Месяц назад, 16 октября, от гравитационно-волновых обсерваторий «LIGO», «Virgo» и целого ряда иных крупных международных научных групп поступило сообщение касательно крайне значимого для астрономии современности открытия. Свыше 70 обсерваторий, специализирующихся в плане всех диапазонов электромагнитного спектра, а ещё все 3 функционирующие гравитационно-волновые обсерватории в первый раз подробно продемонстрировали информацию касательно слияния двух звёзд нейтронного типа. В данном материале мы поведаем, что же именно увидели учёные и какие ответы касательно вопросов о нашей Вселенной были получены благодаря новому исследованию.
Как всё это было?
В этом году, 17 августа, в 15:41:04 по Москве детектор обсерватории «LIGO», находящейся в Хенфорде, что в Вашингтоне, уловил рекордно длинную волну гравитации. Сигнал длился приблизительно сто секунд. Это весьма большой временной промежуток, ведь прежние 4 фиксации волн гравитации длились не больше трёх секунд. В этом случае сработала автоматическая программ оповещения. Астрономами осуществлена проверка сведений, в результате чего было выявлено, что, оказывается, 2-ой детектор «LIGO», располагаемый в Луизиане, тоже уловил волну, но в этом же случае автоматический триггер не сработал ввиду краткосрочных шумов.
На 1,7 сек. позднее первого детектора, независимо от него же, сработала автоматическая система телескопов «Интеграл» и «Ферми», являющихся космическими гамма-обсерваториями, наблюдающими за одними из самых высокоэнергетических событий всей Вселенной. Приборами была зафиксирована яркая вспышка и приблизительно определены её же координатные данные. Вспышка же здесь длилась всего-навсего 2 сек. в отличие от сигнала гравитации. Примечательно, что российско-европейским «Интегралом» был замечен гамма-всплеск, так сказать, «боковым зрением», то есть «защитными кристаллами» главного детектора. Однако, это не стало помехой процессу триангуляции сигнала.
Приблизительно спустя час «LIGO» распространила информацию касательно потенциально возможных координатных данных источника волн гравитации. Установка данной области осуществилась за счёт того, что сигнал был замечен и детектором «Virgo». Задержки, с которыми устройства получали сигнал, сказали, что, скорее всего, источник располагается на юге, ведь сначала сигнал уловил «Virgo», а только после этого, как прошло 22 миллисекунды, его зафиксировала и обсерватория «LIGO». Изначально область, которую рекомендовали в целях поиска, доходила до 28 квадратных градусов. Этот показатель эквивалентен сотням лунных площадей.
На следующем этапе было осуществлено объединение информации гамма- и гравитационных обсерваторий в единое целое и начался поиск точного источника излучения. Физиками было инициировано в миг несколько оптических поисков, ведь и гамма-телескопы, и гравитационные обсерватории не давали возможности нахождения требуемой точки с высокой точностью.
Один из поисков осуществлялся посредством применения роботизированной системы телескопов под названием «МАСТЕР», которая была создана в ГАИШ МГУ.
Именно чилийский метровой телескоп «Swope» сумел найти среди тысяч потенциальных кандидатов требуемую вспышку. Он это сделал спустя 11 ч. после гравитационных волн. Астрономами была зафиксирована новая светящаяся точка в галактике «NGC 4993», находящейся в созвездии Гидры. Яркость данной точки была не выше 17 звёздной величины. Подобный объект находится в доступности для наблюдения с применением полупрофессиональных телескопов.
Спустя приблизительно час после этого, невзирая на «Swope», источник был найден ещё четырьмя обсерваториями, включая телескоп сети «МАСТЕР» из Аргентины. Затем же и началась глобальная наблюдательная компания, в которой задействовали телескопы Южной европейской обсерватории, такие знаменитые аппараты, как «Чандра» и «Хаббл», массив радиотелескопов VLA и ещё куча иных приборов. В совокупности за развитием событие наблюдали 70 учёных коллективов. Спустя 9 дней астрономы сумели добиться получения изображения в рентгеновском диапазоне, а через 16 же дней – даже в радиочастотном. Через какое-то время светило стало ближе к галактике, а в сентябре же наблюдения оказались невозможными.
Почему произошёл взрыв?
Столь характерную картину взрыва во множестве электромагнитных диапазонов предсказали и описали уже давно. В ней показывается столкновение двух звёзд нейтронного типа, являющихся ультракомпактными объектами, состоящими из нейтронной материи.
Учёные утверждают, что масса звёзд нейтронного типа доходит до 1,1 и 1,6 солнечной массы, что в сумме даёт 2,7. Впервые волны гравитации образовались при достижении расстояния между объектами в 300 км.
Неожиданным оказалось малое расстояние от данной системы до нас. Оно равнялось 130 млн. световых лет, а ведь это всего лишь в 50 раз больше, нежели расстояние от нас до туманности Андромеды, а также практически на порядок наоборот меньше расстояния от нас до чёрных дыр, которые столкнулись, как нам показывают «LIGO» и «Virgo». Также столкновение это выступили самым близким к нам источником короткого гамма-всплеска.
Что представляют собой звёзды нейтронного типа?
Эти уникальные звёзды формируются при так называемых коллапсах гигантов и сверхгигантов, имеющих массы, в 10-25 раз превышающие солнечную массу. Как можно описать их рождение? Вначале на определённом этапе масса звёздного ядра становится выше предела Чандрасекара, равного 1,4 массы Солнца. В этот момент как раз происходит нарушение равновесия между ядерной гравитацией, которая притягивает внешний слой звезды, и давлением электронов, которое выступает препятствием для процесса сжатия. Звезда же начинает сжатие, то есть коллапсирование. Показатели плотности и температуры ядерного вещества внезапно повышаются, протоны начинают захватывать электроны в результате чего образуются нейтроны, и при этом происходит выброс нейтрино. Спустя определённого время ядро уже почти полностью представляет собой множество нейтронов.
