Moscova, 6 februarie - RIA Novosti. Chimiștii ruși și străini declară posibilitatea existenței a doi compuși stabili ai celui mai „xenofob” element - heliu și au confirmat experimental existența unuia dintre ei - helida de sodiu, potrivit unui articol publicat în revista Nature Chemistry.

„Acest studiu demonstrează cât de complet pot fi detectate fenomene neașteptate folosind cele mai moderne metode teoretice și experimentale. Lucrarea noastră ilustrează încă o dată cât de puțin știm astăzi despre efectul condițiilor extreme asupra chimiei și rolul acestor fenomene asupra proceselor din interiorul planetelor. . încă de explicat ", spune Artem Oganov, profesor la Skoltech și la Moscova Phystech din Dolgoprudny.

Secretele gazelor nobile

Materia primară a Universului, care a apărut la câteva sute de milioane de ani după Big Bang, consta din doar trei elemente - hidrogen, heliu și urme de litiu. Heliul este încă al treilea cel mai răspândit element al universului, dar este foarte rar pe Pământ, iar rezervele de heliu de pe planetă sunt în continuă scădere datorită faptului că acesta scapă în spațiu.

O trăsătură distinctivă a heliului și a altor elemente ale grupului opt al tabelului periodic, pe care oamenii de știință le numesc „gaze nobile”, este că acestea sunt extrem de reticente - în cazul xenonului și a altor elemente grele - sau, în principiu, precum neonul nu sunt capabili să intre în reacții chimice. Există doar câteva zeci de compuși de xenon și cripton cu fluor, oxigen și alți oxidanți puternici, zero compuși de neon și un compus de heliu descoperit experimental în 1925.

Acest compus, uniunea unui proton și heliu, nu este un adevărat compus chimic în sensul strict al cuvântului - în acest caz, heliul nu participă la formarea legăturilor chimice, deși afectează comportamentul atomilor de hidrogen lipsiți de un electron. După cum au sugerat anterior chimiștii, „moleculele” acestei substanțe ar fi trebuit să se întâlnească în mediul interstelar, dar în ultimii 90 de ani, astronomii nu le-au găsit. Un posibil motiv pentru aceasta este că acest ion este extrem de instabil și se descompune la contactul cu aproape orice altă moleculă.

Artem Oganov și echipa sa s-au întrebat dacă compușii cu heliu ar putea exista în condiții exotice, la care chimiștii terestri se gândesc rar - la presiuni și temperaturi ultraînalte. Oganov și colegii săi studiază chimia atât de „exotică” de mult timp și chiar au dezvoltat un algoritm special pentru a căuta substanțe care există în astfel de condiții. Cu ajutorul său, au descoperit că în intestinele giganților gazoși și ale altor planete pot exista acid ortocarbonic exotic, versiuni „imposibile” ale sării de masă obișnuite și o serie de alți compuși care „încalcă” legile chimiei clasice.

Folosind același sistem, USPEX, oamenii de știință ruși și străini au descoperit că la presiuni ultra-ridicate care depășesc presiunea atmosferică cu 150 mii și un milion de ori, există doi compuși stabili de heliu simultan - gelura de sodiu și oxigenul de sodiu. Primul compus este format din doi atomi de sodiu și un atom de heliu, iar al doilea este format din oxigen, heliu și doi atomi de sodiu.

Presiunea ultra-înaltă a făcut ca sarea să „încalce” regulile chimieiChimiștii american-ruși și europeni au transformat sarea de masă obișnuită într-un compus „imposibil” din punct de vedere chimic, ale cărui molecule sunt organizate în structuri exotice cu diferite numere de atomi de sodiu și clor.

Atom pe o nicovală de diamant

Ambele presiuni pot fi ușor obținute cu ajutorul nicovalelor moderne de diamant, lucru realizat de colegii lui Oganov sub conducerea unui alt rus - Alexander Goncharov de la Laboratorul de Geofizică din Washington. După cum au arătat experimentele sale, gelul de sodiu se formează la o presiune de aproximativ 1,1 milioane de atmosfere și rămâne stabil până la cel puțin 10 milioane de atmosfere.

Interesant este că gelura de sodiu este similară în structură și proprietăți cu sărurile de fluor, „vecinul” heliului de pe tabelul periodic. Fiecare atom de heliu din această „sare” este înconjurat de opt atomi de sodiu, la fel cum este structurată fluorura de calciu sau orice altă sare de acid fluorhidric. Electronii din Na2He sunt „atrași” de atomi atât de puternic încât acest compus, spre deosebire de sodiu, este un izolator. Oamenii de știință numesc astfel de structuri cristale ionice, deoarece electronii iau rolul și locul ionilor încărcați negativ în ele.

MIPT: intestinele lui Neptun și Uranus pot conține „acidul lui Hitler”Chimiștii din Moscova Phystech și Skoltech sugerează că intestinele lui Uranus și Neptun pot conține un strat de materie exotică - acid ortocarbonic, așa-numitul „acid al lui Hitler”.

„Compusul pe care l-am descoperit este foarte neobișnuit: deși atomii de heliu nu sunt implicați direct în legătura chimică, prezența lor modifică fundamental interacțiunile chimice dintre atomii de sodiu, contribuind la localizarea puternică a electronilor de valență, ceea ce face ca materialul rezultat să fie un izolator”, explică. Xiao Dong al universității Nankan din Tianjin (China).

Un alt compus - Na2HeO - s-a dovedit a fi stabil în intervalul de presiune de la 0,15 la 1,1 milioane de atmosfere. Substanța este, de asemenea, un cristal ionic și are o structură similară cu Na2He, doar rolul ionilor încărcați negativ în ei nu este jucat de electroni, ci de atomii de oxigen.

Interesant este că toate celelalte metale alcaline cu reactivitate mai mare sunt mult mai puțin dispuse să formeze compuși cu heliu la presiuni care depășesc presiunile atmosferice de cel mult 10 milioane de ori.

Oamenii de știință ruși au modelat intestinele exoplanetelor superpământeneUn grup de specialiști de la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova a încercat să afle ce compuși pot forma siliciu, oxigen și magneziu la presiuni ridicate. Oamenii de știință susțin că aceste elemente stau la baza chimiei Pământului și a planetelor terestre.

Oganov și colegii săi atribuie acest lucru faptului că orbitele de-a lungul cărora se mișcă electronii în atomii de potasiu, rubidiu și cesiu se schimbă considerabil odată cu creșterea presiunii, ceea ce, din motive care nu au fost încă înțelese, nu se întâmplă cu sodiul. Oamenii de știință cred că gelul de sodiu și alte substanțe similare pot fi găsite în nucleele unor planete, pitici albi și alte stele.

Sper că toată lumea a fost cel puțin o dată la grădina zoologică. Mergi și admiri animalele care stau în cuști. Acum vom merge și într-o călătorie prin uimitoarea „grădină zoologică”, doar că celulele vor conține nu animale, ci diverși atomi. Această „grădină zoologică” poartă numele creatorului său Dmitri Ivanovici Mendeleev și se numește „Tabelul periodic al elementelor chimice” sau pur și simplu „tabelul periodic”.

Într-o grădină zoologică adevărată, mai multe animale cu același nume pot locui într-o cușcă simultan, de exemplu, o familie de iepuri este plasată într-o cușcă, iar o familie de vulpi în alta. Și în „grădina zoologică” din cușcă „stăm” atomii-rude, într-un mod științific - izotopi. Ce atomi sunt considerați rude? Fizicienii au stabilit că orice atom constă dintr-un nucleu și o coajă de electroni. La rândul său, nucleul unui atom este format din protoni și neutroni. Deci, nucleele atomice ale „rudelor” conțin același număr de protoni și un număr diferit de neutroni.

