Наибольшее количество гелия содержится в ядре земли. Почему запасы гелия подходят к концу? Гелий в горных породах

I.
Необычность гелия проявилась уже в самой историк его открытия. Как известно, этот элемент впервые обнаружили в 1868 году не на Земле, а на Солнце, точнее, в спектре солнечной короны. Конечно, никто воочию не наблюдал гелий - и подозревали, что никогда и никому не удастся его наблюдать: гелия на Земле не было. Предполагали, что наука нашла протовещество, из которого построены звезды. Впоследствии оказалось, что это не совсем так, хотя в строительном материале звезд присутствовал и гелий.
Но вот в 1895 году в английском журнале «Нейчур» друг за другом появились две статьи с одинаковым названием: «Земной гелий». Автором одной из них был известный экспериментатор В. Рамзай, открывший к тому времени химический элемент аргон, другой - В. Крукс, знаменитый своими исследованиями катодных лучей. Гелий, до сих пор наблюдавшийся только в спектре Солнца, обнаружили при анализе вполне земного минерала клевеита. Вскоре его нашли и в ряде других минералов, содержавших, как и клевеит, уран и торий.
А вот в атмосфере гелий не был найден, вернее, это случилось гораздо позднее. Такое обстоятельство, правда, никого особенно не удивило: полагали, что благодаря своей летучести гелий, как и свободный водород, давно уже ушел в мировое пространство.
Открытие земного гелия обострило интерес к проблеме происхождения химических элементов. О том, что в их основе лежит некая праматерия и что «каждый элемент превращается в природу другого элемента», догадывался еще Роджер Бэкон. Простейшим среди них, безусловно, следовало бы считать водород. Но в цепочке радиоактивных превращений упорно появлялся не водород, а гелий. Почему? Может быть, в качестве «праматерии» выступают не водород и не гелий, а какой-то другой, пока не найденный на нашей планете элемент?
Гелий обнаружили не только в солнечной короне и на Земле, но и в спектрах других звезд. Более того, выяснилось, что по распространенности в звездном веществе, так же как и вообще во Вселенной, гелий занимает второе после водорода мести.
Но вот на нашей железокремниевой планете относительное содержание гелия оказалось в десятки миллиардов раз меньшим, чем во Вселенной. На Земле вообще нет областей, о которых можно было бы сказать, что они богаты гелием. И тем не менее этот элемент присутствует повсюду: в атмосфере, океане и земной коре, в подземных газах, водах и нефти. Он рассеян по планете.
В тридцатые годы были открыты изотопы гелия. Со временем выявилась интересная закономерность: во внутренних областях метеоритов, в составе космической пыли и лунного грунта наблюдалось удивительное постоянное соотношение гелия-3 и гелия-4: 3 * 10-4, то есть на десять тысяч атомов гелия-4 приходилось в среднем три его легких изотопа. Земная же природа очень невзлюбила легкий изотоп гелия. Если гелия вообще в земных образцах мало, то гелия-3, мягко говоря, ничтожно мало: на долю легкого изотопа приходится в среднем десятимиллионная доля природного гелия.
И самым странным показалось даже не крайне низкое содержание гелия-3 в веществе Земли, а необычные вариации изотопного состава. Возникал вопрос: имеет ли какое-либо отношение распространенность гелия-3 к проблеме происхождения гелия на Земле? Теперь внимание ученых привлекла распространенность стабильных изотопов гелия в природе. Начинался второй гелиевый век.
Прежде всего: откуда взялся на Земле гелий? Предполагали, что существуют три возможных его источника.
Первый из них - это первичный, или первозданный гелий, который входил в состав вещества планеты 4,5 миллиарда лет назад и который, по-видимому, к настоящему времени планетой потеряй.
Вторым источником гелия на Земле считался радиогенный гелий, возникающий как продукт естественных ядерных реакций. Изотопное соотношение, характерное для радиогенного гелия, как правило, колеблется в пределах 10-5 - 10-10 - в зависимости от состава окружающего вещества.
И наконец гелий космогенного происхождения, который появляется в результате взаимодействия жесткого космического излучения с веществом Земли. Кроме того, он попадает в верхние слои атмосферы вместе с метеоритами и космической пылью.
О наблюдении первозданного гелия на Земле даже и не говорили: считали, что на Земле его просто не осталось. И действительно, измерения изотопного соотношения гелия земной коры упорно свидетельствовали в пользу его радиогенного, следовательно, вторичного происхождения. Однако в атмосфере нашей планеты происходили непонятные вещи. Изотопное отношение гелия было пример-" но в сто раз выше, чем для гелия, наблюдавшегося в земной коре. Известно, что попадающий в атмосферу гелий может двигаться только в одном направлении - уходить вверх, в космическое пространство. Каким же образом попадал в атмосферу этот избыточный гелий-3? Все собранные воедино мыслимые источники легкого изотопа не могли объяснить этого факта.
В свое время академик В. И. Вернадский задавал вопрос: «Почему так мало гелия на Земле? Куда он девался? Мы стоим здесь при изучении земной коры перед загадками более общего масштаба». Теперь же приходилось удивляться не тому, что гелия вообще мало на Земле, а тому, что легкого изотопа слишком «много» в атмосфере.

2.
Читатель, наверное, догадался, что коль скоро проблемы ставятся, намечены и некоторые пути к их решению. Но прежде чем переходить к «отгадкам», хотелось бы сделать маленькое отступление.
Как правило, применение принципиально новых методов исследования, расширяя наши горизонты в познании природы, неизбежно ведет к открытиям.
Среди методов исследования свойств вещества особое место занимает масс-спектрометрия разделение заряженных частиц по массам с помощью электрического и магнитного полей. Идея масс-спектрометрии со временем получила широкое " развитие. Во многих лабораториях мира появились масс-спектрометры «собственной конструкции». Выяснилось, что очень многие химические элементы состоят из смеси изотопов, но, к огорчению и недоумению исследователей, к их числу долгие годы не относился гелий.
Во многих образцах, как уже говорилось, гелий-3 содержался в гораздо меньшем количестве, чем гелий-4. Значит, нужны были приборы с высокой чувствительностью. Другая трудность - во всех пробах гелия неизбежно присутствовали ионы и молекулы, близкие по поведению в электромагнитном поле к ионам гелия-3. Как избавиться от этого фона?
Для того чтобы разорвать цепочку трудностей, необходимо было искать новые методы разделения изотопов. Одно из удачных решений было предложено учеными Ленинградского физико-технического института имени А. Ф. Иоффе Академии наук СССР.
Работа по созданию новой масс-спектрометрической методики началась в лаборатории профессора Н. И. Ионова около четверти века назад. И первые аппараты, созданные в стенах института, до сих пор работают в промышленности. Но прибор, о котором пойдет речь и которому суждено было совершить переворот в изотопии природного гелия, еще до недавнего времени существовал в одном лишь лабораторном экземпляре.
Ученые попытались разделить изотопы не только за счет их различного отклонения в магнитном поле, как это и делалось в масс-спектрометрах статических, но также и за счет их различного времени пролета. Для этого достаточно было наложить высокочастотное электрическое поле. И первые же измерения, выполненные на МРМС - магнитном резонансном масс-спектрометре, привлекли внимание специалистов. Оказалось, что качества прибора настолько высоки, что позволяли ему чувствовать присутствие в гелиевых пробах миллиардной доли легкого изотопа.
Но гелий оказался весьма капризным и трудным для измерения объектом. И не потому, что гелия-3 было очень мало в предназначенных для исследования пробах, а потому, что в окружающем нас атмосферном воздухе гелия порой было в сотни и тысячи раз больше. И если в пробу попадал хотя бы один процент атмосферного воздуха, результаты измерений искажались на сотни процентов!
Необходимо было решительно исключить попадание атмосферного воздуха в пробу и при ее отборе, и, что очень трудно, в процессе герметизации сосуда. Образцы минералов, из которых извлекали гелий, предварительно дробились и нагревались до температуры 1300 градусов по Цельсию без контакта с атмосферой. А работать приходилось С исчезающе малыми количествами этого газа: ведь гелий составлял сотые и тысячные доли процента от общего веса исследуемого вещества.
При создании МРМС ленинградские ученые столкнулись с еще одним непредвиденным свойством гелия, которое было названо «эффект памяти». Сколь идеальной ни была герметизация прибора и сколь хороший вакуум ни удавалось создать, после откачки в камере масс-спектрометра появлялось заметное количество гелия. Откуда он брался? Оказалось, что гелий, внезапно появлявшийся в приборе, в свое время проник путем диффузии в элементы конструкции и теперь при снижении давления выделялся обратно. С этим эффектом тоже приходилось бороться: остаточный гелий мог свободно конкурировать с гелием, предназначенным для исследования. А это могло затруднить любой анализ, но особенно эффект памяти мешал исследованию уникальных проб, например лунного грунта или космической пыли.