Энергетические выбросы, возникающие вследствие протон-электронных соединений, приводят к разрыву звёздной оболочки и уносят её же материал. Таким образом, возникает как раз взрыв сверхновой. В результате мы видим плотное ядро, имеющее тонкую оболочку и состоящее из нейтронов. Показатель плотности звезды нейтронного типа огромен. Его находят только через давление вырожденных нейтронов. Он доходит до значения 4–6×1017 кг/м3. Одна капля нейтронной материи, равная 0,030 миллилитра, по весу превышает десяток млн. т. Это сравнимо с сотней доверху загруженных поездов грузового назначения. В то же время характерные размеры таких звёзд не так уж велики – всего где-то около 10 км. в одном дм. Отметим, что такая звезда может быть помещена даже в московской Третье транспортное кольцо.
Помимо большого показателя плотности, у звёзд такого типа имеются мощные магнитные поля. Индукция их достигает тысячи-триллионы тесла, а ведь земное магнитное поле не превышает по этому показателю и 0,065 тесла. У части таких звёзд после взрыва появляется большой угловой момент. Таким образом образуются такие уникальные объекты, как пульсары.
В настоящее время учёные не пришли ещё к единой картине устройства нейтронной материи. Не было ещё построено специальное уравнение её состояния. Вместе с тем есть информация, что у «Нейтрония» имеются такие свойства, как сверхтекучесть и сверхпроходимость.
Двойные же звёзды нейтронного типа знают уже с 1974 г. Одна из подобных систем в то время была открыта нобелевскими лауреатами Расселом Халсом и Джозефом Тейлором. Но все известные двойные такие звёзды всё ещё были расположены в нашей же галактике, а стабильности их орбиты хватало, чтобы они не соударились друг с другом на протяжении обозримых миллионов лет. Новая пара звёзд была сближена настолько, что это запустили процесс взаимодействия, а там и переноса вещества.
Событие назвали килоновой. Если говорить дословно, это выглядит так, что яркость вспышки была приблизительно в тысячу раз большей по мощности, нежели обычные вспышки новых звёзд, являющихся двойными системами, где компактный компаньон занимается перетягиванием на себя же материи.
Полное собрание сведений уже даёт возможность учёным считать данное событие ураеугольным камнем будущей гравитационно-волновой астрономии. Результаты обработки информации заложили основу в написание в течение двух месяцев примерно 30 статей в популярных журналах. Таким образом, 7 статей опубликовали в «Nature», 7 – в «Science», а другие же работы были обнародованы в «Astrophysical Journal Letters» и прочих изданиях научной тематики. В качестве соавторов одной из данных статей выступило 4600 астрономов из совершенно разных коллабораций. Это число астрономов составляет свыше трети астрономов по всему миру.
Итак, мы дошли до ключевых вопросов, на которые учёные со всей серьёзности сумели дать настоящий ответ.
Что способствует запуску коротких гамма-всплесков?
Гамма-всплески являются одними из самых высокоэнергетических явлений во всей Вселенной. По мощности один такой всплеск достигает такого значения, что за секунды способно выбросить в окружающую среду энергию, равную по количеству солнечной, генерируемой в течение десятка млн. лет. Принято разделять короткие гамма-всплески от длинных. В то же время считают, что это совершенно разные по своему принципу явления. Например, в качестве источника длинных всплесков выступают коллапсы звёзд огромных масс.
В качестве же источника коротких гамма-всплесков, согласно некоторым предположениям, считают слияния звёзд нейтронного типа. Но всё ещё не было прямых подтверждений этим предположениям. Новые же наблюдения уже являются весьма веским в настоящее время доказательством существования данного механизма.
Как во Вселенной возникают золото и прочие тяжёлые элементы?
Нуклеосинтез является слиянием звёздных ядер в самих светилах. Этот процесс даёт возможность получения огромного спектра химических элементов. В случае лёгких ядер реакции слияния проходят с выделением энергии. В общем данные реакции являются энергетически выгодными. Для элементов же, масса которых примерно как и масса железа, выигрыш в энергетическом плане уже не столь значителен. По этой причине в звёздах практически не возникают элементы, масса которых превышает массу железа. В качестве исключения можно выделить взрывы сверхновых. Однако, их отнюдь не достаточно для объяснения распространённости золота, урана, лантанидов и прочих тяжёлых элементов, образуемых по всей Вселенной.
Стоит вспомнить, что ещё в 1989 г. физиками было сделано предположение, что здесь в процессе поучаствовал r-нуклеосинтез, происходящий в слияниях звёзд нейтронного типа. Более подробно касательно этой информации можно вычитать в блоге специалиста в сфере астрофизики Марата Мусина. Доселе о данном процессе говорили лишь в теории. Теперь же всё изменилось.
Спектральные исследования нового события говорят об отчётливых следах возникновения тяжёлых элементов. Таким образом, спектрометры, огромный телескоп «VLT» и знаменитый «Хаббл» помогли астрономам в обнаружении наличия в космосе золота, цезия, платины и теллура. Ещё имеются свидетельства возникновения сурьмы, ксенома и иода. Физики привели оценочную информацию, в которой говорится, что после столкновения был произведён выброс общей массы лёгких и тяжёлых элементов, равной 40 массам Юпитера. Одно ли золото, как говорят теоретические модели, возникает столько, что это равно приблизительно 10 массам Луны.
Чему равна константа Хаббла?