În acest moment, ultimul din tabel este Livermore, înscris în celula numărul 116. Există atât de multe elemente și fiecare are propria poveste. Există multe lucruri interesante în nume. De regulă, numele elementului a fost dat de omul de știință care l-a descoperit și abia de la începutul secolului al XX-lea numele au fost date de Asociația Internațională de Chimie fundamentală și aplicată.

Multe elemente poartă numele vechilor zei și eroi greci ai miturilor, mari oameni de știință. Există nume geografice, inclusiv cele asociate cu Rusia.

Există o legendă că Mendeleev a avut noroc - el doar a visat la masă. Poate. Dar marele om de știință francez Blaise Pascal a remarcat odată că doar mințile pregătite fac descoperiri accidentale. Și oricine avea mintea pregătită pentru o întâlnire cu tabelul periodic era Dmitri Ivanovici, deoarece lucra la această problemă de mulți ani.

Acum să ieșim la drum!

Hidrogen (H)

Hidrogenul „trăiește” în cușca numărul 1 a grădinii zoologice noastre. Așa l-a numit marele savant Antoine Lavoisier. El a dat acestui element un nume hidrogen(din grecescul ὕδωρ - „apă” și rădăcina -γεν- „a naște”), care înseamnă „a naște apă”. Fizicianul și chimistul rus Mihail Fedorovici Soloviev a tradus acest nume în rusă - hidrogen. Hidrogenul este desemnat prin litera H, acesta este singurul element ai cărui izotopi au nume proprii: 1 H - protiu, 2 H - deuteriu, 3 H - tritiu, 4 H - quadiu, 5 H - pentium, 6 H - hexiu și 7 H - septium (supercriptul indică numărul total de protoni și neutroni din nucleul unui atom).

Aproape tot Universul nostru este format din hidrogen - reprezintă 88,6% din toți atomii. Când observăm Soarele pe cer, vedem o minge uriașă de hidrogen.

Hidrogenul este cel mai ușor gaz și, s-ar părea, este profitabil pentru ei să umple baloane, dar este exploziv și preferă să nu se încurce cu el, chiar în detrimentul capacității de încărcare.

Heliu (El)

Celula 2 conține gazul nobil heliu. Heliul și-a primit numele din numele grecesc pentru Soare - Ἥλιος (Helios), deoarece a fost descoperit pentru prima dată pe Soare. Cum ai reușit?

Isaac Newton a aflat, de asemenea, că lumina pe care o vedem este formată din linii separate de culori diferite. La mijlocul secolului al XIX-lea, oamenii de știință au stabilit că fiecare substanță are propriul set de astfel de linii, la fel ca fiecare persoană are amprentele sale. Deci, în razele Soarelui au găsit o linie galben strălucitoare care nu aparține niciunui element chimic cunoscut anterior. Și doar trei decenii mai târziu, heliul a fost găsit pe Pământ.

Heliul aparține gazelor inerte. Un alt nume este gazele nobile. Astfel de gaze nu ard, așa că preferă să umple baloane, deși heliul este de 2 ori mai greu decât hidrogenul, ceea ce reduce capacitatea de încărcare.

Helium este un deținător al recordului. Trece de la o stare gazoasă la una lichidă, când toate elementele au fost demult solide: la o temperatură de -268,93 ° C și nu intră deloc în stare solidă la presiune normală. Doar la o presiune de 25 de atmosfere și o temperatură de -272,2 ° C heliul devine solid.

Litiu (Li)

Celula numărul 3 este ocupată de litiu. Litiul și-a primit numele din cuvântul grecesc λίθος (piatră), deoarece se găsea inițial în minerale.

Există un așa-numit copac de fier care se scufundă în apă și există un litiu metalic deosebit de ușor - dimpotrivă, nu se scufundă în apă. Și nu numai în apă - nici în alt lichid. Densitatea litiului este de aproape 2 ori mai mică decât cea a apei. Nu prea arată deloc ca metal - este prea moale. Și nu a putut înota mult timp - litiul se dizolvă cu un șuierat în apă.

Adaosurile mici de litiu cresc rezistența și ductilitatea aluminiului, care este foarte important în aviație și rachetă. Când peroxidul de litiu reacționează cu dioxidul de carbon, se eliberează oxigen, care este utilizat pentru curățarea aerului în încăperi izolate, de exemplu, pe submarine sau nave spațiale.

Beriliu (Be)

Cusca 4 conține beriliu. Denumirea provine de la mineralul beril - o materie primă pentru producerea metalului beriliu. Berilul însuși a fost numit după orașul indian Belur, în vecinătatea căruia a fost exploatat din cele mai vechi timpuri. Cine avea nevoie de el atunci?

Amintiți-vă vrăjitorul orașului de smarald - Marele și cumplitul Goodwin. I-a obligat pe toți să poarte ochelari verzi pentru ca orașul său să pară „smarald” și, prin urmare, foarte bogat. Deci, smaraldul este una dintre soiurile de beril, unele smaralde sunt mai valoroase decât diamantul. Așa că în timpurile străvechi știau de ce să dezvolte depozite de beril.

În enciclopedia cu cinci volume „Universul și umanitatea” din 1896, ediția despre beriliu spune: „Nu are nicio aplicație practică”. Și a trecut mult mai mult timp înainte ca oamenii să-i vadă proprietățile uimitoare. De exemplu, beriliu a contribuit la dezvoltarea fizicii nucleare. În urma iradierii sale cu nuclei de heliu, oamenii de știință au descoperit o particulă elementară atât de importantă ca neutronul.

Cu adevărat unic este aliajul de beriliu cu cupru - bronzul de beriliu. Dacă majoritatea metalelor „îmbătrânesc” în timp, își pierd puterea, atunci bronzul de beriliu este exact opusul, cu timpul „devine mai tânăr”, puterea sa crește. Arcurile din ea practic nu se uzează.

Bor (B)

Bohr ocupă celula nr. 5. Nu credeți că acest element a fost numit după portarul clubului de fotbal danez „Akademisk” Niels Bohr, care a devenit ulterior un mare fizician. Nu, elementul și-a primit numele din cuvântul persan „burah” sau din cuvântul arab „burak” (alb), care denota compusul bor - borah. Dar îmi place mai mult versiunea că „burak” nu este un arab, ci un cuvânt pur ucrainean, în rusă este „sfeclă”.

Borul este un material foarte puternic, are cea mai mare rezistență la tracțiune. Dacă un compus de bor și azot este încălzit la o temperatură de 1350 ° C la o presiune de 65 mii atmosfere (acest lucru este acum realizabil din punct de vedere tehnic), atunci pot fi obținute cristale care pot zgâria un diamant. Materialele abrazive realizate pe bază de compuși de bor nu sunt inferioare celor diamantate și, în același timp, sunt mult mai ieftine.

Borul este de obicei introdus în aliajele de metale neferoase și feroase pentru a-și îmbunătăți proprietățile. Compușii de bor cu hidrogen - borani - sunt un combustibil excelent pentru rachete, aproape de două ori mai eficient decât combustibilul tradițional. Se lucrează pentru bor și în agricultură: borul se adaugă îngrășămintelor, deoarece datorită lipsei sale în sol, randamentele multor culturi sunt reduse semnificativ.

Artista Anna Gorlach

Este posibil să fi auzit expresia „ești făcut din praf de stele” - și acest lucru este adevărat. Multe dintre particulele care alcătuiesc corpul tău și lumea din jurul tău s-au format în stele în urmă cu miliarde de ani. Dar există unele materiale care s-au format chiar de la început, după nașterea universului.

