Який елемент у всесвіті на третьому місці за поширеністю?
Відео: Хімія 14. Хімічний елемент гелій - Академія цікавих наук
«Два найпоширеніших елемента у Всесвіті - водень і дурість». - Харлан Еллісон. Після водню і гелію, в періодичній таблиці часто-густо йдуть сюрпризи. У числі найбільш дивовижних фактів є і те, що кожен матеріал, якого ми коли-небудь стосувалися, який бачили, з яким взаємодіяли, складається з одних і тих же двох речей: атомних ядер, заряджених позитивно, і електронів, заряджених негативно. Те, як ці атоми взаємодіють між собою - як вони штовхаються, зв`язуються, притягуються і відштовхуються, створюючи нові стабільні молекули, іони, електронні енергетичні стану, - власне, визначає мальовничість світу навколо нас.
Навіть якщо саме квантові і електромагнітні властивості цих атомів і їх складових дозволяють нашого Всесвіту існувати з тими властивостями, що у неї є, важливо розуміти, що Всесвіт починалася зовсім не з усіма цими елементами. Зовсім навпаки, починала вона практично без них.
Відео: Хімія 57. Елемент титан. Елемент ртуть - Академія цікавих наук
Річ у тім, щоб досягти різноманітності структур зв`язку і побудувати складні молекули, які лежать в основі всього, що нам відомо, потрібно дуже багато атомів. Чи не в кількісному вираженні, а в різноманітному, тобто щоб були атоми з різним числом протонів в їх атомних ядрах: саме це робить елементи різними.
Наші тіла потребують таких елементах, як вуглець, азот, кисень, фосфор, кальцій і залізо. Кора нашої Землі потребує таких елементах, як кремній і безліч інших важких елементів, тоді як ядро Землі - щоб виробляти тепло - потребує елементах, напевно, всієї періодичної таблиці, які зустрічаються в природі: торій, радій, уран і навіть плутоній.
Але повернемося до ранніх етапах Всесвіту - до появи людини, життя, нашої Сонячної системи, до найперших твердих планет і навіть перших зірок - коли все, що у нас було, це гаряче, іонізоване море протонів, нейтронів і електронів. Не було елементів, атомів і не було атомних ядер: Всесвіт була дуже гарячою для всього цього. І тільки коли Всесвіт розширилася і охолола, з`явилася хоч якась стабільність.
Пройшов деякий час. Перші ядра злилися разом і більше не розійшлися, зробивши водень і його ізотопи, гелій і його ізотопи, а також крихітні ледь помітні обсяги літію та берилію, останній згодом радіоактивно розпався на літій. З цього почалася Всесвіт: по числу ядер - 92% водню, 8% гелію і приблизно 0,00000001% літію. По масі - 75-76% водню, 24-25% гелію і 0,00000007% літію. На початку було два слова: водень і гелій, на цьому, можна сказати, все.
Сотні тисяч років тому Всесвіт охолола достатньо, щоб змогли утворитися нейтральні атоми, а десятки мільйонів років тому гравітаційний колапс дозволив відбутися першим зірок. Разом з цим, явище ядерного синтезу не тільки наповнило світлом Всесвіт, а й дозволило сформуватися важким елементам.
До моменту народження першої зірки, десь 50-100 мільйонів років після Великого Вибуху, рясне кількість водню почав зливатися в гелій. Але що ще більш важливо, самі масивні зірки (в 8 разів масивніше нашого Сонця) спалювали своє паливо дуже швидко, вигорить всього за пару років. Як тільки в ядрах таких зірок закінчувався водень, гелиевое ядро стискалося і починало зливати три ядра атома в вуглець. Знадобився всього трильйон цих важких зірок в ранньому Всесвіті (яка утворила набагато більше зірок в перші кілька сотень мільйонів років), щоб літій був переможений.
І тут ви, напевно, думаєте, що вуглець став елементом номер три в наші дні? Про це можна подумати, оскільки зірки синтезують елементи пошарово, як цибулина. Гелій синтезується в вуглець, вуглець в кисень (пізніше і при більшій температурі), кисень в кремній і сірку, а кремній в залізо. В кінці ланцюжка залізо не може злитися більше ні в що, тому ядро вибухає і зірка стає наднової.
Ці наднові, етапи, які до них призвели, і наслідки збагатили Всесвіт вмістом зовнішніх шарів зірки, воднем, гелієм, вуглецем, киснем, кремнієм і всіма важкими елементами, які сформувалися в ході інших процесів:
Відео: Вода - джерело життя. Пошук води на інших планетах. Документальні фільми
Але у нас було не одне покоління зірок: у нас було багато таких, і покоління, яке існує нині, побудовано в першу чергу не на незайманому водні і гелії, а й на залишках від попередніх поколінь. Це важливо, оскільки без цього у нас ніколи б не було твердих планет, лише газові гіганти з водню і гелію, виключно.
За мільярди років процес освіти і смерті зірок повторювався, все з більш і більш збагаченими елементами. Замість того щоб просто зливати водень в гелій, масивні зірки зливають водень в циклі C-N-O, згодом вирівнюючи обсяги вуглецю і кисню (і трохи менше азоту).
Крім того, коли зірки проходять через гелевий синтез з утворенням вуглецю, досить просто захопити зайвий атом гелію з утворенням кисню (і навіть додати ще один гелій до кисню з утворенням неону), і навіть наше Сонце буде робити це під час фази червоного гіганта.
Але є один вбивчий крок в зіркових кузнях, який виключає вуглець з космічного рівняння: коли зірка стає досить масивної, щоб ініціювати злиття вуглецю - така необхідність для утворення наднової II типу - процес, який перетворює газ в кисень, йде до відмови, створюючи набагато більше кисню, ніж вуглецю, до моменту, коли зірка готова до вибуху.
Коли ми дивимося на залишком наднової і планетарні туманності - залишки дуже масивних зірок і сонцеподібних зірок відповідно - ми знаходимо, що кисень перевершує вуглець масово і кількісно в кожному окремому випадку. Ми також виявили, що жоден з інших елементів важче і близько не стоїть.
Отже, водень # 1, гелій # 2 - цих елементів у Всесвіті дуже багато. Але з решти елементів кисень тримає впевнений # 3, за ним вуглець # 4, неон # 5, азот # 6, магній # 7, кремній # 8, залізо # 9 і середовище завершує десятку.
Що майбутнє нам готує?
Через досить тривалий період часу, який в тисячі (або мільйони) разів перевищує поточний вік Всесвіту, зірки будуть продовжувати формуватися або викидаючи паливо в міжгалактичний простір, або спалюючи його в міру можливості. В процесі цього гелій може нарешті обійти водень за поширеністю, ну або водень залишиться на першому рядку, якщо буде достатньо ізольований від реакцій синтезу. На довгій дистанції речовина, яка не буде викинуто з нашої галактики, може зливатися знову і знову, так що вуглець і кисень обійдуть навіть гелій. Можливо, елементи # 3 і # 4 усунуть перші два.
Всесвіт змінюється. Кисень - третій за поширеністю елемент в сучасному Всесвіті, і в дуже, дуже далекому майбутньому, можливо, підніметься вище водню. Кожен раз, коли ви вдихаєте повітря і відчуваєте задоволення від цього процесу, пам`ятайте: зірки - єдина причина існування кисню.