Экспериментальная оценка скорости расширения Вселенной может проводиться посредством специальных «стандартных свечей», являющихся объектами, для которых известен показатель абсолютной яркости. Это означает, что соотношение между показателями абсолютной яркости и видимой позволяет сделать заключение о дальности их нахождения. Скорость расширения на такой дистанции от наблюдателя находится с применением доплеровского смещения, к примеру, водородных линий. Роль «стандартных свечей» взяли на себя роль, к примеру, сверхновые Ia типа, являющиеся «взрывами» белых карликов. Стоит добавить, что именно на их выборке и доказали факт расширения Вселенной.
Константа Хаббла же позволяет задать линейную зависимость показателя скорости расширения Вселенной на этой дистанции. Каждое из независимых определений её значения даёт возможность быть уверенными в принятой ныне космологии.
Источники волн гравитации тоже выступают как так называемые «стандартные свечи». По-иному их называют ещё «сиренами». Характер волн гравитации, создаваемые этими свечами, позволяет независимо определить дистанцию до них. Именно это и было использовано астрономами в одной из своих новых работ. Результат приравнивается и с прочими независимыми измерениями, а именно основанными на реликтовом излучении и на наблюдениях за гравитационно-линзированными объектами. Константа приблизительно остаётся равной 62-82 км. в сек. на мегапарсек. Это значит, что две галактики, что удалены на 3,2 млн. световых лет, в среднем имеют разбег со скорость в 70 км/с. Новые же слияния звёзд нейтронного типа дадут возможность увеличения точности данной оценки.
Как "устроена" гравитация?
Всеми принятая ныне общая теория относительности точно предсказывает поведение волн гравитации. Но квантовая же теория гравитации всё ещё не была разработана. Существует некоторое число гипотез касательно того, как «устроена» гравитация. Они представлены в виде теоретических конструкций с большим числом неизвестного рода параметров. Одновременное наблюдение электромагнитного излучения и волн гравитации даст возможность выявить и сделать несколько уже границы для данных параметров, а ещё отбросить какие-то гипотезы, признанные несостоятельными.
Например, существует факт того, что волны гравитации возникли за 1,7 сек. до гамма-квантов. Это как раз и говорит, что они в действительности расходятся со скоростью света. Также саму величину задержки можно применить в целях проверки принципа эквивалентности, что лежит в основе ОТО.
Как устроены звёзды нейтронного типа?
Нам известно строение таких звёзд только в общих чертах, поверхностно. Они имеют кору, состоящую из тяжёлых элементов, а также ядро, в основе которого, как мы и сказали выше, лежат нейтроны. Однако, мы всё ещё не знаем уравнения состояния нейтронной материи в самом ядре. А ведь это важно, так как именно это поможет понять, что же было образовано во время столкновения, наблюдавшегося астрономами.
Как и по отношению к белым карликам, так и к звёздам нейтронного типа мы можем применить понятие критической массы. При превышении данной массы есть риск начала процесса коллапса. По мере того, превысила ли масса нового тела критическую отметку или же нет, имеется несколько вариантов последующего развития событий. Если суммарно масса будет излишне большой, объект внезапно станет коллапсировать в чёрную дыру. Если же масса несколько меньше, есть риск возникновения неравновесной быстровращающейся звезды нейтронного типа, которая так же с течением времени коллапсирует в чёрную дыру. В качестве альтернативы здесь можно рассмотреть образование магнетара. Это быстровращающаяся звезда нейтронного типа, имеющая огромное магнитное поле. Видимо, магнетар не был образован в столкновении, и учёные не сумели зафиксировать сопутствующее ему излучение рентгеновского типа.
Владимир Липунов, являющийся руководителем сети «МАСТЕР», ныне информации не хватает для выяснения, что же там возникло вследствие слияния. Но астрономы уже собираются предоставить несколько теорий и планируют выложить их на публику в ближайшие дни. Вероятно, благодаря будущим слияниям звёзд учёные сумеют выявить искомую критическую массу.
Валерий Митрофанов, являющийся профессоров физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, высказался, что в обозримом будущем они (учёные) ожидают регистрации волн гравитации и от прочих источников, например, от непрерывных источников излучения, стохастических волн и гравитационного реликтового излучения, но для таких целей потребуется существенное повышение чувствительности детекторов. Также он отметил, что ещё весьма интересно на сегодняшний день заниматься поисков новых неизведанных источников.
В таблице Менделеева, принятой у нас, приводятся русские названия элементов. У подавляющего числа элементов они фонетически близки к латинским: аргон - argon, барий - barium, кадмий - cadmium и т.д. Аналогично называются эти элементы и в большинстве западноевропейских языков. У некоторых же химических элементов названия в разных языках совершенно различны.
Всё это не случайно. Наибольшие отличия в названиях тех элементов (либо их самых распространённых соединений), с которыми человек познакомился в древности или в начале средних веков. Это семь металлов древних (золото, серебро, медь, свинец, олово, железо, ртуть, которые сопоставлялись с известными тогда планетами, а также сера и углерод). Они встречаются в природе в свободном состоянии, и многие получили названия, соответствующие их физическим свойствам.
Вот наиболее вероятное происхождение этих названий:
Золото
С древнейших времен блеск золота сопоставлялся с блеском солнца (sol). Отсюда - русское «золото». Слово gold в европейских языках связано с греческим богом Солнца Гелиосом. Латинское aurum означает «жёлтое» и родственно с «Авророй» (Aurora) - утренней зарёй.
Серебро
По-гречески серебро - «аргирос», от «аргос» - белый, блистающий, сверкающий (индоевропейский корень «арг» - пылать, быть светлым). Отсюда - argentum. Интересно, что единственная страна, названная по химическому элементу (а не наоборот), - это Аргентина. Слова silver, Silber, a также серебро восходят к древнегерманскому silubr, происхождение которого неясно (возможно, слово пришло из Малой Азии, от ассирийского sarrupum - белый металл, серебро).
Железо
Происхождение этого слова доподлинно неизвестно; по одной из версий, оно родственно слову «лезвие». Европейские iron, Eisen происходят от санскритского «исира» - крепкий, сильный. Латинское ferrum происходит от fars - быть твёрдым. Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus - звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно.