3.
Когда удалось преодолеть все эти трудности, новая масс-спектрометрическая техника открыла и новые возможности. И прежде всего это коснулось изотопии гелия.
В течение последних полутора десятилетий ленинградские ученые произвели несколько тысяч анализов изотопного соотношения гелия в самых различных природных образцах. Объектами исследования служили горные породы, минералы, вулканические и природные газы, воды и нефть, взятые буквально со всего света. Постепенно вырисовывалась картина распределения изотопов гелия в веществе Земли.
Прежде всего удалось обнаружить такую зависимость: изотопный состав гелия на Земле непостоянен, он определяется геологической историей региона, откуда были взяты пробы. Например, самые высокие изотопные соотношения - 10 - наблюдались в районах, непосредственно связанных с мантией Земли, там, где интенсивна вулканическая деятельность, где имеются разломы и трещины в земной коре и где возможен выход глубинных потоков вещества на поверхность.
В стабильных районах земной коры, где тектоническая деятельность давно закончилась, изотопное соотношение оказывалось чуть ли не в тысячу раз более низким: 2 . 10-8. Районы же, занимающие промежуточное положение по геологической активности, характеризуются и промежуточным изотопным соотношением: 10-6 - 10-7.
А вот в атмосфере изотопное соотношение гелия вновь начинает подниматься, достигая величины около 10-6. И наконец, за ее пределами, в околосолнечном пространстве, изотопное соотношение гелия оказывается достаточно высоким и постоянным, достигая своеобразной константы природы: 3 . 10-4.
Очередную гелиевую проблему можно было бы сформулировать так: почему в вулканических газах, появляющихся на поверхности в любом районе Земли, гелия-3 в сотни и тысячи раз больше, чем в образцах земной коры? Поскольку вулканические газы - естественные посланцы мантии Земли, получалось, что избыточный гелий находится в мантии. Но с одной оговоркой - этот мантийный гелий (в том числе и гелий-3) не мог иметь чисто радиогенное происхождение. Расчеты показали, что ни ядерные превращения элементов, ни попадание в земную кору космических лучей не могли объяснить наблюдаемое в мантийных газах количество гелия-3.
Оставалось только одно предположение: тот гелий, который выделяется на поверхность Земли вместе с вулканическими газами, представляет смесь радиогенного и первичного гелия. Это означало, что в недрах Земли сохранился гелий, захваченный Землей при ее образовании. По-видимому, около 4,5 миллиарда лет назад изотопное соотношение гелия молодой Земли было близко к космической константе. Но находившиеся в мантии тяжелые элементы из-за радиоактивного распада увеличивали долю гелия-4, а дегазация недр уменьшала в первую очередь количество легкого изотопа вследствие его большей летучести. Кстати, в мантии Земли сохранился не только первичный гелий, но и другие газы.
В конце 1981 года обнаружение первичного солнечного гелия в мантии Земли было зарегистрировано в Государственном реестре СССР как открытие. «Суть нашего открытия,- сказал один из его авторов, профессор Б. А. Мамырин,- заключается в том, что мы выяснили новую особенность устройства нашей планеты. Всем известно, что земной шар имеет слоистую структуру - сверху тонкая (10 - 70 километров) земная кора, далее мантия толщиной около 3 тысяч километров, внутри тяжелое ядро. Мы установили, что гелии, которыми «пропитаны» породы земной коры и породы мантии, резко отличны по изотопному составу. В гелии мантии отношение Не3Д1е4 в тысячу раз больше, чем в гелии земной коры. Это редчайший феномен природы, поскольку сдвиги в изотопном отношении для различных элементов на Земле не превышают обычно нескольких процентов».
А теперь обещанные разгадки.
Итак, представление о полной потере Землей первичного гелия не подтвердилось. Но каким же образом была обеспечена сохранность самого легкого на планете газа? Оказалось, что первичный гелий мог сохраниться до наших дней лишь в одном случае: максимальная температура Земли при ее образовании не превышала 500-700 градусов по Цельсию. Иными словами, наша планета никогда не пребывала в расплавленном состоянии, иначе первичный гелий действительно мог бы испариться. Таким образом, проблема гелия, и гелия-3 в частности, должна учитываться при обсуждении истории образования планет Солнечной системы.
Дальнейший путь гелия лежит через атмосферу. И оказалось, что именно мантия с ее высокой концентрацией легкого изотопа гелия поставляет тот самый гелий-3, содержание которого в воздухе не поддавалось объяснению.
Сам факт сохранности первичного гелия в мантии очень многое дал для изучения планеты. Через глубинные разломы в земной коре, через подводные и материковые вулканы происходит постоянный выход гелия на поверхность - он как бы просвечивает, подобно рентгену, земную кору изнутри. И вещество, мигрирующее из мантии к поверхности, всегда оказывается помеченным гелием-3. Но в земной коре преобладает радиогенный гелий, и изотопная метка растворяется, а само изотопное соотношение постепенно уменьшается. Разумеется, это очень и очень медленный процесс. Только через миллиард лет после завершения геологической активности региона в горных породах установится характерное для радиогенного гелия изотопное соотношение.
Проблема первозданного гелия уводит в те далекие от нашего века времена, когда, по представлениям ученых, Вселенная являла собой сверхплотную и сверхгорячую материю. Потом началось расширение, или, как его называют ученые. Большой взрыв. Почему это произошло, современная наука не может дать ответа. Но восстановить предполагаемый ход событий оказалось возможным.
На самых ранних стадиях эволюции Вселенная была наполнена элементарными частицами. По мере ее остывания образовались ядра дейтерия, гелия-3 и гелия-4. лишь через миллион лет Вселенная остыла настолько, что электроны смогли присоединиться к атомным ядрам и образовались первые атомы. К этому времени наша Вселенная была только водородно-гелиевой. Остальные химические элементы родиться не успели. Они возникли позднее, спустя миллиарды лет, в процессе эволюции звезд. В первозданном же веществе Вселенной было около 70 процентов водорода и 30 процентов гелия, и примерно одна десятитысячная доля этого гелия приходилась на гелий-3.
Возможно, найден еще один, помимо реликтового излучения, свидетель первых мгновений Вселенной - гелий с характерным изотопным отношением. Недаром же, перефразируя известное высказывание Архимеда, физики утверждают: «Дайте нам водород и гелий, и мы построим Вселенную».

А. Ассовская, кандидат физико-математических наук

Гелий (He) – инертный газ, являющийся вторым элементом периодической системы элементов, а так же вторым элементом по легкости и распространенности во Вселенной. Он относится к простым веществам и при стандартных условиях (Standard temperature and pressure) представляет собой одноатомный газ.

Гелий не имеет вкуса, цвета, запаха и не содержит токсинов.