Unii astronomi cred că au apărut la doar câteva minute după Big Bang. Cele mai abundente elemente din univers sunt hidrogenul și heliul și cantități foarte mici de substanțe chimice, cum ar fi litiul.

Astronomii pot determina cu puțină precizie cât de mult litiu era în tânărul univers. Pentru a face acest lucru, trebuie să explorați cele mai vechi stele. Dar rezultatele obținute nu coincid - în stelele vechi a fost găsit de 3 ori mai puțin litiu decât se aștepta! Motivul acestui mister este încă necunoscut.

Să aruncăm o privire mai atentă ...

Strict vorbind, la nivelul actual al observațiilor noastre, nu ar trebui să existe nicio eroare: există foarte puțin litiu. Situația indică în mod clar un fel de fizică nouă, un proces necunoscut care a avut loc imediat după Big Bang.

Cel mai recent studiu pe această temă a abordat regiunile cel mai puțin schimbate după Big Bang - atmosferele stelelor vechi situate la periferia Căii Lactee. Deoarece sunt izolate de miez, unde se poate produce litiu, probabilitatea unei contaminări tardive care afectează rezultatele ar trebui să fie extrem de redusă. În atmosferele lor, litiul-7 se găsește doar aproximativ o treime din nivelul prezis de simulări. Motivele? Una a sugerat explicații: s-a înecat. Litiul din atmosfera stelelor a început pur și simplu să se scufunde în materia stelelor, ajungând treptat la adâncurile lor. Prin urmare, nu este vizibil în atmosferele lor.

Christopher Hawk de la Universitatea Notre Dame (Indiana, SUA) și colegii săi s-au angajat să verifice rezultatele pe baza datelor de pe Micul Magellanic Cloud, o galaxie satelit a Căii Lactee. Și pentru a salva datele din efectul „scufundării litiului” și a altor influențe ale proceselor stelare locale, cercetătorii au analizat conținutul gazului interestelar din această galaxie pitică, sugerând că ar trebui să fie mândru de litiul său: pur și simplu nu are nimic de făcut îneca aici.

Folosind observații de la telescopul foarte mare al ESO, astronomii au găsit acolo la fel de mult litiu pe cât a prezis modelul Big Bang, așa cum sa raportat în revista Nature. Dar, din păcate, acest lucru nu a ajutat prea mult în rezolvarea problemei. Faptul este că litiul se formează în mod constant în Univers în cursul proceselor naturale, iar exploziile supernovei îl transportă uniform peste Metagalaxy, ca toate celelalte elemente acumulate în adâncuri. Noile rezultate, potrivit lui Christopher Hawk, nu au făcut decât să exacerbeze misterul litiului: „Este posibil să vorbim despre o soluție la această problemă numai dacă nu a existat nicio modificare a cantității de litiu disponibilă de la Big Bang”. Și apoi numai pe scara Micului Nor Magellanic!

Cel mai important, este foarte dificil să ne imaginăm că, timp de 12-13 miliarde de ani de fuziune termonucleară, care a creat elementele foarte grele care fac posibilă viața pe Pământ, litiul, dintr-un anumit motiv, nu a fost produs. Cel puțin înțelegerea noastră actuală a nucleosintezei termonucleare nu ne permite să prezentăm o astfel de ipoteză.

Și mai rău, noua lucrare a lui Miguel Pato de la Universitatea Tehnică din München (Germania) și Fabio Iocco de la Universitatea din Stockholm (Suedia) a arătat că nu numai găurile negre supermasive din nucleele galactice, ci și cele mai frecvente (și mai numeroase) BH-uri de origine stelară ar trebui să genereze litiu în discurile lor de acumulare și foarte intens.

Acum se dovedește că practic fiecare microquasar (pur și simplu sistemul BH - disc de acumulare) trebuie să creeze litiu. Dar teoretic ar trebui să existe mult mai multe decât SMChD, notează Miguel Pato.

Într-un cuvânt, nu există încă o claritate cu privire la această problemă. Christopher Hawk, de exemplu, sugerează că imediat după Big Bang, s-ar fi putut produce un fel de reacții exotice din punct de vedere fizic în Univers, la care au participat particule de materie întunecată și au suprimat formarea litiului. Acest lucru ar putea explica faptul că a existat mai mult litiu în micul nor de Magellan decât în ​​galaxia noastră: galaxiile pitice, de care aparține OMI, ar fi trebuit să fie mai puțin active în atragerea materiei întunecate în Universul timpuriu. Aceasta înseamnă că aceste reacții ipotetice au avut un efect mai mic asupra concentrației de litiu din ele. Domnul Hawk intenționează să testeze această idee cu ajutorul unui studiu mai aprofundat al Micului Nor Magellanic ...

Până acum, am putut căuta litiu doar în stelele cele mai apropiate de noi în galaxia noastră. Și acum un grup de astronomi au reușit să determine nivelul de litiu dintr-un grup de stele în afara galaxiei noastre.

Grupul de stele Messier 54 are un secret - nu aparține Căii Lactee și face parte dintr-o galaxie satelit - o galaxie eliptică pitică din Săgetător. Această dispunere a grupului a permis oamenilor de știință să verifice dacă conținutul de litiu din stelele din afara Căii Lactee este la fel de scăzut.

În vecinătatea Căii Lactee, există mai mult de 150 de grupuri de stele globulare, care sunt compuse din sute de mii de stele antice. Unul dintre aceste grupuri, alături de altele din constelația Săgetător, a fost descoperit la sfârșitul secolului al XVIII-lea de către omul de știință francez „vânător de comete” Charles Messier și îi poartă numele Messier 54.

De mai bine de două secole, oamenii de știință au crezut din greșeală că M54 este același cluster ca toți ceilalți din Calea Lactee, dar în 1994 s-a descoperit că acest cluster stelar aparține unei alte galaxii - galaxia eliptică pitică din Săgetător. Obiectul s-a găsit, de asemenea, la 90.000 de ani lumină de Pământ, mai mult de trei ori distanța dintre Soare și centrul galaxiei.

Astronomii observă în prezent M54 cu telescopul VLT Survey, încercând să rezolve una dintre cele mai misterioase întrebări ale astronomiei moderne, referitoare la prezența litiului în stele.

În această imagine puteți vedea nu numai clusterul în sine, ci și un prim plan foarte dens, format din stelele Căii Lactee. Fotografie de ESO.

Anterior, astronomii au putut determina conținutul de litiu numai în stelele Căii Lactee. Cu toate acestea, o echipă de cercetare condusă de Alessio Mucciarelli de la Universitatea din Bologna a folosit acum Studiul VLT pentru a măsura abundența de litiu din clusterul de stele extragalactic M54. Studiul a arătat că cantitatea de litiu din stelele vechi M54 nu diferă de stelele din Calea Lactee. Prin urmare, oriunde dispare litiu, Calea Lactee nu are nimic de-a face cu el.

litiu metalic

Litiul este cel mai ușor metal, de 5 ori mai ușor decât aluminiul. Litiul și-a luat numele datorită faptului că a fost găsit în „pietre” (greacă λίθος - piatră). Numele a fost sugerat de Berzelius. Este unul dintre cele trei elemente (pe lângă hidrogen și heliu) care s-a format în timpul erei nucleosintezei primordiale după Big Bang, chiar înainte de nașterea stelelor. De atunci, concentrarea sa în Univers a rămas practic neschimbată.