Сера
Происхождение латинского sulfur неизвестно. Русское название элемента обычно производят от санскритского «сира» - светло-желтый. Интересно было бы проследить, нет ли родства у серы с древнееврейским серафим - множительным числом от сераф; буквально «сераф» означает «сгорающий», а сера хорошо горит. В древнерусском и старославянском сера - вообще горючее вещество, в том числе и жир.
Свинец
Происхождение слова неясно; во всяком случае, ничего общего со свиньей. Самое удивительное здесь то, что на большинстве славянских языков (болгарском, сербско-хорватском, чешском, польском) свинец называется оловом! Наш «свинец» встречается только в языках балтийской группы: svinas (литовский), svin (латышский).
Английское название свинца lead и голландское lood, возможно, связаны с нашим «лудить», хотя лудят опять же не ядовитым свинцом, а оловом. Латинское же plumbum (тоже неясного происхождения) дало английское слово plumber - водопроводчик (когда-то трубы зачеканивали мягким свинцом), и название венецианской тюрьмы со свинцовой крышей - Пьомбе. Из этой тюрьмы по некоторым данным ухитрился бежать Казанова. А вот мороженое здесь ни при чём: пломбир произошёл от названия французского курортного городка Пломбьер.
Олово
В Древнем Риме олово называли «белым свинцом» (plumbum album), в отличие от plumbum nigrum - чёрного, или обыкновенного, свинца. По-гречески белый - алофос. По-видимому, от этого слова и произошло «олово», что указывало на цвет металла. В русский язык оно попало в XI веке и означало как олово, так и свинец (в древности эти металлы плохо различали). Латинское stannum связано с санскритским словом, означающим стойкий, прочный. Происхождение английского (а также голландского и датского) tin неизвестно.
Ртуть
Латинское hydrargirum произошло от греческих слов «хюдор» - вода и «аргирос» - серебро. «Жидким» (или «живым», «быстрым») серебром ртуть называется также в немецком (Quecksilber) и в староанглийском (quicksilver) языках, а по-болгарски ртуть - живак: действительно, шарики ртути блестят, как серебро, и очень быстро «бегают» - как живые. Современное английское (mercury) и французское (mercure) названия ртути произошли от имени латинского бога торговли Меркурия. Меркурий был также вестником богов, и его обычно изображали с крылышками на сандалиях или на шлеме. Так что бог Меркурий бегал так же быстро, как переливается ртуть. Ртути соответствовала планета Меркурий, которая быстрее других передвигается по небосводу.
Русское название ртути, по одной из версий, - это заимствование из арабского (через тюркские языки); по другой версии, «ртуть» связана с литовским ritu - качу, катаю, происшедшим от индоевропейского рет(х) - бежать, катиться. Литва и Русь были тесно связаны, а во 2-й половине XIV века русский язык был языком делопроизводства великого княжества Литовского, а также языком первых письменных памятников Литвы.
Углерод
Международное название происходит от латинского carbo - уголь, связанного с древним корнем kar - огонь. Этот же корень в латинском cremare - гореть, а возможно, и в русском «гарь», «жар», «угореть» (в древнерусском «угорати» - обжигать, опалять). Отсюда - и «уголь». Вспомним здесь также игру горелки и украинскую горшку.
Медь
Слово того же происхождения, что и польское miedz, чешское med. У этих слов два источника - древненемецкое smida - металл (отсюда немецкие, английские, голландские, шведские и датские кузнецы - Schmied, smith, smid, smed) и греческое «металлон» - рудник, копь. Так что медь и металл - родственники сразу по двум линиям. Латинское cuprum (от него произошли и другие европейские названия) связано с островом Кипр, где уже в III веке до н.э. существовали медные рудники и производилась выплавка меди. Римляне называли медь cyprium aes - металл из Кипра. В позднелатинском cyprium перешло в cuprum. С местом добычи или с минералом связаны названия многих элементов.
Кадмий
Открыт в 1818 году немецким химиком и фармацевтом Фридрихом Штромейером в карбонате цинка, из которого на фармацевтической фабрике получали медицинские препараты. Греческим словом «кадмейа» с древних времён называли карбонатные цинковые руды. Название восходит к мифическому Кадму (Кадмосу) - герою греческой мифологии, брату Европы, царю Кадмейской земли, основателю Фив, победителю дракона, из зубов которого выросли воины. Кадм будто бы первым нашёл цинковый минерал и открыл людям его способность изменять цвет меди при совместной выплавке их руд (сплав меди с цинком - латунь). Имя Кадма восходит к семитскому «Ка-дем» - Восток.
Кобальт
В XV веке в Саксонии среди богатых серебряных руд обнаруживали блестящие, как сталь, белые или серые кристаллы, из которых не удавалось выплавить металл; их примесь к серебряной или медной руде мешала выплавке этих металлов. «Нехорошая» руда получила у горняков имя горного духа Коболда. По всей видимости, это были содержащие мышьяк кобальтовые минералы - кобальтин CoAsS, или сульфиды кобальта скуттерудит, сафлорит или смальтин. При их обжиге выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка. Вероятно, имя злого духа восходит к греческому «кобалос» - дым; он образуется при обжиге руд, содержащих сульфиды мышьяка. Этим же словом греки называли лживых людей. В 1735 году шведский минералог Георг Бранд сумел выделить из этого минерала не известный ранее металл, который и назвал кобальт. Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет - этим свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне.
Никель
Происхождение названия сходно с кобальтом. Средневековые горняки называли Никелем злого горного духа, а «купферникелем» (Kupfernickel, медный чёрт) - фальшивую медь. Эта руда внешне походила на медную и применялась в стекловарении для окрашивания стекол в зелёный цвет. А вот медь из неё никому получить не удавалось - её там не было. Эту руду - медно-красные кристаллы никелина (красного никелевого колчедана NiAs) в 1751 году исследовал шведский минералог Аксель Кронштедт и выделил из неё новый металл, назвав его никелем.