Среди всех простых веществ, гелий имеет наименьшую точку кипения (T = 4,216 K). При атмосферном давлении получить твердый гелий невозможно, даже при температурах, близких к абсолютному нулю – для перехода в твердую форму, гелию необходимо давление выше 25 атмосфер. Химических соединений гелия мало и все при стандартных условиях они нестабильны.
Встречающийся в природе гелий состоит из двух стабильных изотопов – He и 4He. Изотоп “He” встречается очень редко (изотопная распространённость 0,00014 %) при 99,99986 % у изотопа 4He. Помимо природных, известны так же 6 искусственных радиоактивных изотопов гелия.
Появлением практически всего, имеющегося во Вселенной, гелия послужил первичный нуклеосинтез, протекавший в первые минуты после Большого взрыва.
В настоящее время практически весь гелий образуется из водорода в результате термоядерного синтеза, происходящего в недрах звезд. На нашей планете гелий образуется в процессе альфа-распада тяжёлых элементов. Та часть, гелия, которой удается просочится сквозь Земную кору, выходит наружу в составе природного газа и может составлять до 7 % от его состава. Что бы выделить гелий из природного газа, используется фракционная перегонка – процесс низкотемпературного разделения элементов.

История открытия гелия

18 августа 1868 г. ожидалось полное солнечное затмение. Астрономы всего мира деятельно готовились к этому дню. Они надеялись разрешить тайну протуберанцев – светящихся выступов, видимых в момент полного солнечного затмения по краям солнечного диска. Одни астрономы полагали, что протуберанцы представляют собой высокие лунные горы, которые в момент полного солнечного затмения освещаются лучами Солнца; другие думали, что протуберанцы – это горы на самом Солнце; третьи видели в солнечных выступах огненные облака солнечной атмосферы. Большинство же считало, что протуберанцы – не более, чем оптический обман.

В 1851 г. во время солнечного затмения, наблюдавшегося в Европе, немецкий астроном Шмидт не только увидел солнечные выступы, но и успел разглядеть, что очертания их меняются с течением времени. На основании своих наблюдений Шмидт заключил, что протуберанцы являются раскаленными газовыми облаками, выбрасываемыми в солнечную атмосферу гигантскими извержениями. Однако и после наблюдений Шмидта многие астрономы по-прежнему считали огненные выступы обманом зрения.

Только после полного затмения 18 июля 1860 г., которое наблюдалось в Испании, когда многие астрономы увидели солнечные выступы собственными глазами, а итальянцу Секки и французу Делларю удалось не только зарисовать, но и сфотографировать их, ни у кого уже не было сомнений в существовании протуберанцев.

К 1860 г. был уже изобретен спектроскоп – прибор, дающий возможность путем наблюдений видимой части оптического спектра определять качественный состав тела, от которого получается наблюдаемый спектр. Однако в день солнечного затмения никто из астрономов не воспользовался спектроскопом, чтобы рассмотреть спектр протуберанцев. О спектроскопе вспомнили, когда затмение уже закончилось.

Вот почему, готовясь к солнечному затмению 1868 г., каждый астроном в список инструментов для наблюдения включил и спектроскоп. Не забыл этот прибор и Жюль Жансен, известный французский ученый, отправляясь для наблюдения протуберанцев в Индию, где условия для наблюдения солнечного затмения по вычислениям астрономов были наилучшими.

В момент, когда сверкающий диск Солнца был полностью закрыт Луной, Жюль Жансен, исследуя с помощью спектроскопа оранжево-красные языки пламени, вырывавшиеся с поверхности Солнца, увидел в спектре, кроме трех знакомых линий водорода: красной, зелено-голубой и синей, новую, незнакомую – ярко-желтую. Ни одно из веществ, известных химикам того времени, не имело такой линии в той части спектра, где ее обнаружил Жюль Жансен. Такое же открытие, но у себя дома, в Англии, сделал астроном Норман Локиер.

25 октября 1868 г. парижская Академия наук получила два письма. Одно, написанное на следующий день после солнечного затмения, пришло из Гунтура, маленького городка на восточном побережье Индии, от Жюля Жансена; другое письмо, от 20 октября 1868 г. было из Англии от Нормана Локиера.

Полученные письма были зачитаны на заседании профессоров парижской Академии наук. В них Жюль Жансен и Норман Локиер, независимо один от другого, сообщили об открытии одного и того же "солнечного вещества". Это новое вещество, найденное на поверхности Солнца с помощью спектроскопа, Локиер предлагал назвать гелием от греческого слова "солнце" – "гелиос".

Такое совпадение удивило ученое собрание профессоров Академий и в то же время свидетельствовало об объективном характере открытия нового химического вещества. В честь открытия вещества солнечных факелов (протуберанцев) была выбита медаль. На одной стороне этой медали выбиты портреты Жансена и Локиера, а на другой – изображение древнегреческого бога солнца Аполлона в колеснице, запряженной четверкой коней. Под колесницей красовалась надпись на французском языке: "Анализ солнечных выступов 18 августа 1868 г."

В 1895 г. лондонский химик Генри Майерс обратил внимание Вильяма Рамзая, известного английского физико-химика, на тогда уже забытую статью геолога Хильдебранда. В этой статье Хильдебранд утверждал, что некоторые редкие минералы при нагревании их в серной кислоте выделяют газ, не горящий и не поддерживающий горения. В числе таких редких минералов был клевеит, найденный в Норвегии Норденшельдом, знаменитым шведским исследователем полярных областей.

Рамзай решил исследовать природу газа, содержащегося в клевеите. Во всех химических магазинах Лондона помощникам Рамзая удалось купить всего только... один грамм клевеита, заплатив за него всего 3,5 шиллинга. Выделив из полученного количества клевеита несколько кубических сантиметров газа и очистив его от примесей, Рамзай исследовал его с помощью спектроскопа. Результат был неожиданным: выделенный из клевеита газ оказался... гелием!

Не доверяя своему открытию, Рамзай обратился к Вильяму Круксу, крупнейшему в то время в Лондоне специалисту спектрального анализа, с просьбой исследовать выделенный из клевеита газ.

Крукс исследовал газ. Результат исследования подтвердил открытие Рамзая. Так 23 марта 1895 г. на Земле было обнаружено вещество, 27 лет назад найденное на Солнце. В тот же день Рамзай опубликовал свое открытие, отправив одно сообщение в Лондонское Королевское общество, а другое – известному французскому химику академику Бертло. В письме к Бертло Рамзай просил сообщить о своем открытии ученому собранию профессоров парижской Академии.

Через 15 дней после Рамзая, независимо от него, шведский химик Ланглэ выделил гелий из клевеита и так же, как и Рамзай, сообщил о своем открытии гелия химику Бертло.

В третий раз гелий был открыт в воздухе, куда, по мысли Рамзая, он должен был поступать из редких минералов (клевеита и др.) при разрушении и химических превращениях на Земле.

В небольших количествах гелий был обнаружен и в воде некоторых минеральных источников. Так, например, он был найден Рамзаем в целебном источнике Котрэ в Пиренейских горах, английский физик Джон Вильям Рэлей нашел его в водах источников на известном курорте Бат, немецкий физик Кайзер открыл гелий в ключах, бьющих в горах Шварцвальда. Однако больше всего было обнаружено гелия в некоторых минералах. Он содержится в самарските, фергусоните, колумбите, монаците, ураните. В минерале торианите с острова Цейлон содержится особенно много гелия. Килограмм торианита при нагревании докрасна выделяет 10 л гелия.

Вскоре было установлено, что гелий встречается только в тех минералах, в составе которых находятся радиоактивные уран и торий. Альфа-лучи, испускаемые некоторыми радиоактивными элементами, представляют собой не что иное, как ядра атомов гелия.

Из истории...

Его необычные свойства позволяют широко использовать гелий для самых различных целей. Первая, абсолютно логичная, исходя из его легкости – использование в воздушных шарах и дирижаблях. Причем в отличие от водорода – он не взрывоопасен. Это свойство гелия использовалось немцами в Первую Мировую войну на боевых дирижаблях. Минусом использования является то, дирижабль наполненный гелием не взлетит так высоко как водородный.

Для бомбардировки крупных городов, главным образом, столиц Англии и Франции, немецкое командование в первую мировую войну использовало дирижабли (цеппелины). Для наполнения их употребляли водород. Поэтому борьба с ними была сравнительно простой: зажигательный снаряд, попадавший в оболочку дирижабля, поджигал водород, тот мгновенно вспыхивал и аппарат сгорал. Из 123 дирижаблей, построенных в Германии за время первой мировой войны, 40 сгорели от зажигательных снарядов. Но однажды генеральный штаб английской армии был удивлен сообщением особой важности. Прямые попадания зажигательных снарядов в немецкий цеппелин не дали результатов. Дирижабль не вспыхнул, а медленно истекая каким-то неизвестным газом, улетел обратно.