Litiul poate fi pe bună dreptate numit cel mai important element al civilizației moderne și al dezvoltării tehnologice. În trecut și în secolul precedent, indicatorii producției celor mai importanți acizi și metale, apă și energie au fost criteriile pentru dezvoltarea puterii industriale și economice a statelor. În secolul 21, litiul a intrat de mult timp pe lista acestor indicatori. Astăzi, litiul are o importanță economică și strategică extrem de importantă în țările industriale dezvoltate.

Studiind noua stea Nova Delphini 2013 (V339 Del), astronomii au reușit să detecteze precursorul chimic al litiului, făcând astfel primele observații directe ale formării celui de-al treilea element din tabelul periodic - care anterior erau presupuse doar teoretic.

„Până în prezent, oamenii de știință nu au avut confirmarea directă a observațiilor privind formarea litiului în noile stele, dar după efectuarea cercetărilor noastre, putem spune că astfel de procese au loc”, a spus autorul principal al noii lucrări științifice Akito Taitsu de la Observatorul Național al Japoniei.

Explozii de stele noi apar atunci când, într-un sistem stelar binar apropiat, materia curge de la una dintre stelele sale constitutive la suprafața unei stele însoțitoare - o pitică albă. O reacție termonucleară necontrolată determină o creștere accentuată a luminozității stelei, care, la rândul său, duce la formarea unor elemente mai grele decât hidrogenul și heliul, care sunt prezente în cantități semnificative în majoritatea stelelor din Univers.

Unul dintre elementele chimice formate ca urmare a unei astfel de explozii este izotopul larg răspândit al litiului, Li-7. În timp ce majoritatea elementelor grele se formează în miezuri stelare și în explozii de supernova, Li-7 este prea fragil pentru a rezista la temperaturile ridicate găsite în majoritatea miezurilor stelare.

O parte din litiul prezent în univers a fost format de Big Bang. În plus, unele cantități de litiu s-ar fi putut forma ca urmare a interacțiunii razelor cosmice cu stelele și materia interstelară. Cu toate acestea, aceste procese nu explică cantitățile prea mari de litiu prezente în univers astăzi.

În anii 1950. Oamenii de știință au sugerat că litiul din Univers poate fi format din izotopul beriliu Be-7, care se formează lângă suprafața stelelor și poate fi transportat în spațiu, unde efectul temperaturilor ridicate asupra materialului este redus, iar noul format litiul rămâne într-o stare stabilă. Până acum, însă, observațiile de pe Pământ ale litiului format lângă suprafața unei stele au fost o sarcină destul de dificilă.

Taitsu și echipa sa au folosit telescopul Subaru din Hawaii pentru observații. În timpul observațiilor, echipa a înregistrat în mod clar modul în care nuclidul Be-7, care are un timp de înjumătățire de 53 de zile, a fost transformat în Li-7.

Molecula de litiu-heliu LiHe este una dintre cele mai fragile molecule cunoscute. Dimensiunea sa este de peste zece ori mai mare decât a moleculelor de apă.

Structura convențională a atomilor de heliu (stânga) și litiu (dreapta).
© Universitatea din Birmingham

După cum știți, atomii și moleculele neutre pot forma legături mai mult sau mai puțin stabile între ele în trei moduri. În primul rând, prin legături covalente, unde doi atomi împărtășesc una sau mai multe perechi comune de electroni. Legăturile covalente sunt cele mai puternice dintre cele trei. Energia caracteristică a rupturii lor este de obicei egală cu mai mulți electroni-volți.

Semnificativ mai slab decât legăturile de hidrogen covalente. Aceasta este atracția care apare între un atom de hidrogen legat și un atom electronegativ al altei molecule (de obicei acest atom este oxigen sau azot, mai rar fluor). În ciuda faptului că energia legăturilor de hidrogen este de sute de ori mai mică decât cea a legăturilor covalente, acestea determină în mare măsură proprietățile fizice ale apei și joacă, de asemenea, un rol important în lumea organică.

În cele din urmă, cea mai slabă este așa-numita interacțiune van der Waals. Uneori se mai numește și dispersat. Apare ca urmare a unei interacțiuni dipol-dipol a doi atomi sau molecule. În acest caz, dipolii pot fi inițial inerenti moleculelor (de exemplu, apa are un moment dipol) sau pot fi induși ca urmare a interacțiunii.

O diagramă schematică care explică modul în care apar forțele de dispersie.
© Universitatea din Akron

Energia caracteristică a legăturii van der Waals este în unități de kelvin (volumul de electron menționat mai sus corespunde la aproximativ 10.000 kelvin). Cel mai slab dintre van der Waals este relația dintre doi dipoli induși. Dacă există doi atomi nepolari, atunci ca urmare a mișcării termice, fiecare dintre aceștia are un anumit moment dipolar oscilant aleatoriu (învelișul de electroni pare să tremure ușor față de nucleu). Aceste momente care interacționează între ele, ca rezultat, au predominant astfel de orientări pe care doi atomi încep să le atragă.

Cel mai inert dintre atomi este heliul. Nu intră în legături covalente cu niciun alt atom. Mai mult, valoarea polarizabilității sale este foarte mică, adică este dificil să formeze legături dispersate. Există, totuși, o circumstanță importantă. Electronii din atomul de heliu sunt atât de puternic legați de nucleu încât, fără teama forțelor respingătoare, pot fi aduși foarte aproape de alți atomi - până la o distanță de ordinul razei acestui atom. Forțele dispersate cresc foarte repede cu scăderea distanței dintre atomi - invers proporțională cu puterea a șasea a distanței!

De aici s-a născut ideea: dacă aduceți doi atomi de heliu mai aproape unul de celălalt, atunci o legătură fragilă van der Waals va apărea în continuare între ei. Acest lucru, într-adevăr, a fost realizat la mijlocul anilor 1990, deși a necesitat eforturi semnificative. Energia unei astfel de legături este de doar 1 mK, iar molecula He₂ a fost detectată în cantități nesemnificative în jeturi de heliu supraîncălzite.

Mai mult, proprietățile moleculei He₂ sunt în multe privințe unice și neobișnuite. Deci, de exemplu, dimensiunea sa este de ... aproximativ 5 nm! Pentru comparație, dimensiunea unei molecule de apă este de aproximativ 0,1 nm. În acest caz, minimul energiei potențiale a moleculei de heliu cade pe o distanță mult mai mică - aproximativ 0,2 nm - cu toate acestea, de cele mai multe ori - aproximativ 80% - atomii de heliu din moleculă petrec în modul tunel, adică , în regiunea în care sunt situate în cadrul mecanicii clasice nu ar putea.

Cam așa arată o moleculă de heliu.
Distanța medie între atomi este mult mai mare decât dimensiunea lor.
© Institut für Kernphysik, J. W. Goethe Universität

Următorul atom cel mai mare după heliu este litiul, prin urmare, după obținerea unei molecule de heliu, a devenit natural să se studieze posibilitatea de a fixa legătura dintre heliu și litiu. În 2013, oamenii de știință au reușit în sfârșit să facă și acest lucru. Molecula de litiu-heliu LiHe are o energie de legare mai mare decât heliul-heliu - 34 ± 36 mK, iar distanța dintre atomi, dimpotrivă, este mai mică - aproximativ 2,9 nm. Cu toate acestea, chiar și în această moleculă, atomii sunt de cele mai multe ori în stări clasic interzise sub bariera energetică. Este interesant faptul că potențialul pentru molecula LiHe este atât de mic încât nu poate exista decât într-o singură stare de energie vibrațională, care este, într-adevăr, o divizare de dublet datorită rotirii atomului ⁷Li. Constanta sa de rotație este atât de mare (aproximativ 40 mK) încât excitația spectrului de rotație duce la distrugerea moleculei.

