Deutsch        English           Русский           Česky           中文           Български
ZNAMBG.com
facebook
instagram
twitter


Народни носии





ОТКЪДЕ СА ДОШЛИ ХИМИЧЕСКИТЕ ЕЛЕМЕНТИ

25.10.2022

Химиците познават повече от сто милиона вещества, но всички те се състоят от атоми само на 118 химични елемента. Всички те произлизат от обикновения и скучен водород.

Броят на атомите озадачава въображението: има повече от тях в чаша вода, отколкото чаши вода има в океаните. Ако всички бяха индивидуални и уникални, никой не би могъл да разбере този хаос. За щастие всички атоми имат една и съща структура: те се състоят от ядро и електрони. Ядрото се състои от положително заредени протони и незаредени неутрони.

Най-простото ядро е на водородният атом: той има само един протон. Следващият най-прост елемент е хелият, който има два протона в ядрото си. Броят на протоните е лесен за намиране: това е просто номерът на елемента в периодичната таблица.

А какво да кажем за неутроните? Повече от 99,9% от водородните ядра изобщо нямат неутрони, те представляват само един протон. Това е най-простата разновидност (изотоп) на водорода - протий. Но има и водород, в чието ядро протонът е придружен от неутрон (това е деутерий) и дори два неутрона (това е тритий, но е радиоактивен и бързо се разпада).

Като цяло изотопите на един елемент се различават един от друг по броя на неутроните. Всички елементи имат изотопи. Хелият, например, има два стабилни (нерадиоактивни) изотопа: хелий-4 и по-редкият хелий-3. Тези цифри означават общия брой протони и неутрони в ядрото.

В периодичната таблица има 118 елемента, но някои от тях са получени изкуствено (и работата по създаването на нови елементи продължава). Колко от тях се срещат в природата?

Наръчниците дават различни отговори, от 90 до 98.

Въпреки че на Земята има най-малко 90 елемента, 98% от нейната маса идва от само шест: кислород, силиций, алуминий, магнезий, калций и желязо. Това е, така да се каже, геохимичната шесторка.

Има още шест – биохимични. Те включват елементите, които преобладават в състава на живата клетка: водород, въглерод, азот, кислород, фосфор и сяра. Живите организми обаче се нуждаят и от много други елементи.

Нашата планета, в сравнение с Космоса, е склад на химическо разнообразие. Вселената като цяло е много скучна: 91% от атомните ядра, всъщност са най-простият химичен елемент - водородът. Почти 9% се падат на втория по простота елемент - хелий. И по-малко от 1% остава за всички останали елементи.

Ако сте изненадани и натъжени от химическата еднородност на Вселената, изчакайте: сега ще разберем как се е случило всичко това.

Непосредствено след Големия взрив температурата е била твърде висока за съществуването на протони и неутрони. Но Вселената се разширявала бързо, енергията се разпределяла във все по-голямо пространство и материята изстивала. Още преди края на първата секунда се появили протоните и неутроните.

Протоните са, както казахме, ядрата на водорода (по-точно неговият най-често срещан изотоп протий). Така, първата клетка в периодичната таблица е запълнена.

Около минута след Големия взрив пространството се охладило до няколко милиарда градуса и неутроните започнали да се комбинират с протони, за да образуват деутериеви ядра. И тогава започнали първите термоядрени реакции във Вселената: ядрата се блъскали и сливали едно с друго. Това време се нарича епоха на първичния нуклеосинтез и е продължило около двайсетина минути. След това Вселената се охладила до няколко милиона градуса.

Ето най-важните реакции, които са се случили тогава (всички те са възпроизведени в лаборатории):
Деутерий + Деутерий = Тритий + Протон
Деутерий + Деутерий = Хелий-3 + Неутрон
Деутерий + Тритий = Хелий-4 + Неутрон
Деутерий + Хелий-3 = Хелий-4 + Протон


Така се е формирал почти целият съвременен хелий. Дори звездите, неуморните генератори на хелий, произвеждат много малко в сравнение с първичния нуклеосинтез. Факт е, че около 80% от атомните ядра във Вселената дори не са част от галактики или от звезди.

След това процесът на създаване на елементи спрял. Концентрацията на хелий била твърде ниска, за да бъде материал за създаване на нови елементи, както се случва в звездите.

Вярно е, че литият, берилият и борът все пак са образувани от хелий, но в незначителни количества. Уви, тези ядра се разрушават в термоядрени реакции толкова лесно, колкото се създават. Не напразно във Вселената те все още са по-малко от всички други елементи, които са по-леки от желязото. И наблюдаваното съдържание на членовете на тази злополучна троица не е толкова лесно за обяснение. Вероятно са възникнали, когато частиците на космическите лъчи са се сблъсвкали с междузвездния водород. И свръхновите, за които ще говорим по-късно, също биха могли да имат пръст в техния синтез.