Военные специалисты недоумевали и, несмотря на экстренное и подробное обсуждение вопроса о невоспламеняемости цеппелина от зажигательных снарядов, не могли найти нужного объяснения. Загадку разгадал английский химик Ричард Трелфолл. В письме в адрес Британского адмиралтейства он писал: "...полагаю, что немцы изобрели какой-то способ добывать в большом количестве гелий, и на этот раз наполнили оболочку своего цеппелина не водородом, как обычно, а гелием..."

Убедительность доводов Трелфолла, однако, снижалась фактом отсутствия в Германии значительных источников гелия. Правда, гелий содержится а воздухе, но его там мало: в одном кубическом метре воздуха содержится всего только 5 кубических сантиметров гелия. Холодильная машина системы Линде, превращающая в жидкость несколько сот кубических метров воздуха в один час, могла дать за это время не более 3 л гелия.

3 литра гелия в час! А для наполнения цеппелина нужно 5÷6 тыс. куб. м. Для получения такого количества гелия одна машина Линде должна была работать без остановки около двухсот лет, двести таких машин дали бы нужное количество гелия в один год. Постройка 200 заводов по превращению воздуха в жидкость для получения гелия экономически весьма невыгодна, а практически бессмысленна.

Откуда же немецкие химики получали гелий?

Этот вопрос, как выяснилось позже, был решен сравнительно просто. Задолго до войны немецким пароходным компаниям, возившим товары в Индию и Бразилию, дано было указание грузить возвращающиеся пароходы не обычным балластом, а монацитовым песком, который содержит гелий. Так был создан запас "гелиевого сырья" – около 5 тыс. т монацитового песка, из которого и получался гелий для цеппелинов. Кроме того, гелий добывался из воды минерального источника Наугейм, дававшего до 70 куб. м гелия ежедневно.

Случай с несгораемым цеппелином явился толчком для новых поисков гелия. Гелий стали усиленно искать химики, физики, геологи. Он неожиданно приобрел огромную ценность. В 1916 г. 1 кубометр гелия стоил 200 000 рублей золотом, т. е. 200 рублей за литр. Если учесть, что литр гелия весит 0,18 г, то 1 г его стоил свыше 1000 рублей.

Гелий сделался объектом охоты коммерсантов, спекулянтов, биржевых дельцов. Гелий в значительных количествах был обнаружен в природных газах, выходящих из недр земли в Америке, в штате Канзас, где после вступлений Америки в воину, близ города Форт-Уорс был построен гелиевый завод. Но война закончилась, запасы гелия остались неиспользованными, стоимость гелия резко упала и составляла в конце 1918 г. около четырех рублей за кубический метр.

Добытый с таким трудом гелий был использован американцами только в 1923 г. для наполнения теперь уже мирного дирижабля "Шенандоа". Он был первым и единственным в мире воздушным грузопассажирским кораблем, наполненным гелием. Однако "жизнь" его оказалась непродолжительной. Через два года после своего рождение "Шенандоа" был уничтожен бурей. 55 тыс. куб. м, почти весь мировой запас гелия, собиравшийся в течение шести лет, бесследно рассеялся в атмосфере во время бури, длившейся всего 30 минут.

Применение гелия

Гелий в природе

В основном земной гелий образуется при радиоактивном распаде урана-238, урана-235, тория и нестабильных продуктов их распада. Несравнимо меньшие количества гелия дает медленный распад самария-147 и висмута. Все эти элементы порождают только тяжелый изотоп гелия – He 4 , чьи атомы можно рассматривать как останки альфа частиц, захороненные в оболочке из двух спаренных электронов – в электронном дублете. В ранние геологические периоды, вероятно, существовали и другие, уже исчезнувшие с лица Земли естественно радиоактивные ряды элементов, насыщавшие планету гелием. Одним из них был ныне искусственно воссозданный нептуниевый ряд.

По количеству гелия, замкнутого в горной породе или минерале, можно судить об их абсолютном возрасте. В основе этих измерений лежат законы радиоактивного распада: так, половина урана-238 за 4,52 млрд лет превращается в гелий и свинец.

Гелий в земной коре накапливается медленно. Одна тонна гранита, содержащая 2 г урана и 10 г тория, за миллион лет продуцирует всего 0,09 мг гелия – половину кубического сантиметра. В очень немногих богатых ураном и торием минералах содержание гелия довольно велико – несколько кубических сантиметров гелия на грамм. Однако доля этих минералов в естественном производстве гелия близка к нулю, так как они очень редки.

На Земле гелия мало: 1 м 3 воздуха содержит всего 5,24 см 3 гелия, а каждый килограмм земного материала - 0,003 мг гелия. Но по распространённости во Вселенной гелий занимает 2-е место после водорода: на долю гелия приходится около 23% космической массы. Примерно половина всего гелия сосредоточена в земной коре, главным образом в её гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Содержание гелия в земной коре невелико - 3 х 10 -7 % по массе. Гелий накапливается в свободных газовых скоплениях недр и в нефтях; такие месторождения достигают промышленных масштабов. Максимальные концентрации гелия (10 -13 %) выявлены в свободных газовых скоплениях и газах урановых рудников и (20-25%) в газах, спонтанно выделяющихся из подземных вод. Чем древнее возраст газоносных осадочных пород и чем выше в них содержание радиоактивных элементов, тем больше гелия в составе природных газов.

Добыча гелия

Добыча гелия в промышленных масштабах производится из природных и нефтяных газов как углеводородного, так и азотного состава. По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объёму); рядовые (0,10-0,50) и бедные < 0,10). Значительные его концентрации известны в некоторых месторождениях природного газа Канады, США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).

Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд. кубометров. Крупные месторождения находятся в США (45% от мировых ресурсов), далее идут Россия (32%), Алжир (7%), Канада (7%) и Китай (4%).
По производству гелия также лидируют США (140 млн. кубометров в год), затем - Алжир (16 млн.).

Россия занимает третье место в мире – 6 млн. кубометров в год. Оренбургский гелиевый завод является в настоящее время единственным отечественным источником получения гелия, причем производство газа снижается. В связи с этим, газовые месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока с высокими концентрациями гелия (до 0,6%) приобретают особое значение. Одним из наиболее перспективных является Ковыктинское газоконденсатное месторождение, находящееся на севере Иркутской области. По оценкам специалистов здесь содержится около 25% общемировы х запасов гелия.

Безопасность

– Гелий не токсичен, не горюч, не взрывоопасен
– Гелий разрешено применять в любых местах массового скопления людей: на концертах, рекламных акциях, стадионах, магазинах.
– Газообразный гелий физиологически инертен и не представляет опасности для человека.
– Гелий не опасен и для окружающей среды, поэтому обезвреживания, утилизации и ликвидации его остатков в баллонах не требуется.
– Гелий значительно легче воздуха и рассеивается в верхних слоях атмосферы Земли.

Хранение и перевозка гелия

Газообразный гелий можно транспортировать всеми видами транспорта согласно правилам перевозок грузов на конкретном виде транспорта. Перевозка производится в специальных стальных баллонах коричневого цвета и контейнерах для перевозки гелия. Жидкий гелий транспортируют в транспортных сосудах типа СТГ-40, СТГ-10 и СТГ-25 объемом 40, 10 и 25 литров.

Правила перевозки баллонов с техническими газами

Перевозка опасных грузов в Российской Федерации регламентируется следующими документами:

1. "Правила перевозки опасных грузов автомобильным транспортом" (в ред. Приказов Минтранса РФ от 11.06.1999 №37, от 14.10.1999 №77; зарегистрированы в Министерстве юстиции Российской Федерации 18 декабря 1995 года, регистрационный N 997).

2. "Европейское соглашение о международной дорожной перевозке опасных грузов" (ДОПОГ), к которому Россия официально присоединилась 28 апреля 1994 (постановление Правительства РФ от 03.02.1994 №76).