Potențialul moleculelor discutate (curbe solide) și pătratul modulului funcțiilor de undă ale atomilor din ele (curbe punctate). De asemenea, sunt marcate punctele PM - potențial minim, OTP - punctul de pivot exterior pentru cel mai scăzut nivel de energie, distanța medie ponderată MIS între atomi.
© Brett Esry / Universitatea de Stat din Kansas

Până în prezent, rezultatele obținute sunt interesante doar din punct de vedere fundamental. Cu toate acestea, acestea sunt deja interesante pentru domeniile conexe ale științei. Astfel, grupurile de heliu de multe particule pot deveni un instrument pentru studierea efectelor întârzierii în vidul Casimir. Studiul interacțiunii heliu-heliu este, de asemenea, important pentru chimia cuantică, care ar putea testa modelele sale pe acest sistem. Și, desigur, nu există nicio îndoială că oamenii de știință vor veni cu alte aplicații interesante și importante pentru obiecte extravagante precum moleculele He₂ și LiHe.

Suntem obișnuiți să trăim într-o lume în schimbare. Modele de telefoane mobile, guverne, schimbări climatice. Chiar și Universul se extinde constant. Cu toate acestea, atât dispozitivele noi, cât și primii miniștri sunt alcătuite din aceleași elemente, pe care le amintim de pe masa de pe peretele biroului de chimie, dar rareori ne gândim la modul în care au ajuns să fie. În primele etape ale evoluției, Universul nu avea majoritatea acelor elemente care te compun pe tine și pe mine și chiar în primele momente ale existenței sale - niciunul dintre ele.

Universul nostru s-a născut foarte fierbinte și a început imediat să se extindă și să se răcească. Densitatea și temperatura ridicate fac imposibilă existența unor formațiuni complexe. Prin urmare, într-un Univers foarte tânăr nu există doar atomi familiari nouă, nu numai nucleii lor, ci chiar și cel mai simplu nucleu, hidrogenul, adică un singur proton, nu poate exista mult timp. Substanța Universului este o „supă” clocotită de particule elementare și cante de radiații, care se transformă continuu una în cealaltă conform celebrei formule a teoriei relativității E = mc 2.

Pentru ca protonul să se simtă „calm”, Universul trebuie să se răcească la o temperatură când energia particulelor devine mai mică decât masa protonului. Numai din acest moment are sens să vorbim despre „compoziția chimică” și la început este mai mult decât simplu: este hidrogen pur. Pe lângă protoni, electronii și neutronii sunt prezenți și în materie densă, conținutul este determinat de condițiile de echilibru: atunci când protonii și electronii se ciocnesc, se nasc neutroni, care apoi se descompun spontan în protoni și electroni, coliziunea unui neutron și a unui pozitronul (antiparticulă de electroni) dă un proton. De asemenea, în aceste reacții se emit neutrini, dar nu sunt importante pentru noi acum.

Apoi începe un episod din istoria Universului în care condițiile seamănă cu starea actuală a materiei din interiorul stelelor și hidrogenul se poate transforma în elemente mai grele. Începe nucleosinteza primară - formarea elementelor grele din cele mai ușoare. Dar acest lucru nu durează mult - doar câteva minute. Densitatea și temperatura unei substanțe scad rapid, ceea ce duce la o încetinire bruscă a reacțiilor nucleare. Prin urmare, doar heliul și o cantitate nesemnificativă de deuteriu, litiu și beriliu au timp să apară.

Totul începe cu cea mai simplă reacție: un proton se combină cu un neutron pentru a forma nucleul deuteriului - hidrogen greu. După ce a primit deuteriu, natura continuă să joace seturi de construcții atâta timp cât densitatea și temperatura permit acest lucru. Dacă deuteriul interacționează cu un proton, obțineți heliu-3 - un izotop ușor de heliu, care conține doi protoni și un neutron, iar dacă are un neutron - tritiu, un izotop supraîncărcat de hidrogen (un proton, doi neutroni). După cum puteți vedea, particulele intră întotdeauna în reacții nucleare în perechi. Lucrul este că procesele care necesită interacțiunea simultană a mai multor particule sunt extrem de puțin probabil, la fel cum este puțin probabil să întâlnești accidental doi foști colegi de clasă în metrou, care, fără să spună un cuvânt, au ajuns în același loc. Este ușor de ghicit că în etapa următoare, heliul-3 adaugă un alt neutron (sau tritiu - un proton) și se formează un nucleu de heliu-4, format din doi protoni și doi neutroni, unul dintre cei mai stabili din Univers .

Acest nucleu este emis în multe reacții și chiar a primit un nume special de la fizicieni - o particulă alfa. În multe cazuri, nucleul de heliu este considerat ca o particulă, uitând pentru o vreme de structura internă complexă. S-ar părea că heliul-4 poate continua să adauge protoni și neutroni, dar nu a fost cazul! Două obstacole grave stau în calea unor complicații suplimentare: în natură nu există nuclee stabile cu mase de 5 și 8 unități, adică formate din cinci și opt nucleoni (protoni și neutroni). În orice combinație de cinci protoni și neutroni, una dintre particule se dovedește a fi superfluă și este aruncată din nucleu, care încăpățânat vrea să rămână o particulă alfa. Și chiar dacă încercați să combinați șase nucleoni simultan conform uneia dintre schemele "heliu-3 + tritiu", "heliu-3 + heliu-3", "heliu-4 + deuteriu", totuși, de regulă, , heliul-4 este format și o pereche suplimentară de nucleoni este respinsă.

Puteți sări peste această barieră numai dacă heliul-4 fuzionează cu nucleul de tritiu și heliu-3. Apoi se nasc litiu-7 sau beriliu-7. Dar aceste reacții sunt reticente, deoarece sarcina electrică a nucleelor ​​de heliu este de două ori mai mare decât cea a hidrogenului. Particulele încărcate în mod egal sunt respinse și, pentru a le îmbina între ele, este necesară o energie de coliziune mai mare, adică o temperatură mai mare. Între timp, expansiunea rapidă din primele minute după Big Bang este însoțită de o scădere a temperaturii și densității materiei - Universul încetează să mai fie o „stea pentru sine”. Ca rezultat, se formează foarte puțin litiu și beriliu. Procesul de fuziune nu merge mai departe - practic nu există vânători care să „asalteze” a doua barieră (instabilitatea unui nucleu de 8 nucleoni). Și fără aceasta nu puteți ajunge la carbon - cel mai important pentru existența vieții atomului.

Universul are doar câteva minute pentru a juca constructorul de protoni și neutroni. Când jocul s-a terminat, trei sferturi din masă sunt reprezentate de hidrogen obișnuit și un sfert de heliu-4 (motiv pentru care astronomii numesc toate celelalte elemente grele, sau chiar „metale”). Există încă o cantitate foarte mică de deuteriu, heliu-3 și litiu (tritiu și beriliu-7 sunt instabile și se degradează în curând). Determinând conținutul lor, puteți obține informații foarte importante despre primele minute din viața Universului, dar nici un alchimist nu va face nu numai un homuncul din astfel de materiale, ci și o piatră (nici măcar filosofică, ci cea mai obișnuită). Dar existăm! Și Pământul este acolo. Aceasta înseamnă că trebuie să existe un fel de creuzete în natură, în care se formează carbon, oxigen și siliciu. Trebuie doar să aștepți puțin - câteva zeci de milioane de ani ...