Така че Космосът би бил скучна смес от водород и хелий, ако не бяха новите термоядрени реактори - звездите. Първите от тях са осветили космоса стотици милиони години след Големия взрив.

През по-голямата част от живота си една звезда прави същото, което Вселената е правила през ерата на първичния нуклеосинтез: превръща водорода в хелий. Вярно е, че веригата от реакции в този случай е съвсем различна и доста сложна. Наистина, в една звезда, за разлика от ранния космос, няма изобилие от свободни неутрони. Неутронът е извън атомното ядро и живее само няколко минути.

Какво се случва, когато водородът в звездата се изчерпи?

Зависи от масата на звездата. Звезди с маса по-малка от половината на нашето слънце завършват живота си. Вътрешността им не е достатъчно гореща и плътна, за да може хелият да влезе в термоядрени реакции. Слънцето, за наша гордост, ще отиде по-далеч: ще създаде въглерод, азот и кислород. А още по-масивни светила синтезират елементи до желязото, в чието ядро има 26 протона.

За по-тежки елементи термоядрените пещи на звездите също са безсилни. Такива тежки ядра трудно се сблъскват едно с друго - електрическото отблъскване на множеството протони пречи.

Между другото, повечето от звездните термоядрени реакции все още не са възпроизведени на Земята. Твърде трудно е да се създадат необходимите условия. Но те са изчислени теоретично и резултатите от изчисленията са в добро съответствие с наблюдавания състав на Вселената.

Но първите 26 елемента не са дори една трета от естествено срещащите се 90. Как са се образували останалите?

Наистина в звездите няма толкова много свободни неутрони. Въпреки това там се произвеждат неутрони при някои ядрени реакции. В тези случаи неутроните се блъскат в атомното ядро и се залепват за него. Неутронът, за разлика от протона, по лесно се прикрепя към ядрото, защото не е зареден и не се отблъсква от протоните. И когато частиците на ядрото вече са го приели в близката си компания, неутронът прави трик. Той излъчва електрон и се превръща в протон. В ядрото има още един протон, което означава, че това е следващият химичен елемент. При нормален нисък неутронен поток такъв процес протича бавно, поради което се нарича s-процес, от английското „slow“.

Процесът s се случва в червените гиганти и може да произведе елементи до бисмут (83 протона). Но това става наистина бавно - необходими са хиляда години, за да се превърне едно желязно ядро в оловно ядро (82 протона). В същото време елементи с номера от 84 до 89 (от полоний до актиний) са радиоактивни. Такова ядро се разпада по-бързо, отколкото s-процесът успява да прикрепи нов протон към него.

Как тогава да обясним съществуването на торий (90 протона) и уран (92) в природата? На помощ идва бързият r-процес (от английското „rapid“). Активира се по време на експлозии на свръхнови и при сблъсъци на неутронни звезди. Тези космически катаклизми създават краткотрайни, но мощни неутронни потоци. Благодарение на тях могат да се образуват и най-тежките ядра.

Художествено представяне на свръхнова и свързаното с нея избухване на гама лъчи, задвижвани от бързо въртяща се неутронна звезда с много силно магнитно поле - екзотичен обект, известен като магнетар.

Какво се случва с химическите елементи, след като бъдат създадени?

Част от тях ще бъдат разпръснати в междузвездното пространство и може да станат материал за бъдещи звезди и планети. Останалите ще бъдат завинаги затворени в остатъка от изгорелите звезди (бели джуджета, неутронни звезди или черни дупки). Вярно е, че белите джуджета понякога експлодират свръхнови, превръщайки се в междузвезден прах. И неутронните звезди понякога се сблъскват и се сливат в една, като същевременно губят малка част от веществото. Но такива бедствия са изключение, а не правило. Най-често това, което е попаднало в звездния остатък, е изгубено за останалата част от Вселената.

Колкото по-масивна е звездата, толкова повече от нейното вещество се връща в обращение. Почти цялата маса на Слънцето, уви, ще бъде запазена безполезно в бяло джудже. Но масивните звезди, дори преди да избухнат като свръхнови, могат да разпръснат половината или дори две трети от масата си в космоса. Следователно за кислорода във въздуха и натрия в солената ни кръв трябва да благодарим на разточителните тежки светила.

Удивително е колко усилия е положила Вселената, за да създаде строителния материал за скалистите планети и техните обитатели. Но само благодарение на неуморната работа на този химически завод съществуват хората, които могат да открият това.




 Ваньо Янков
Споделяне
    Споделяне
 
 

 
 
 

Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако не сте съгласни, научете повече   |