3. "Правила дорожного движения" (ПДД 2006), а именно статья 23.5, устанавливающая что "Перевозка... опасных грузов... осуществляется в соответствии со специальными правилами".

4. "Кодекс РФ об административных правонарушениях", статья 12.21 ч.2 которого предусматривает ответственность за нарушение правил перевозки опасных грузов в виде "административного штрафа на водителей в размере от одного до трех минимальных размеров оплаты труда или лишения права управления транспортными средствами на срок от одного до трех месяцев; на должностных лиц, ответственных за перевозку - от десяти до двадцати минимальных размеров оплаты труда".

В соответствии с п.п.3 п.1.2 "Действие Правил не распространяется на... перевозки ограниченного количества опасных веществ на одном транспортном средстве, перевозку которых можно считать как перевозку неопасного груза". Там же разъяснено, что "Ограниченное количество опасных грузов определяется в требованиях по безопасной перевозке конкретного вида опасного груза. При его определении возможно использование требований Европейского соглашения о международной перевозке опасных грузов (ДОПОГ)". Таким образом, вопрос о максимальном количестве веществ, которое можно перевозить как неопасный груз сводится к изучению раздела 1.1.3 ДОПОГ , устанавливающему изъятия из европейских правил перевозки опасных грузов, связанные с различными обстоятельствами.

Так, например, в соответствии с п. 1.1.3.1 "Положения ДОПОГ не применяются... к перевозке опасных грузов частными лицами, когда эти грузы упакованы для розничной продажи и предназначены для их личного потребления, использования в быту, досуга или спорта, при условии, что приняты меры для предотвращения любой утечки содержимого в обычных условиях перевозки".

Однако, формально признаваемая правилами перевозки опасных грузов группа изъятий - изъятия связанные с количествами, перевозимыми в одной транспортной единице (п.1.1.3.6 ).

Все газы отнесены ко второму классу веществ по классификации ДОПОГ. Негорючие, неядовитые газы (группы А - нейтральные и О - окисляющие) относятся к третьей транспортной категории, с ограничением максимального количества в 1000 единиц. Легковоспламеняющиеся (группа F) - ко второй, с ограничением максимального количества в 333 единицы. Под "единицей" здесь понимается 1 литр вместимости сосуда, в котором находится сжатый газ, или 1 кг сжиженного или растворенного газа. Таким образом, максимальное количество газов, которое можно перевозить в одной транспортной единице как неопасный груз, следующее:

Недра и атмосфера нашей планеты бедны гелием. Но это не значит, что его мало повсюду во Вселенной. По современным подсчетам 76 % космической массы приходится на и 23% на ; на все прочие элементы остается только 1 %! Таким образом, мировую материю можно назвать водородно-гелиевой. Эти два элемента главенствуют в звездах, планетарных туманностях и межзвездном газе.

Вероятно, все планеты солнечной системы содержат радиогенный (образовавшийся при альфа-распаде) , а крупные - и реликтовый из космоса. Гелий обильно представлен в атмосфере Юпитера: по одним данным его там 33%, по другим - 17%. Это открытие легло в основу сюжета одного из рассказов известного ученого и писателя-фантаста А. Азимова. В центре повествования - план (возможно, осуществимый в будущем) доставки гелия с Юпитера, а и заброски на ближайший спутник этой планеты - Юпитер V - армады кибернетических машин на криотропах (о них -ниже). Погрузившись в атмосферы Юпитера (сверхнизкие температуры и сверхпроводимость - необходимые условия для работы криотронов), эти машины превратят Юпитер V в мозговой центр солнечной системы…

Происхождение звездного гелия было объяснено в 1938 г. немецкими физиками Бете и Вейцзекером. Позже их теория получила экспериментальное подтверждение и уточнение с помощью ускорителей элементарных частиц. Суть ее в следующем.

Ядра гелия синтезируются при звездных температурах из протонов в результате термоядерных процессов, высвобождающих 175 млн. киловатт-часов энергии на каждый килограмм гелия.

Разные циклы реакций могут привести к синтезу гелия.

В условиях не очень горячих звезд, таких, как наше Солнце, преобладает, по-видимому, протонно-протонный цикл. Он складывается из трех последовательно сменяющихся превращений. Вначале соединяются на огромных скоростях два протона с образованием дейтрона - конструкции из протона и нейтрона; при этом отделяются позитрон и нейтрино. Далее соединяются дейтрон с протоном в легкий гелий с испусканием гамма-кванта. Наконец, реагируют два ядра 3Не, преобразуясь в альфа-частицу и два протона. Альфа-частица, обзаведясь двумя электронами, станет потом атомом гелия.

Тот же конечный результат дает более быстрый углеродно-азотный цикл, значение которого в условиях Солнца не очень велико, но на более горячих, чем Солнце, звездах роль этого цикла усиливается. Он складывается из шести ступеней - реакций.

Реакция синтеза гелия - основа энергетической деятельности звезд, их свечения. Следовательно, синтез гелия можно считать праотцом всех реакций в природе, первопричиной жизни, света, тепла и метеорологических явлений на Земле.

Гелий не всегда бывает конечным продуктом звездных синтезов. По теории профессора Д. А. Франк-Каменецкого, при последовательном слиянии ядер гелия образуются 8Ве, 12С, 160, 20Ne, 24Mg, а захват этими ядрами протонов приводит к возникновению других ядер. Для синтеза ядер тяжелых элементов вплоть до трансурановых требуются исключительные сверхвысокие температуры, которые развиваются на неустойчивых «новых» и «сверхновых» звёздах. Известный советский химик А. Ф. Капустинский называл и гелий протоэлементами - элементами первичной материи. Не в этой ли первичности скрыто объяснение особого положения водорода и гелия в периодической системе элементов, в частности того факта, что первый период по существу лишен периодичности, характерной для прочих периодов?

Вы читаете, статья гелий во вселенной

Окружающий нас мир состоит из ~ 100 различных химических элементов. Как они образовались в естественных условиях? Подсказку для ответа на этот вопрос даёт относительная распространенность химических элементов. Среди наиболее существенных особенностей распространенности химических элементов Солнечной системы можно выделить следующие.

1. Вещество во Вселенной в основном состоит из водорода H – ~ 90% всех атомов.
2. По распространенности гелий He занимает второе место, составляя ~ 10% от числа атомов водорода.
3. Существует глубокий минимум, соответствующий химическим элементам литий Li, бериллий Be и бор B.
4. Сразу за глубоким минимумом Li, Be, В следует максимум, обусловленный повышенной распространенностью углерода C и кислорода O.
5. Вслед за кислородным максимумом идет скачкообразное падение распространенности элементов вплоть до скандия (А = 45).
6. Наблюдается резкое повышение распространенности элементов в районе железа A = 56 (группа железа).
7. После A = 60 уменьшение распространенности элементов происходит более плавно.
8. Наблюдается заметное различие между химическими элементами с четным и нечетным числом протонов Z . Как правило, химические элементы с четными Z являются более распространенными.