Creuzet stelar

După lungi „epoci întunecate” primele stele sunt aprinse în Univers. În adâncurile lor, la o temperatură de aproximativ 10 milioane de grade și o densitate de câteva ori mai mare decât cea a celui mai dens metal de pe Pământ, apar din nou condițiile pentru a juca un constructor alchimic - începe nucleosinteza stelară. La început, acest joc este foarte similar cu jocul care a fost jucat imediat după nașterea Universului. Și totuși, există unele diferențe. La început, aproape că nu există neutroni liberi în materia stelară (într-o stare liberă, ei trăiesc doar aproximativ 15 minute) și, prin urmare, deuteriul se formează când doi protoni se ciocnesc. Unul dintre ei, în procesul de fuziune, se transformă într-un neutron, emițând un pozitron - antiparticulă încărcată pozitiv a unui electron - pentru a scăpa de sarcina în exces. În absența neutronilor, tritiul nu se formează din deuteriu. Deuteriul se combină rapid cu un alt proton și se transformă în heliu-3. O tranziție directă de la acesta la heliu-4 prin captarea unui neutron, ca în Universul timpuriu, este imposibilă, dar există o serie de soluții.

Două nuclee de heliu-3 pot, ciocnind, să formeze un nucleu extrem de instabil de beriliu-6 (4 protoni + 2 neutroni), care se descompune instantaneu în heliu-4 și o pereche de protoni. O altă opțiune este mai complicată: în reacțiile heliului-3 și heliului-4 se nasc nuclei de beriliu și litiu cu o greutate atomică de 7. Cu toate acestea, prin atașarea unui alt proton, devin instabili (amintiți-vă - toți nucleii de 8 nucleoni sunt extrem de instabil) și se destramă imediat în doi nuclei heliu-4. În general, toate drumurile duc spre Roma.

Rezultatul oricăruia dintre aceste procese este transformarea a patru protoni într-un singur nucleu de heliu-4. Este important ca masa nucleului de heliu-4 să fie ușor (cu aproximativ 0,7%) mai mică decât masa a patru protoni. Unde dispare excesul de masă? În conformitate cu aceeași formulă E = mc 2, se transformă în energie. Acest lucru se datorează, așa cum spun fizicienii, defectul de masă și stelele strălucesc. Și, important, un reactor termonuclear stelar este capabil să se regleze singur: dacă se eliberează prea multă energie, steaua se extinde puțin, materia se răcește și viteza de reacție, care este foarte dependentă de temperatură, scade. Dacă există puțină energie, atunci are loc procesul opus. Ca rezultat, steaua menține stabil temperatura la un nivel corespunzător unei rate de reacții destul de scăzute. Prin urmare, stelele (cel puțin unele dintre ele) trăiesc suficient de mult timp pentru a avea suficient timp pentru evoluția biologică și apariția unor ființe atât de organizate ca tine și cu mine.

În cele din urmă, rezervele de hidrogen din stea sunt epuizate. Trebuie să mergem mai departe și ne amintim că acest lucru nu este ușor, deoarece nu există nuclee stabile cu mase de 5 și 8. Dar natura găsește o ieșire. Amintindu-ne de întâlnirea colegilor de clasă din metrou, putem spune că, deși este extrem de puțin probabil ca trei dintre ei să se ciocnească accidental simultan, dar dacă doi se întâlnesc și călătoresc împreună pentru o perioadă de timp, atunci șansele ca un al treilea să le fie adăugat pe drum crește. Ceva similar se întâmplă în arderea nucleară a heliului. La început, două particule alfa fuzionează pentru a forma un nucleu de beriliu-8 instabil. Viața sa este extrem de scurtă, 3,10 -16 s (aceasta este mai mică de o milionime dintr-o miliardime de secundă), dar cu o densitate și o temperatură suficient de ridicate, chiar și acest interval mic este suficient pentru ca uneori o altă particulă alfa să reacționeze cu beriliu. Și voila! - carbon-12 personal!

Atunci carbonul poate capta particule alfa, dând oxigen. Astfel, cele două elemente de bază necesare pentru apariția vieții se nasc în stele. Transformarea carbonului în oxigen este atât de eficientă încât acesta din urmă în Univers este chiar mai puțin carbonic. Dacă parametrii particulelor nucleare ar fi ușor diferiți, atunci aproape tot carbonul ar „arde” în oxigen, ceea ce ar face viața în forma pe care o cunoaștem, extrem de rară sau chiar imposibilă. Poate că, în alte universuri, particulele sunt aranjate oarecum diferit și există puțin carbon, dar atunci nu există observatori acolo (cel puțin cei ca noi).

Nucleii, elementele și izotopii

Protonii și neutronii (colectiv sunt numiți nucleoni) nu sunt particule elementare în sensul strict al cuvântului. Acestea constau din trei quarks, strâns legați de forțe nucleare puternice. Este imposibil să împărțiți un nucleon în quarcuri separați: energia necesară pentru aceasta este suficientă pentru producerea de noi quarcuri, care, combinându-se cu fragmentele nucleonului original, formează din nou particule compuse. Interacțiunea puternică nu este complet închisă în interiorul nucleonilor, dar acționează și la o mică distanță de ei. Dacă doi nucleoni, să zicem, un proton și un neutron, se apropie unul de celălalt, forțele nucleare le vor lega împreună și va apărea un nucleu atomic compozit - în acest caz, deuteriu (hidrogen greu). Combinând împreună diferite numere de protoni și neutroni, puteți obține toată varietatea de nuclee, dar nu toate vor fi stabile. Un nucleu, în care există prea mulți protoni sau neutroni, se destramă înainte de a avea chiar timp să se formeze corespunzător. Fizicienii cunosc mai mult de trei mii de combinații de protoni și neutroni care pot rezista împreună cel puțin o vreme. Există nuclee care trăiesc doar o scurtă fracțiune de secundă, altele de zeci de ani, și există acelea care pot aștepta miliarde de ani în aripi. Și doar câteva sute de nuclee sunt considerate stabile - decăderea lor nu a fost niciodată observată. Chimiștii nu sunt de obicei atât de meticuloși ca fizicienii și nu fac distincție între niciun nucleu, ci doar elemente diferite, adică nuclei cu un număr diferit de protoni. De fapt, chimiștii nu se uită deloc în nucleu, ci doar studiază comportamentul electronilor care îl înconjoară într-o atmosferă calmă. Numărul lor este exact egal cu numărul de protoni, ceea ce face ca atomii să fie neutri din punct de vedere electric. În prezent sunt cunoscute în total 118 elemente, însă doar 92 dintre ele au fost descoperite în mediul natural, restul fiind obținute artificial în reactoare și acceleratoare nucleare. Majoritatea elementelor sunt reprezentate de nuclee cu numere diferite de neutroni. Astfel de variații se numesc izotopi. Pentru unele elemente, sunt cunoscuți până la patruzeci de izotopi; atunci când sunt menționați, se disting prin indicarea numărului de nucleoni din nucleu. De exemplu, uraniul-235 și uraniul-238 sunt doi izotopi ai elementului 92 uraniu cu 143 și, respectiv, 146 de neutroni. Majoritatea izotopilor fiecărui element (și unii dintre ei) sunt instabili și sunt supuși degradării radioactive. Acest lucru face din compoziția izotopică o sursă importantă de informații despre istoria materiei. De exemplu, epoca rămășițelor organice, a rocilor, a meteoriților și chiar a unor stele este determinată de raportul dintre izotopii radioactivi și produsele lor de degradare. Cu toate acestea, raportul izotopilor stabili poate, de asemenea, spune multe. De exemplu, clima Pământului în trecutul îndepărtat este determinată de izotopii oxigenului-16 și -18 din depozitele de gheață din Antarctica: moleculele de apă cu un izotop greu de oxigen se evaporă mai puțin ușor de pe suprafața oceanului și sunt mai multe climă caldă. Pentru orice astfel de studii cu izotopi, este esențial ca eșantionul studiat să nu schimbe materie cu mediul din momentul începerii sale.

