрике сверхтяжелых элементов.

Фабрика сверхтяжелых элементов построена в ЛЯР ОИЯИ специально для синтеза сверхтяжелых элементов на основе новых технологий высокопоточного ускорительного комплекса DC-280. Всего за один месяц работы этого комплекса физики получают столько ядер сверхтяжелых элементов, сколько на других ускорителях они получали за год.

Так вот, в Дубне, в Лаборатории ядерных реакций, в 1964 году и родился на свет химический элемент курчатовий. Для синтеза сто четвертого элемента выбрали реакцию слияния ядер плутония (²⁴²Рu) и неона (²²Ne). Масса самого тяжелого изотопа 104-го элемента могла бы быть не больше 264 (242+22).

Ядра изотопа 104-го элемента с массовым числом 260 группа Флерова в Дубне получила при бомбардировке мишени из плутония пучком ускоренных ядер неона. Почему решили получить именно этот изотоп? Чтобы не обознаться, разыскивая среди осколков, вылетающих из обстреливаемой мишени, ядра нового – 104-го элемента.

«Каждый новый элемент дается с большим трудом, чем предыдущие. Причины кроются в малых временах жизни тех изотопов, которые позволяют получать современные методы синтеза, и особенно в малых выходах этих элементов, обусловленных малыми сечениями реакций, малым количеством вещества мишени и ограниченными возможностями экспрессных методов выделения и идентификации короткоживущих изотопов». Эти слова принадлежат академику Г. Н. Флерову и его соавторам В. А. Друину и А. А. Плеве.

Время жизни новых сверхтяжелых элементов не сравнимо не только с вечностью, но даже с длиной человеческой жизни. В 1964 году американские ученые предсказали элементу №104, который они тоже готовились синтезировать, жизнь длиной в сотые доли секунды. Первые опыты показали, что живет он в десять раз дольше – десятые доли секунды. Но и за это время «узнать в лицо» новый сверхтяжелый химический элемент, доказать, что это именно он, и изучить его химические свойства чрезвычайно трудно – нужно либо стать волшебниками, либо проявить чудеса инженерной и научной мысли. Что и сделали в Лаборатории ядерных реакций сотрудники группы Флерова.

Почему трудно «узнать в лицо» новый химический элемент? Во-первых, потому что его никто никогда не видел. Во-вторых, потому что узнают его не глазами, а приборами. В-третьих, потому что узнавать его нужно, выделяя из толпы других ядер, которые образовались в реакции синтеза.

В процессе синтеза химических элементов №102, 103, 104 и 105 ученым удалось эти трудности обойти.