Ядерные реакции во Вселенной

t = 0		Большой взрыв. Рождение Вселенной
t = 10 -43 с		Эра квантовой гравитации. Струны ρ = 10 90 г/см 3 , T = 10 32 K
t = 10 - 35 с		Кварк-глюонная среда ρ = 10 75 г/см 3 , T = 10 28 K
t = 1 мкс		Кварки объединяются в нейтроны и протоны ρ = 10 17 г/см 3 , T = 6·10 12 K
t = 100 с		Образование дозвездного 4 He ρ = 50 г/см 3 , T = 10 9 K
t = 380 тыс. лет		Образование нейтральных атомов ρ = 0.5·10 -20 г/см 3 , T = 3·10 3 K
t = 10 8 лет	Первые звезды	Горение водорода в звездах ρ = 10 2 г/см 3 , T = 2·10 6 K Горение гелия в звездах ρ = 10 3 г/см 3 , T = 2·10 8 K Горение углерода в звездах ρ = 10 5 г/см 3 , T = 8·10 8 K Горение кислорода в звездах ρ = 10 5 ÷10 6 г/см 3 , T = 2·10 9 K Горение кремния в звездах ρ = 10 6 г/см 3 , T = (3÷5)·10 9 K
t = 13.7 млрд. лет		Современная Вселенная ρ = 10 -30 г/см 3 , T = 2.73 K

Дозвездный нуклеосинтез. Образование 4 He

Космологический синтез гелия – основной механизм его образования во Вселенной. Синтез гелия из водорода в звёздах увеличивает долю 4 He по массе в барионной материи примерно на 10%. Механизм дозвёздного образования гелия количественно объясняет распространённость гелия во Вселенной и является сильным аргументом в пользу догалактической фазы его образования и всей концепции Большого Взрыва.
Космологический нуклеосинтез позволяет объяснить распространённость во Вселенной таких легчайших ядер как дейтерий (2 H), изотопы 3 He и 7 Li. Однако их количества ничтожны по сравнению с ядрами водорода и 4 He. По отношению к водороду дейтерий образуется в количестве 10 -4 -10 -5 , 3 He – в количестве ≈ 10 -5 , а 7 Li – в количестве ≈ 10 -10 .
Для объяснения образования химических элементов в 1948 году Г. Гамовым была выдвинута теория Большого взрыва. Согласно модели Гамова, синтез всех химических элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием γ-квантов и последующим β - -распадом образовавшихся ядер. Однако расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование химических элементов тяжелее Li. Оказалось, что механизм образования лёгких ядер (A < 7) связан с условиями, существовавшими во Вселенной в течение первых трех минут. Более тяжелые ядра образовались в результате ядерных реакций, происходящих при горении звезд.

Дозвездная стадия образования легчайших ядер. На этапе эволюции Вселенной через 100 с после Большого взрыва при температуре ~ 10 9 К вещество во Вселенной состояло из протонов p, нейтронов n, электронов e - , позитронов e + , нейтрино ν, антинейтрино и фотонов γ. Излучение, находилось в тепловом равновесии с электронами e - , позитронами e + и нуклонами.

В условиях термодинамического равновесия вероятность образования системы с энергией E N , равной энергии покоя нуклона, описывается распределением Гиббса . Поэтому в условиях термодинамического равновесия соотношение между числом нейтронов и протонов будет определяться разностью масс нейтрона и протона

Образование электрон-позитронных пар прекращается при Т < 10 10 К, так как энергии фотонов становятся ниже порога образования e - e + -пар (~ 1 МэВ). К концу равновесной стадии на каждый нейтрон приходилось 5 протонов. Так как на этом этапе эволюции Вселенной плотность протонов и нейтронов была велика, сильное ядерное взаимодействие между ними привело к образованию 4 He и небольшого количества изотопов Li и Be.

Основные реакции дозвездного нуклеосинтеза:

Так как стабильных ядер с А = 5 не существует, ядерные реакции завершаются в основном образованием 4 Не. 7 Ве, 6 Li и 7 Li составляют лишь ~ 10 –9 – 10 –12 от образования изотопа 4 Не. Практически все нейтроны исчезают, образуя ядра 4 Не. При плотности вещества ρ ~ 10 –3 – 10 –4 г/см 3 вероятность того, что нейтрон и протон не провзаимодействуют за время первичного нуклеосинтеза составляет менее 10 –4 . Так как в начале на один нейтрон приходилось 5 протонов, соотношение между числом ядер 4 Не и р должно быть ~ 1/10. Таким образом, соотношение распространенностей водорода и гелия, наблюдаемое в настоящее время, сформировалось в течение первых минут существования Вселенной. Расширение Вселенной привело к понижению её температуры и прекращению первичного дозвездного нуклеосинтеза.

Образование химических элементов в звездах. Так как процесс нуклеосинтеза на ранней стадии эволюции Вселенной закончился образованием водорода, гелия и небольшого количества Li, Be, В, необходимо было найти механизмы и условия, при которых могли образоваться более тяжелые элементы.
Г.Бете и К.Вайцзеккер показали, что соответствующие условия существуют внутри звезд. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции. Образование химических элементов в звездах начинается с реакции горения водорода с образованием 4 Не.

Г. Бете, 1968 г.: «С незапамятных времен люди хотели знать, за счёт чего поддерживается свечение Солнца. Первая попытка научного объяснения была предпринята Гельмгольцем около ста лет назад. Она была основана на использовании самых известных в то время сил – сил всемирного тяготения. Если один грамм вещества падает на поверхность Солнца, он приобретает потенциальную энергию

E п = -GM/R = -1.91·10 15 эрг/г.

Известно, что в настоящее время мощность излучения Солнца определяется величиной

ε = 1.96 эрг/г×с.

Следовательно, если источником энергии является тяготение, запас гравитационной энергии может обеспечить излучение в течение 10 15 с, т.е. в период около тридцати миллионов лет…
В конце XIX века Беккерель, Пьер и Мария Кюри открыли радиоактивность. Открытие радиоактивности позволило определить возраст Земли. Несколько позже удалось определить возраст метеоритов, по которому можно было судить, когда в Солнечной системе появилось вещество в твердой фазе. Из этих измерений можно было установить, что возраст Солнца с точностью до 10% составляет 5 млрд. лет. Таким образом, тяготение не может обеспечить нужный запас энергии на всё это время…
С начала 30-х годов стали склоняться к тому, что звездная энергия возникла за счет ядерных реакций… Простейшей из всех возможных реакций будет реакция

H + H → D + e + + ν.

Так как процесс первичного нуклеосинтеза завершился в основном образованием ядер 4 He в результате реакций взаимодействия p + n, d + d, d + 3 He, d + 3 H и были израсходованы все нейтроны, необходимо было найти условия, при которых образовались более тяжелые элементы. В 1937 г. Г. Бете создал теорию, объясняющую происхождение энергии Солнца и звезд в результате реакций слияния ядер водорода и гелия, идущими в центре звезд. Так как в центре звезд не было достаточного количества нейтронов для реакций типа p + n, то в них могли продолжаться только реакции
p + p → d + e + + ν. Эти реакции протекали в звездах, когда температура в центре звезды достигала 10 7 К, а плотность − 10 5 кг/м 3 . То обстоятельство, что реакция p + p → d + e + + ν происходила в результате слабого взаимодействия, объясняло особенности диаграммы Герцшпрунга–Рассела.

Нобелевская премия по физике
1967 г. − Г. Бете
За вклад в теорию ядерных реакций, и особенно за открытие источника энергии звезд.

Сделав разумные предположения о силе реакций на основе общих принципов ядерной физики, я обнаружил в 1938 г., что углеродно-азотный цикл может обеспечить необходимое выделение энергии на Солнце… Углерод служит только катализатором; результатом реакции является комбинация четырех протонов и двух электронов, образующих ядро 4 He. В этом процессе испускаются два нейтрино, уносящих с собой энергию примерно 2 МэВ. Остающаяся энергия около 25 МэВ на цикл освобождается и поддерживает температуру Солнца неизменной… Это была та основа, на которой Фаулер и другие рассчитали скорости реакции в (С,N)-цикле» .

Горение водорода. Возможны две различные последовательности реакций горения водорода - преобразование четырех ядер водорода в ядро 4 He, которое может обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды:

• протон-протонная цепочка (рр-цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий;
• углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл), в котором в качестве катализаторов участвуют ядра С, N и О.

Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды. В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон-протонная цепочка. В более массивных звездах, имеющих более высокую температуру, основным источником энергии является CNO-цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра С, N и О. Температура внутренних слоев Солнца составляет 1.5∙10 7 К и доминирующую роль в выделении энергии играет протон-протонная цепочка.