Ниобий и тантал
В 1801 году английский химик Чарлз Хатчет проанализировал чёрный минерал, хранившийся в Британском музее и найденный ещё в 1635 году на территории современного штата Массачусетс в США. Хатчет обнаружил в минерале оксид неизвестного элемента, который получил название Колумбии - в честь страны, где он был найден (в то время США ещё не имели устоявшегося названия, и многие называли их Колумбией по имени первооткрывателя континента). Минерал же назвали колумбитом. В 1802 году шведский химик Андерс Экеберг выделил из колумбита ещё один оксид, который упорно не хотел растворяться (как тогда говорили - насыщаться) ни в одной кислоте. «Законодатель» в химии тех времён шведский химик Йене Якоб Берцелиус предложил назвать содержащийся в этом оксиде металл танталом. Тантал - герой древнегреческих мифов; в наказание за свои противоправные действия он стоял по горло в воде, к которой склонялись ветви с плодами, но не мог ни напиться, ни насытиться. Аналогично и тантал не мог «насытиться» кислотой - она отступала от него, как вода от Тантала. По свойствам этот элемент настолько был похож на колумбий, что в течение длительного времени шли споры о том, являются ли Колумбий и тантал одним и тем же или всё же разными элементами. Только в 1845 году немецкий химик Генрих Розе разрешил спор, проанализировав несколько минералов, в том числе и колумбит из Баварии. Он установил, что на самом деле существуют два близких по свойствам элемента. Колумбий Хатчета оказался их смесью, а формула колумбита (точнее, манганоколумбита) - (Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6. Второй элемент Розе назвал ниобием, по имени дочери Тантала Ниобы. Однако символ Cb до середины XX века оставался в американских таблицах химических элементов: там он стоял на месте ниобия. А имя Хатчета увековечено в названии минерала хатчита.
Прометий
Его много раз «открывали» в различных минералах при поисках недостающего редкоземельного элемента, который должен был занимать место между неодимом и самарием. Но все эти открытия оказались ложными. Впервые недостающее звено в цепи лантанидов обнаружили в 1947 году американские исследователи Дж. Маринский, Л. Гленденин и Ч. Кориэлл, разделив хроматографически продукты деления урана в ядерном реакторе. Жена Кориэлла предложила назвать открытый элемент прометием, по имени Прометея, похитившего у богов огонь и передавшего его людям. Этим подчеркивалась грозная сила, заключенная в ядерном «огне». Жена исследователя оказалась права.
Торий
В 1828 году Й.Я. Берцелиус обнаружил в редком минерале, присланном ему из Норвегии, соединение нового элемента, который он назвал торием - в честь древнескандинавского бога Тора. Правда, название это Берцелиус придумал ещё в 1815 году, когда ошибочно «открыл» торий в другом минерале из Швеции. Это был тот редкий случай, когда сам исследователь «закрыл» якобы обнаруженный им элемент (в 1825 году, когда оказалось, что ранее у Берцелиуса был фосфат иттрия). Новый же минерал назвали торитом, это был силикат тория ThSiO4. Торий радиоактивен; период его полураспада 14 млрд. лет, конечный продукт распада - свинец. По количеству свинца в ториевом минерале можно определить его возраст. Так, возраст одного из минералов, найденного в штате Вирджиния, оказался равным 1,08 млрд. лет.
Титан
Считается, что этот элемент открыл немецкий химик Мартин Клапрот. В 1795 году он обнаружил в минерале рутиле оксид неизвестного металла, который назвал титаном. Титаны - в древнегреческой мифологии гиганты, с которыми боролись боги-олимпийцы. Через два года выяснилось, что элемент «менакин», который обнаружил в 1791 году английский химик Уильям Грегор в минерале ильмените (FeTiO3), тождествен титану Клапрота.
Ванадий
Открыт в 1830 году шведским химиком Нильсом Сефстремом в шлаке доменных печей. Назван в честь древнескандинавской богини красоты Ванадис, или Вана-Дис. В этом случае тоже выяснилось, что ванадий открывали и раньше, и даже не один раз - мексиканский минералог Андрее Мануэль дель Рио в 1801 году и немецкий химик Фридрих Вёлер незадолго до открытия Сефстрема. Но дель Рио сам отказался от своего открытия, решив, что имеет дело с хромом, а Вёлеру завершить работу помешала болезнь.
Уран, нептуний, плутоний
В 1781 году английский астроном Уильям Гершель открыл новую планету, которую назвали Ураном - по имени древнегреческого бога неба Урана, деда Зевса. В 1789 году М. Клапрот выделил из минерала смоляной обманки чёрное тяжёлое вещество, которое он принял за металл и, по традиции алхимиков, «привязал» его название к недавно открытой планете. А смоляную обманку он переименовал в урановую смолку (именно с ней работали супруги Кюри). Лишь спустя 52 года выяснилось, что Клапрот получил не сам уран, а его оксид UO2.
В 1846 году астрономы открыли предсказанную незадолго до этого французским астрономом Леверье новую планету. Её назвали Нептуном - по имени древнегреческого бога подводного царства. Когда в 1850 году в минерале, привезенном в Европу из США, обнаружили, как полагали, новый металл, его, под впечатлением открытия астрономов, предложили назвать нептунием. Однако вскоре выяснилось, что это был уже открытый ранее ниобий. О «нептунии» забыли почти на целое столетие, пока в продуктах облучения урана нейтронами не обнаружили новый элемент. И как в Солнечной системе за Ураном следует Нептун, так и в таблице элементов за ураном (№ 92) появился нептуний (№ 93).