Jocuri pentru adulți

Stelele singure sunt de două ori mai ușoare decât Soarele nostru, se opresc în stadiul sintezei heliului. Stelele mai grele produc carbon și oxigen și doar cele mai mari stele, care depășesc 10 mase solare, pot continua să se joace cu elemente la sfârșitul vieții lor. După epuizarea rezervelor de heliu, regiunile lor interioare se micșorează, se încălzesc și carbonul „arde” în ele. Două nuclee de carbon se combină pentru a forma neon și o particulă alfa. Sau sodiu și proton. Sau magneziu și neutroni. De asemenea, protonii și neutronii aparți nu se risipesc. Ele intră în acțiune, transformând carbonul în azot, oxigen și, în plus, prin captarea particulelor alfa în neon, siliciu, magneziu și aluminiu. Astfel, avem deja ceva de făcut din firmamentul pământesc după aceea.

După carbon, neonul începe să „ardă” la rândul său și o face în mod „greșit”: în loc să se contopească imediat cu un alt nucleu și să-și mărească masa, nucleii de neon sub acțiunea cuantelor gamma deosebit de energice se descompun în oxigen și alfa -particulă. Și apoi particulele alfa rezultate, care interacționează cu alți nuclei de neon, dau magneziu. Deci, ca rezultat, un oxigen și un magneziu sunt produse pentru doi nuclei de neon.

După epuizarea rezervelor de neon, miezul stelei devine oxigen-magneziu, este comprimat din nou, temperatura crește și jocul continuă. Acum nucleele de oxigen, fuzionând în perechi, se transformă în siliciu sau sulf. În plus, apar niște argon, calciu, clor și alte elemente.

Următorul în linie este siliciu. În mod direct, două nuclee de siliciu nu se pot uni - datorită încărcării mari, repulsia electrică dintre ele este prea mare. Prin urmare, încep să aibă loc multe reacții diferite cu participarea particulelor alfa. Termenul "combustie de siliciu" este destul de arbitrar, deoarece există într-adevăr multe canale de reacție diferite. În acest stadiu, apar diferite elemente, până la fier.

Fierul (și nichelul aproape de el) se remarcă din toate elementele prin faptul că are energia maximă de legare. Nucleonii nu pot fi împachetați mai eficient: atât ruperea nucleului de fier în bucăți, cât și transformarea nucleelor ​​mai grele din el necesită energie. Prin urmare, la început nu a fost clar modul în care formarea elementelor în stele ar putea merge dincolo de fier și existența nucleelor ​​grele din Univers, cum ar fi în aur sau uraniu, a rămas complet inexplicabilă. O abordare a explicației a fost găsită la mijlocul anilor 1950, când au fost propuse simultan două mecanisme pentru formarea elementelor mai grele decât fierul în stele. Ambele se bazează pe capacitatea nucleelor ​​de a captura neutroni.

Mari regi lent

Primul dintre aceste mecanisme se numește captură lentă de neutroni sau proces s (din engleză. Slow - „lent”). Apare la sfârșitul vieții stelelor cu o masă de 1 până la 3 mase solare, când ajung la stadiul unui gigant roșu. Mai mult, acest proces are loc nu în nucleul dens și fierbinte al stelei, ci în straturile situate deasupra. În astfel de stele relativ ușoare, etapa gigantică are o durată lungă, măsurată în zeci de milioane de ani, iar acest lucru este suficient pentru o transformare semnificativă a materiei.

Lentitudinea procesului s, reflectată în nume, se datorează faptului că se desfășoară mult timp la o concentrație scăzută de neutroni. Cu toate acestea, chiar și o cantitate mică de neutroni trebuie luată de undeva - nu poate exista o alimentare cu aceste particule. În stelele uriașe, există mai multe tipuri de reacții în care sunt eliberați neutroni. De exemplu, carbonul-13, captând o particulă alfa, se transformă în oxigen-16 și se emite un neutron. Neutronii liberi, deoarece nu sunt împiedicați de repulsia Coulomb, pătrund cu ușurință în nucleele atomilor și le măresc masa. Este adevărat, dacă există prea mulți neutroni, nucleul va pierde stabilitatea și se va destrăma. Dar, deoarece există puțini neutroni liberi în giganții roșii, nucleul are timp să asimileze extraterestrul relativ nedureros, emițând un electron, dacă este necesar. În acest caz, unul dintre neutronii din nucleu devine proton, iar sarcina nucleului crește cu unul, ceea ce corespunde transformării unui element în altul - următorul în ordine în tabelul periodic. În acest fel, se pot obține elemente foarte grele, cum ar fi plumbul și bariul. Sau tehneci. La un moment dat, descoperirea acestui element greu și destul de rapid în descompunere în atmosferele uriașilor roșii a fost chiar interpretată de unii oameni de știință ca dovezi în favoarea existenței civilizațiilor extraterestre! De fapt, se efectuează pur și simplu de la adâncimi la suprafață datorită amestecării substanței.

Când viața unui astfel de gigant roșu se încheie, miezul său se transformă într-o pitică albă densă, iar coaja este împrăștiată în spațiul înconjurător din cauza vântului stelar sau a formării unei nebuloase planetare. Astfel, mediul interstelar este completat cu elementele grele acumulate în timpul vieții stelei și, treptat, compoziția chimică a galaxiei evoluează datorită nucleosintezei stelare. Până la formarea sistemului solar, acest proces se desfășura de 8 miliarde de ani și aproximativ 1% din materia interstelară a avut timp să se transforme în elemente grele, din care este compusă, în special, planeta noastră.

Catalizatori pentru viața stelară

La stelele masive, conversia hidrogenului în heliu are loc diferit față de stelele pitice precum Soarele. La o temperatură de aproximativ 20 de milioane de grade, funcționează așa-numitul ciclu carbon-azot-oxigen (CNO). Carbonul joacă rolul unui catalizator nuclear în el și el însuși nu este consumat în reacții. Pentru ca reacțiile să fie eficiente, este foarte puțin necesar, dar cu toate acestea, ciclul CNO este posibil doar în stelele cu compoziție chimică modernă, a căror substanță a fost deja îmbogățită cu carbon în timpul vieții generațiilor anterioare de stele. Carbon-12 captează un proton și se transformă în azot-13 și, prin emiterea unui pozitron, în carbon-13. Mai mult, captând doi protoni la rând, devine mai întâi azot-14 și apoi oxigen-15. El scoate din nou un pozitron și se transformă în azot-15, care, ciocnindu-se cu al patrulea proton la rând, se descompune într-o particulă alfa (adică un nucleu de heliu) și carbon-12. Drept urmare, ne întoarcem la nucleul de carbon original, dar pe parcurs transformăm 4 protoni într-un nucleu de heliu. Este adevărat, ocazional (într-unul din cele 880 de cazuri) la ultima etapă a ciclului, azotul-15 poate fuziona cu un proton într-un nucleu stabil de oxigen-16. Acest lucru duce la un consum lent de catalizator-carbon.