Зависимость от температуры логарифма скорости V выделения энергии в водородном (pp) и углеродном (CNO) циклах

Горение водорода. Протон-протонная цепочка. Ядерная реакция

p + p → 2 H + e + + ν e + Q,

начинается в центральной части звезды при плотностях ≈100 г/см 3 . Эта реакция останавливает дальнейшее сжатие звезды. Тепло, выделяющееся в процессе термоядерной реакции горения водорода, создаёт давление, которое противодействует гравитационному сжатию и не позволяет звезде коллапсировать. Происходит качественное изменение механизма выделения энергии в звезде. Если до начала ядерной реакции горения водорода нагревание звезды происходило, главным образом, за счёт гравитационного сжатия, то теперь появляется другой доминирующий механизм – энергия выделяется за счёт ядерных реакций синтеза.

Звезда приобретает стабильные размеры и светимость, которые для звезды с массой, близкой к солнечной, не меняется в течение миллиардов лет, пока происходит «сгорание» водорода. Это самая длительная стадия звёздной эволюции. В результате сгорания водорода из каждых четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия. Наиболее вероятная цепочка ядерных реакций на Солнце, приводящих к этому, носит название протон-протонного цикла и выглядит следующим образом:

p + p → 2 H + e + + ν e + 0.42 МэВ,
p + 2 H → 3 He + 5.49 МэВ,
3 He + 3 He → 4 He + p + p + 12.86 МэВ

или в более компактном виде

4p → 4 He + 2e + + 2ν e + 24.68 МэВ.

Единственным источником, дающим информацию о событиях, происходящих в недрах Солнца, являются нейтрино. Спектр нейтрино, образующихся на Солнце в результате горения водорода в реакции 4p → 4 He и в CNO-цикле, простирается от энергии 0.1 МэВ до энергии ~12 МэВ. Наблюдение солнечных нейтрино позволяет осуществить непосредственную проверку модели термоядерных реакций на Солнце.
Выделяемая энергия в результате рр-цепочки составляет 26.7 МэВ. Испускаемые Солнцем нейтрино зарегистрированы наземными детекторами, что подтверждает протекание на Солнце реакции синтеза.
Горение водорода. CNO-цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному связыванию 4-х протонов с образованием в конце CNO-цикла ядра 4 Не

l2 C + p → 13 N + γ
13 N → 13 C + e + + ν
13 C + p → 1 4 N + γ
14 N + p → 15 O + γ
15 O → 15 N + e + + ν
15 N + p → 12 C + 4 He

CNO-цикл

Цепочка реакций I

12 C + p → 13 N + γ (Q = 1.94 МэВ),
13 N → 13 C + e + + ν e (Q = 1.20 МэВ, T 1/2 = 10 мин),
13 C + p → 1 4 N + γ (Q = 7.55 МэВ),
14 N + p → 15 O + γ (Q = 7.30 МэВ),
15 O → 15 N + e + + ν e (Q = 1.73 МэВ, T 1/2 = 124 с),
15 N + p → 12 C + 4 He (Q = 4.97 МэВ).

Цепочка реакций II

15 N + p → 16 O + γ (Q = 12.13 МэВ),
16 O + p → 17 F + γ (Q = 0.60 МэВ),
17 F → 17 O + e + + ν e (Q = 1.74 МэВ, T 1/2 =66 c),
17 O + p → 14 N + ν (Q = 1.19 МэВ).

Цепочка реакций III

17 O + p → 18 F + γ (Q = 6.38 МэВ),
18 F → 18 O + e + + ν e (Q = 0.64 МэВ, T 1/2 =110 мин),
18 O + p → 15 N + α (Q = 3.97 МэВ).

Основное время эволюции звезды связано с горением водорода. При плотностях, характерных для центральной части звезды, горение водорода происходит при температуре (1–3)∙10 7 К. При этих температурах требуется 10 6 – 10 10 лет для того, чтобы значительная часть водорода в центре звезды переработалась в гелий. При дальнейшем повышении температуры в центре звезды могут образовываться более тяжелые химические элементы Z > 2. Звезды главной последовательности сжигают водород в центральной части, где из-за более высокой температуры ядерные реакции происходят наиболее интенсивно. По мере выгорания водорода в центре звезды реакция горения водорода начинает перемещаться к периферии звезды. Температура в центре звезды непрерывно возрастает и когда она достигнет 10 6 К начинаются реакции горения 4 Не. Реакция 3α → 12 C + γ наиболее важна для образования химических элементов. Она требует одновременного соударения трех α-частиц и возможна благодаря тому, что энергия реакции 8 Be + 4 He совпадает с резонансом возбужденного состояния 12 C. Наличие резонанса резко увеличивает вероятность слияния трех α-частиц.

Образование средних ядер A < 60. Какие ядерные реакции будут происходить в центре звезды, зависит от массы звезды, которая должна обеспечить высокую температуру за счет гравитационного сжатия в центре звезды. Так как теперь в реакциях синтеза участвуют ядра с большим Z, центральная часть звезды сжимается всё больше, температура в центре звезды повышается. При температурах несколько миллиардов градусов происходит разрушение ранее образовавшихся стабильных ядер, образуются протоны, нейтроны, α-частицы, высокоэнергичные фотоны, что приводит к образованию химических элементов всей Периодической таблицы Менделеева вплоть до железа. Образование химических элементов тяжелее железа происходит в результате последовательного захвата нейтронов и последующего β - -распада.
Образование средних и тяжелых ядер A > 60. В процессе термоядерного синтеза в звёздах образуются атомные ядра вплоть до железа. Дальнейший синтез невозможен, так как ядра группы железа обладают максимальной удельной энергией связи. Образованию более тяжёлых ядер в реакциях с заряженными частицами - протонами и другими лёгкими ядрами − препятствует увеличивающийся кулоновский барьер тяжелых ядер.

Образование элементов 4 He → 32 Ge.

Эволюция массивной звезды M > M

По мере вовлечения в процесс горения элементов с всё большими значениями Z температура и давление в центре звезды увеличиваются со всё возрастающей скоростью, что в свою очередь увеличивает скорость ядерных реакций. Если для массивной звезды реакция горения водорода продолжается несколько миллионов лет, то горение гелия происходит в 10 раз быстрее. Процесс горения кислорода длится около 6 месяцев, а горение кремния происходит за сутки.
Распространённость элементов, расположенных в области за железом, относительно слабо зависит от массового числа А. Это свидетельствует об изменении механизма образования этих элементов. Необходимо принять во внимание то, что большинство тяжёлых ядер являются β- радиоактивными. В образовании тяжёлых элементов решающую роль играют реакции захвата ядрами нейтронов (n, γ):

(A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

В результате цепочки чередующихся процессов захвата ядрами одного или нескольких нейтронов с последующим β - -распадом увеличиваются массовые числа А и заряд Z ядер и из исходных элементов группы железа образуются все более тяжёлые элементы вплоть до конца Периодической таблицы.

В стадии сверхновой центральная часть звезды состоит из железа и незначительной доли нейтронов и α-частиц – продуктов диссоциации железа под действием γ- квантов. В районе
M/M = 1.5 преобладает 28 Si. 20 Ne и 16 О составляют основную долю вещества в области от 1.6 до 6 M/M. Внешняя оболочка звезды (M/M > 8) состоит из водорода и гелия.
На этой стадии в ядерных процессах происходит не только выделение энергии, но и её поглощение. Массивная звезда теряет устойчивость. Происходит взрыв Сверхновой, при котором значительная часть химических элементов, образовавшихся в звезде, выбрасывается в межзвездное пространство. Если звезды первого поколения состояли из водорода и гелия, то в звездах последующих поколений уже в начальной стадии нуклеосинтеза присутствуют более тяжелые химические элементы.

Ядерные реакции нуклеосинтеза. Е. Бербидж, Г. Бербидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 году дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер.

1. Горение водорода, в результате этого процесса образуются ядра 4 Не.

Горение гелия. В результате реакции 4 Не + 4 Не + 4 Не → 12 С + γ образуются ядра 12 С.