В 1930 году была открыта девятая планета Солнечной системы, предсказанная американским астрономом Ловеллом. Её назвали Плутоном - по имени древнегреческого бога подземного царства. Поэтому было логично назвать следующий за нептунием элемент плутонием; он был получен в 1940 году в результате бомбардировки урана ядрами дейтерия.
Гелий
Обычно пишут, что его открыли спектральным методом Жансен и Локьер, наблюдая полное солнечное затмение в 1868 году. На самом деле всё было не так просто. Спустя несколько минут после окончания солнечного затмения, которое французский физик Пьер Жюль Жансен наблюдал 18 августа 1868 года в Индии, ему впервые удалось увидеть спектр солнечных протуберанцев. Аналогичные наблюдения провёл английский астроном Джозеф Норман Локьер 20 октября того же года в Лондоне, особо подчеркнув, что его способ позволяет изучать солнечную атмосферу во вне-затменное время. Новые исследования солнечной атмосферы произвели большое впечатление: в честь этого события Парижская академия наук вынесла постановление о чеканке золотой медали с профилями учёных. При этом ни о каком новом элементе речи не было.
Итальянский астроном Анджело Секки 13 ноября того же года обратил внимание на «замечательную линию» в солнечном спектре вблизи известной жёлтой D-линии натрия. Он предположил, что эту линию испускает водород, находящийся в экстремальных условиях. И только в январе 1871 года Локьер высказал идею, что эта линия может принадлежать новому элементу. Впервые слово «гелий» произнёс в своей речи президент Британской ассоциации содействия наукам Уильям Томсон в июле того же года. Название было дано по имени древнегреческого бога солнца Гелиоса. В 1895 году английский химик Уильям Рамзай собрал выделенный из уранового минерала клевеита при его обработке кислотой неизвестный газ и с помощью Локьера исследовал его спектральным методом. В результате «солнечный» элемент был обнаружен и на Земле.
Цинк
Слово «цинк» ввёл в русский язык М.В. Ломоносов - от немецкого Zink. Вероятно оно происходит от древнегерманского tinka - белый, действительно, самый распространённый препарат цинка - оксид ZnO («философская шерсть» алхимиков) имеет белый цвет.
Фосфор
Когда в 1669 году гамбургский алхимик Хеннинг Бранд открыл белую модификацию фосфора, он был поражён его свечением в темноте (на самом деле светится не фосфор а его пары при их окислении кислородом воздуха). Новое вещество получило название, которое в переводе с греческого означает «несущий свет». Так что «светофор» - лингвистически то же самое, что и «Люцифер». Кстати, греки называли Фосфоросом утреннюю Венеру, которая предвещала восход солнца.
Мышьяк
Русское название, наиболее вероятно, связано с ядом которым травили мышей, помимо прочего, по цвету серый мышьяк напоминает мышь. Латинское arsenicum восходит к греческому «арсеникос» - мужской, вероятно, по сильному действию соединений этого элемента. А для чего их использовали, благодаря художественной литературе знают все.
Сурьма
В химии у этого элемента три названия. Русское слово «сурьма» происходит от турецкого «сюрме» - натирание или чернение бровей в древности краской для этого служил тонко размолотый чёрный сульфид сурьмы Sb2S3 («Ты постом говей, не сурьми бровей». - М. Цветаева). Латинское название элемента (stibium) происходит от греческого «стиби» - косметического средства для подведения глаз и лечения глазных болезней. Соли сурьмяной кислоты называют антимонитами, название, возможно, связано с греческим «антемон» - цветок сростки игольчатых кристаллов сурьмяного блеска Sb2S2 похожи на цветы.
Висмут
Вероятно это искажённое немецкое «weisse Masse» - белая масса с древности были известны белые с красноватым оттенком самородки висмута. Кстати в западноевропейских языках (кроме немецкого) название элемента начинается на «b» (bismuth). Замена латинского «b» русским «в» - распространённое явление Abel - Авель, Basil - Василий, basilisk - василиск, Barbara - Варвара, barbarism - варварство, Benjamin - Вениамин, Bartholomew - Варфоломей, Babylon - Вавилон, Byzantium - Византия, Lebanon - Ливан, Libya - Ливия, Baal - Ваал, alphabet - алфавит… Возможно переводчики полагали, что греческая «бета» - это русская «в».
Водород, Hydrogenium, Н (1)Как горючий (воспламеняемый) воздух водород известен довольно давно. Его получали действием кислот на металлы, наблюдали горение и взрывы гремучего газа Парацельс, Бойль, Лемери и другие ученые XVI - XVIII вв. С распространением теории флогистона некоторые химики пытались получить водород в качестве "свободного флогистона". В диссертации Ломоносова "О металлическом блеске" описано получение водорода действием "кислотных спиртов" (например, "соляного спирта", т. е. соляной кислоты) на железо и другие металлы; русский ученый первым (1745) выдвинул гипотезу о том, что водород ("горючий пар" - vapor inflammabilis) представляет собой флогистон. Кавендиш, подробно исследовавший свойства водорода, выдвинул подобную же гипотезу в 1766 г. Он называл водород "воспламеняемым воздухом", полученным из "металлов" (inflammable air from metals), и полагал, как и все флогистики, что при растворении в кислотах металл теряет свой флогистон. Лавуазье, занимавшийся в 1779 г. исследованием состава воды путем ее синтеза и разложения, назвал водород Hydrogine (гидроген), или Hydrogene (гидрожен), от греч. гидро - вода и гайноме - произвожу, рождаю.