Ordinul Phoenix-ului

Aproape toți atomii corpului tău au fost la un moment dat în intestinele stelelor. Mulți dintre ei au supraviețuit unor explozii catastrofale de supernova și, mai mult, unele s-au format tocmai în momentul unor astfel de explozii. Noi, ca un fenix, ne-am născut din cenușă, dar din cenușa stelelor. Exploziile supernova sunt deja foarte importante, deoarece reprezintă un mod eficient de a scoate elementele produse într-o stea în spațiu. Dacă rezultatul exploziei, așa cum se întâmplă cel mai adesea, devine o stea de neutroni, numai miezul relativ mic al gigantului roșu, format în principal din fier și nichel, se transformă în el. De exemplu, cu o masă inițială a unei stele de 20 solare, nu mai mult de 7% din materie se va transforma într-o stea de neutroni, orice altceva este măturat de o explozie în spațiu și este disponibil pentru formarea de noi stele.

Cu toate acestea, rolul supernovelor nu este epuizat de menținerea acestei circulații cosmice a materiei. În ele se pot forma elemente noi chiar în timpul exploziei. Timp de aproximativ 10 secunde, o stea neutronică nou-născută are timp să fie „alchimist”. Înainte de explozie, structura stelei masive este ca o ceapă. Miezul este înconjurat de câteva cochilii de elemente din ce în ce mai ușoare. În momentul în care miezul începe să se micșoreze catastrofal, transformându-se într-o stea de neutroni sau într-o gaură neagră, un val de combustie nucleară explozivă străbate straturile de deasupra din centru spre exterior. Ca rezultat, compoziția chimică a substanței este puternic deplasată spre elemente grele.

Se crede că stelele cu mase de 12 până la 25 de mase solare sunt cel mai eficient îmbogățite în Univers cu elemente grele. Miezul lor de fier este înconjurat de o învelitoare puternică de siliciu-oxigen, care, după descărcare, dă elemente de la sodiu la germaniu (inclusiv fier). În stelele mai masive, prea multă materie, compusă din elemente grele, cade în gaura neagră și doar suficientă lumină scapă spre exterior. Stelele mai mici, cu mase de 8-12 mase solare, nu au un astfel de înveliș și, prin urmare, puține dintre elementele grupului de fier sunt formate în ele. Dar ... apar elemente mult mai grele.

Vânt proaspăt de neutrini

Când forțele monstruoase ale gravitației strâng miezul stelei, obosit să reziste, nucleele atomilor sunt literalmente apăsate împreună. Electronii care se grăbesc între ei, fiind prinși, sunt presați în nuclee și se unesc cu protonii, transformându-i în neutroni. În același timp, sunt eliberați neutrini - particule evazive care, de obicei, pătrund cu ușurință întreaga grosime a stelei și merg în spațiu. Cu toate acestea, în momentul formării unei stele de neutroni, există atât de multe dintre ele încât nu mai pot fi neglijate.

Apare așa-numitul vânt de neutrini. Așa cum presiunea luminii din stelele masive duce la scurgerea materiei sub forma unui vânt stelar, neutrinii transportă protoni și neutroni. Chiar dacă inițial nu erau prea mulți neutroni, aceștia apar ca urmare a reacțiilor dintre protoni și neutrini. În substanță se formează un exces de neutroni, care poate pătrunde în nuclee, formând izotopi din ce în ce mai grei. Datorită fluxului uriaș de neutroni, nucleii se revarsă literalmente cu ei, motiv pentru care devin extrem de instabili și încep să scape de excesul de neutronizare foarte repede - neutronii din ei se transformă în protoni. Dar de îndată ce se întâmplă acest lucru, pe măsură ce noi unde de neutroni aduc din nou nucleele „la limită”.

Toată această orgie, care a durat doar câteva secunde, a fost numită procesul r (din engleza rapid - „rapid”). Rezultă în nucleele tuturor maselor până la cele mai grele. De exemplu, pentru a identifica consecințele procesului r, se caută urme ale unui element atât de rar precum europiul, deoarece cel mai probabil este produs doar de acest mecanism. În procesul r, de exemplu, se formează platină și actinide - elemente radioactive grele, care includ, în special, uraniu. Abundențele relative ale izotopilor acestuia din urmă, precum și ale torului, sunt adesea folosite pentru a estima vârsta stelelor.

De asemenea, în vântul unei stele de neutroni nou-născuți, reacțiile pot avea loc cu participarea particulelor încărcate - protoni și nuclei de heliu - transportate de fluxul de neutrini. Așa se formează zirconiu, argint, iod, molibden, paladiu și multe alte elemente. Teoria tuturor acestor procese este foarte complexă, deoarece este necesar să se ia în considerare simultan multe efecte, dintre care toate nu sunt complet clare. Mai mult, vorbim aici nu numai despre efectele astrofizice, ci și despre incertitudinile din cadrul fizicii nucleare - departe de toți parametrii reacțiilor care apar în acest stadiu sunt definite cu precizie.

Oamenii de știință continuă, de asemenea, să dezbată dacă acest scenariu poate pretinde că este complet: dacă este capabil să explice producția de elemente grele în proporțiile pe care le observăm. Prin urmare, cercetările în acest domeniu sunt în plină desfășurare și, probabil, încă ne așteaptă descoperiri interesante. De exemplu, sunt discutate scenarii în care materia prinsă în câmpurile magnetice super-puternice ale magnetarilor nou-născuți (stele de neutroni magnetizați) permite producerea de elemente grele în procesul r. Testarea unor astfel de idei necesită calcule sofisticate de supercomputer 3D care încă nu au fost făcute.

Homunculus

Și, în cele din urmă, după miliarde de ani în replica uriașă a Universului, s-au dezvoltat condiții pentru apariția unui homuncul. Viața așa cum o știm nu ar fi putut să apară în primele miliarde de ani după Big Bang - atunci pur și simplu nu erau suficiente din multe dintre elementele necesare.

Fiecare particulă a corpului nostru a trecut prin creuzetul cosmic. Unii dintre atomii de hidrogen ar fi putut rămâne neschimbați din „primele trei minute”, dar cea mai mare parte a elementelor sale constitutive au apărut în stele în stadiul de ardere termonucleară stabilă. Multe nuclee s-au format în timpul exploziei supernova. Alții au fost aruncați de stele sub forma unei dantele de nebuloase planetare. Poate că o mică parte din nuclee este asociată cu coliziuni de raze cosmice cu materie de gaz interstelar, atunci când au loc cele mai interesante „reacții de ciobire”, în care o particulă rapidă elimină nucleele elementelor luminoase. Pentru apariția omului era nevoie de un întreg „laborator” alchimist cosmic.

Compoziția materiei din Univers continuă să se schimbe încet și astăzi: prin eforturile a miliarde de stele, proporția elementelor mai grele decât heliul crește treptat. Observațiile arată că stelele cu o „metalicitate” mai mare, adică conținutul elementelor mai grele decât heliul, sunt mai susceptibile de a avea sisteme planetare. Aceasta înseamnă că evoluția chimică a Universului favorizează până acum apariția unor ființe inteligente formate din „materie stelară”. Și totuși, merită să ne amintim că doar o mică parte a materiei din Univers suferă o astfel de procesare. În general, hidrogenul va rămâne cel mai abundent element al său, pur și simplu pentru că nu toată materia va putea intra în stele (de exemplu, gazul intergalactic nu are o astfel de perspectivă). Dacă vă amintiți că această substanță este de cinci la sută în ceea ce privește rezistența pe fundalul unei mase colosale de materie întunecată și energie întunecată, atunci veți simți cât de incredibil de norocos a fost acea bucată de substanță în aceasta, care a putut să privească în jur și să aprecieze măreția universului înconjurător.