2. α-процесс. В результате последовательного захвата α-частиц образуются α-частичные ядра 16 O, 20 Ne, 24 Mg, 28 Si, ...
3. е-процесс. При достижении температуры 5∙10 9 К в звездах в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до Fe и Ni. Ядра с А ~ 60 – наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них заканчивается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровождающихся выделением энергии.
4. s-процесс. Ядра тяжелее Fe образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов. Очень часто ядро, захватившее нейтрон, оказывается β - -радиоактивным. Прежде чем ядро захватит следующий нейтрон, оно может распасться в результате β - -распада. Каждый β - -распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер на единицу. Если интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов β - -распада, процесс захвата нейтронов называется s-процессом (slow). Таким образом, ядро в результате захвата нейтронов и последующих β - -распадов становится все тяжелее, но при этом оно не отходит слишком далеко от долины стабильности на N-Z-диаграмме.
5. r-процесс. Если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше скорости β - -распада атомного ядра, то оно успевает захватить сразу большое число нейтронов. В результате r-процесса образуется нейтроноизбыточное ядро, сильно удаленное от долины стабильности. Лишь затем оно, в результате последовательной цепочки β - -распадов, превращается в стабильное ядро. Обычно считается, что г-процессы происходят в результате взрывов Сверхновых.
6. Р-процесс. Некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (γ ,n ) или в реакциях под действием нейтрино.

Синтез трансурановых элементов. В Солнечной системе сохранились лишь те химические элементы, время жизни которых больше возраста Солнечной системы. Это 85 химических элементов. Остальные химические элементы были получены в результате различных ядерных реакций на ускорителях или в результате облучения в ядерных реакторах. Синтез первых трансурановых элементов в лабораторных условиях был осуществлен с помощью ядерных реакций под действием нейтронов и ускоренных α-частиц. Однако дальнейшее продвижение к более тяжелым элементам оказалось таким способом практически невозможным. Для синтеза элементов тяжелее менделевия Md (Z = 101) используют ядерные реакции с более тяжелыми многозарядными ионами – углеродом, азотом, кислородом, неоном, кальцием. Для ускорения тяжелых ионов начали строиться ускорители многозарядных ионов.

Нобелевская премия по физике
1983 г. − В. Фаулер
За теоретические и экспериментальные исследования ядерных процессов важных при образовании химических элементов во Вселенной.

Год открытия	Химический элемент	Z	Реакция
1936	Np, Pu	93, 94
1945	Am	95
1961	Cm	96
1956	Bk	97
1950	Cf	98
1952	Es	99
1952	Fm	100
1955	Md	101
1957	No	102
1961	Lr	103
1964	Rf	104
1967-1970	Db	105
1974	Sg	106
1976	Bh	107
1984-1987	Hs	108
1982	Mt	109
1994	Ds	110
1994	Rg	111
1996	Cn	112
2004		113, 115
1998		114
2000		116
2009		117
2006		118

Э.Резерфорд: «Если существуют элементы более тяжелые чем уран, то вполне вероятно, что они окажутся радиоактивными. Исключительная чувствительность методов химического анализа, основанная на радиоактивности, позволит опознать эти элементы, даже если они будут присутствовать в ничтожно малых количествах. Поэтому можно ожидать, что число радиоактивных элементов в незначительных количествах гораздо больше, чем три известных в настоящее время радиоактивных элемента. Чисто химические методы исследования окажутся малопригодными на первом этапе изучения таких элементов. Основными факторами здесь являются постоянство излучения, их характеристики и существование или отсутствие эманаций или других продуктов распада».

Химический элемент с максимальным порядковым номером Z = 118 был синтезирован в Дубне в сотрудничестве с Ливерморской лабораторией США. Верхняя граница существования химических элементов связана с их нестабильностью относительно радиоактивного распада. Дополнительная устойчивость атомных ядер наблюдается вблизи магических чисел. Согласно теоретическим оценкам должны существовать дважды магические числа Z = 108, N = 162 и Z = 114, N = 184. Период полураспада ядер, имеющих такие числа протонов и нейтронов, может составить сотни тысяч лет. Это так называемые «острова стабильности». Проблема образования ядер «острова стабильности» состоит в сложности подбора мишеней и ускоряемых ионов. Синтезированные в настоящее время изотопы 108 – 112 элементов имеют слишком малое число нейтронов. Как следует из измеренных периодов полураспада изотопов 108 – 112 элементов увеличение числа нейтронов на 6 – 10 единиц (т.е. приближение к острову стабильности) приводит к увеличению периода α-распада в 10 4 – 10 5 раз.
Так как число сверхтяжелых ядер Z > 110 исчисляется единицами, необходимо было разработать метод их идентификации. Идентификация вновь образованных химических элементов проводится по цепочкам их последовательных α-распадов, что увеличивает надежность результатов. Такой метод идентификации трансурановых элементов имеет преимущество перед всеми другими методами, т.к. основан на измерении коротких периодов α-распада. В то же время химические элементы острова стабильности по теоретическим оценкам могут иметь периоды полураспада, превышающие месяцы и годы. Для их идентификации необходима разработка принципиально новых методов регистрации, основанных на идентификации единичного числа ядер в течение нескольких месяцев.

Г. Флеров, К, Петржак: «Предсказание возможного существования новой области в периодической системе элементов Д.И. Менделеева - области сверхтяжелых элементов (СТЭ) - является для науки об атомном ядре одним из самых существенных следствий эксперимен­тального и теоретического исследований процесса спонтанного деления. Сумма наших знаний об атомном ядре, полученная на протяжении по­следних четырех десятилетий, делает это предсказание достаточно надеж­ным и. что важно, не зависящим от выбора того или иного конкретного варианта оболочечной модели. Ответ на вопрос о существовании СТЭ означал бы, пожалуй, наиболее критическую проверку самой концепции об оболочечной структуре ядра - основной ядерной модели, успешно выдерживавшей до сих пор многие испытания при объяснении свойств известных атомных ядер.
Более конкретно устойчивость самых тяжелых ядер определяется главным образом их спонтанным делением, и потому необходимым условием существования таких ядер является наличие у них барьеров относительно деления. Для ядер от урана до фермия оболочечная составляющая в барье­ре деления, хотя и приводят к некоторым интереснейшим физическим явлениям, все же не оказывает критического влияния на их стабильность и проявляется в суперпозиции с жидкокапелъной составляющей барьера. В области СТЭ капельная составляющая барьера полностью исчезает, и ста­бильность сверхтяжелых ядер определяется проницаемостью чисто оболочечного барьера.
Вместе с тем, если для принципиального существования ядер СТЭ достаточно наличия барьера, то для экспериментальной проверки такого предсказания требуется знание времени жизни ядер СТЭ относительно спонтанного деления, так как при любой конкретной постановке эксперимента по их поиску невозможно охватить весь диапазон времен жизни - от 10 10 лет до 10 -10 с. Выбор методики эксперимента существенно зависит от того, в каком интервале времен жизни проводится исследование.
Как уже говорилось, неопределенность теоретического расчета периода спонтанного деления T SF слишком велика – не менее 8–10 порядков. Эта неопределенность априори не исключает ни одной из возможностей получения или обнаружения СТЭ, и в качестве направлений экспериментального решения проб­лемы можно выбрать как поиск СТЭ в природе (на Земле, в объектах космического происхождения, в составе космического излучения и т.д.), так и искусственное получение элементов на ускорителях (в ядерных реакциях между сложными ядрами).
Очевидно, что поиск СТЭ в земных объектах может привести к успеху только при счаст­ливом стечении двух обстоятельств. С одной стороны, должен существовать эффективный механизм нуклеосинтеза, с достаточной вероятностью приводящий к образованию атомных ядер СТЭ. С другой стороны, нужно, чтобы существовал хотя бы один нуклид, принадлежащий к новой области стабильности, который имел бы время жизни, сравнимое со временем жизни Земли, – 4.5 ·10 9 лет.
Если речь идет о присутствии СТЭ в объектах внеземного происхож­дении – в метеоритах, космическом излучении и т.п., то такие поиски могут привести к успеху даже в том случае, если время жизни ядер СТЭ существенно меньше 10 10 лет: такие объекты могут оказаться значительно моложе земных образцов (10 7 –10 8 лет)».

Главная » Грамматика » Наибольшее количество гелия содержится в ядре земли. Почему запасы гелия подходят к концу? Гелий в горных породах