Номенклатурная комиссия 1787 г. приняла словопроизводство Hydrogene от геннао - рождаю. В "Таблице простых тел" Лавуазье водород (Hydrogene) упомянут в числе пяти (свет, теплота, кислород, азот, водород) "простых тел, относящихся ко всем трем царствам природы и которые следует рассматривать как элементы тел"; в качестве старых синонимов названия Hydrogene Лавуазье называет горючий газ (gaz inflammable), основание горючего газа. В русской химической литературе конца XVIII и начала XIX в. встречаются два рода названий водорода: флогистические (горючий газ, горючий воздух, воспламенительный воздух, загораемый воздух) и антифлогистические (водотвор, водотворное существо, водотворный газ, водородный газ, водород). Обе группы слов представляют собой переводы французских названий водорода.
Изотопы водорода были открыты в 30-x годах текущего столетия и быстро приобрели большое значение в науке и технике. В конце 1931 г. Юри, Брекуэдд и Мэрфи исследовали остаток после длительного выпаривания жидкого водорода и обнаружили в нем тяжелый водород с атомным весом 2. Этот изотоп назвали дейтерием (Deuterium, D) от греч. - другой, второй. Спустя четыре года в воде, подвергнутой длительному электролизу, был обнаружен еще более тяжелый изотоп водорода 3Н, который назвали тритием (Tritium, Т), от греч. - третий.
Гелий, Helium, Не (2)
В 1868 г. французский астроном Жансен наблюдал в Индии полное солнечное затмение и спектроскопически исследовал хромосферу солнца. Он обнаружил в спектре солнца яркую желтую линию, обозначенную им D3, которая не совпадала с желтой линией D натрия. Одновременно с ним эту же линию в спектре солнца увидел английский астроном Локьер, который понял, что она принадлежит неизвестному элементу. Локьер совместно с Франкландом, у которого он тогда работал, решил назвать новый элемент гелием (от греч. гелиос - солнце). Затем новая желтая линия была обнаружена другими исследователями в спектрах "земных" продуктов; так, в 1881 г. итальянец Пальмиери обнаружил ее при исследовании пробы газа, отобранного в кратере Везувия. Американский химик Гиллебранд, исследуя урановые минералы, установил, что они при действии крепкой серной кислоты выделяют газы. Сам Гиллебранд считал, что это азот. Рамзай, обративший внимание на сообщение Гиллебранда, подверг спектроскопическому анализу газы, выделяемые при обработке кислотой минерала клевеита. Он обнаружил, что в газах содержатся азот, аргон, а также неизвестный газ, дающий яркую желтую линию. Не имея в своем распоряжении достаточно хорошего спектроскопа, Рамзай послал пробы нового газа Круксу и Локьеру, которые вскоре идентифицировали газ как гелий. В том же 1895 г. Рамзай выделил гелий из смеси газов; он оказался химически инертным, подобно аргону. Вскоре после этого Локьер, Рунге и Пашен выступили с заявлением, что гелий состоит из смеси двух газов - ортогелий и парагелий; один из них дает желтую линию спектра, другой - зеленую. Этот второй газ они предложили назвать астерием (Asterium) от греч.- звездный. Совместно с Траверсом Рамзай проверил это утверждение и доказал, что оно ошибочно, так как цвет линии гелия зависит от давления газа.
Литий, Lithium, Li (3)
Когда Дэви производил свои знаменитые опыты по электролизу щелочных земель, о существовании лития никто и не подозревал. Литиевая щелочная земля была открыта лишь в 1817 г. талантливым химиком-аналитиком, одним из учеников Берцелиуса Арфведсоном. В 1800 г. бразильский минералог де Андрада Сильва, совершая научное путешествие по Европе, нашел в Швеции два новых минерала, названных им петалитом и сподуменом, причем первый из них через несколько лет был вновь открыт на острове Уте. Арфведсон заинтересовался петалитом, произвел полный его анализ и обнаружил необъяснимую вначале потерю около 4% вещества. Повторяя анализы более тщательно, он установил, что в петалите содержится "огнепостоянная щелочь до сих пор неизвестной природы". Берцелиус предложил назвать ее литионом (Lithion), поскольку эта щелочь, в отличие от кали и натра, впервые была найдена в "царстве минералов" (камней); название это произведено от греч.- камень. Позднее Арфведсон обнаружил литиевую землю, или литину, и в некоторых других минералах, однако его попытки выделить свободный металл не увенчались успехом. Очень небольшое количество металлического лития было получено Дэви и Бранде путем электролиза щелочи. В 1855 г. Бунзен и Маттессен разработали промышленный способ получения металлического лития электролизом хлорида лития. В русской химической литературе начала XIX в. встречаются названия: литион, литин (Двигубский, 1826) и литий (Гесс); литиевую землю (щелочь) называли иногда литина.
Бериллий, Beryllium, Be (4)
Содержащие бериллий минералы (драгоценные камни) - берилл, смарагд, изумруд, аквамарин и др.- известны с глубокой древности. Некоторые из них добывались на Синайском полуострове еще в XVII в. до н. э. В Стокгольмском папирусе (III в.) описываются способы изготовления поддельных камней. Название берилл встречается у греческих и латинских (Beryll) античных писателей и в древнерусских произведениях, например в "Изборнике Святослава" 1073 г., где берилл фигурирует под названием вируллион. Исследование химического состава драгоценных минералов этой группы началось, однако, лишь в конце XVIII в. с наступлением химико-аналитического периода. Первые анализы (Клапрот, Биндгейм и др.) не обнаружили в берилле ничего особенного. В конце XVIII в. известный минералог аббат Гаюи обратил внимание на полное сходство кристаллического строения берилла из Лиможа и смарагда из Перу. Вокелен произвел химический анализ обоих минералов (1797) и обнаружил в обоих новую землю, отличную от алюмины. Получив соли новой земли, он установил, что некоторые из них обладают сладким вкусом, почему и назвал новую землю глюцина (Glucina) от греч. - сладкий. Новый элемент, содержащийся в этой земле, был назван соответственно глюцинием (Glucinium). Это название употреблялось во Франции в XIX в., существовал даже символ - Gl. Клапрот, будучи противником наименования новых элементов по случайным свойствам их соединений, предложил именовать глюциний бериллием (Beryllium), указав, что сладким вкусом обладают соединения и других элементов. Металлический бериллий был впервые получен Велером и Бусси в 1728 г. путем восстановления хлорида бериллия металлическим калием. Отметим здесь выдающиеся исследования русского химика И. В. Авдеева по атомному весу и составу окисла бериллия (1842). Авдеев установил атомный вес бериллия 9,26 (совр. 9,0122), тогда как Берцелиус принимал его равным 13,5, и правильную формулу окисла.
О происхождении названия минерала берилл, от которого образовано слово бериллий, существует несколько версий. А. М. Васильев (по Диргарту) приводит следующее мнение филологов: латинское и греческое названия берилла могут быть сопоставлены с пракритским veluriya и санскритским vaidurya. Последнее является названием некоторого камня и происходит от слова vidura (очень далеко), что, по-видимому, означает какую-то страну или гору. Мюллер предложил другое объяснение: vaidurya произошло от первоначального vaidarya или vaidalya, а последнее от vidala (кошка). Иначе говоря, vaidurya означает приблизительно "кошачий глаз". Рай указывает, что в санскрите топаз, сапфир и коралл считались кошачьим глазом. Третье объяснение дает Липпман, который считает, что слово берилл обозначало какую-то северную страну (откуда поступали драгоценные камни) или народ. В другом месте Липпман отмечает, что Николай Кузанский писал, что немецкое Brille (очки) происходит от варварско-латинского berillus. Наконец, Лемери, объясняя слово берилл (Beryllus), указывает, что Berillus, или Verillus, означает "мужской камень".
В русской химической литературе начала XIX в. глюцина называлась - сладимая земля, сладозем (Севергин, 1815), сладкозем (Захаров, 1810), глуцина, глицина, основание глицинной земли, а элемент именовался глицинием, глицинитом, глицием, сладимцем и пр. Гизе предложил название бериллий (1814). Гесс, однако, придерживался названия глиций; его употреблял в качестве синонима и Менделеев (1-е изд. "Основ химии").
Бор, Borum, В (5)
Природные соединения бора (англ. Boron, франц. Воrе, нем. Bor), главным образом нечистая бура, известны с раннего средневековья. Под названиями тинкал, тинкар или аттинкар (Tinkal, Tinkar, Attinkar) бура ввозилась в Европу из Тибета; она употреблялась для пайки металлов, особенно золота и серебра. В Европе тинкал назывался чаще боракс (Воrax) от арабского слова bauraq и персидского - burah. Иногда боракс, или борако, обозначал различные вещества, например соду (нитрон). Руланд (1612) называет боракс хризоколлой - смолой, способной "склеивать" золото и серебро. Лемери (1698) тоже называет боракс "клеем золота" (Auricolla, Chrisocolla, Gluten auri). Иногда боракс обозначал нечто вроде "узды золота" (capistrum auri). В Александрийской, эллинистической и византийской химической литературе борахи и борахон, а также в арабской (bauraq) обозначали вообще щелочь, например bauraq arman (армянский борак), или соду, позже так стали называть буру.
В 1702 г. Гомберг, прокаливая буру с железным купоросом, получил "соль" (борную кислоту), которую стали называть "успокоительной солью Гомберга" (Sal sedativum Hombergii); эта соль нашла широкое применение в медицине. В 1747 г. Барон синтезировал буру из "успокоительной соли" и натрона (соды). Однако состав буры и "соли" оставался неизвестным до начала XIX в. В "Химической номенклатуре" 1787 г. фигурирует название horacique асid (борная кислота). Лавуазье в "Таблице простых тел" приводит radical boracique. В 1808 г. Гей-Люссаку и Тенару удалось выделить свободный бор из борного ангидрида, нагревая последний с металлическим калием в медной трубке; они предложили назвать элемент бора (Воrа) или бор (Воrе). Дэви, повторивший опыты Гей-Люссака и Тенара, тоже получил свободный бор и назвал его бораций (Boracium). В дальнейшем у англичан это название было сокращено до Boron. В русской литературе слово бура встречается в рецептурных сборниках XVII - XVIII вв. В начале XIX в. русские химики называли бор буротвором (Захаров, 1810), буроном (Страхов,1825), основанием буровой кислоты, бурацином (Севергин, 1815), борием (Двигубский, 1824). Переводчик книги Гизе называл бор бурием (1813). Кроме того, встречаются названия бурит, борон, буронит и др.
Углерод, Carboneum, С (6)
Углерод (англ. Carbon, франц. Carbone, нем. Kohlenstoff) в виде угля, копоти и сажи известен человечеству с незапамятных времен; около 100 тыс. лет назад, когда наши предки овладели огнем, они каждодневно имели дело с углем и сажей. Вероятно, очень рано люди познакомились и с аллотропическими видоизменениями углерода - алмазом и графитом, а также с ископаемым каменным углем. Не удивительно, что горение углеродсодержащих веществ было одним из первых химических процессов, заинтересовавших человека. Так как горящее вещество исчезало, пожираемое огнем, горение рассматривали как процесс разложения вещества, и поэтому уголь (или углерод) не считали элементом. Элементом был огонь - явление, сопровождающее горение; в учениях об элементах древности огонь обычно фигурирует в качестве одного из элементов. На рубеже XVII - XVIII вв. возникла теория флогистона, выдвинутая Бехером и Шталем. Эта теория признавала наличие в каждом горючем теле особого элементарного вещества - невесомого флюида - флогистона, улетучивающегося в процессе горения. Так как при сгорании большого количества угля остается лишь немного золы, флогистики полагали, что уголь - это почти чистый флогистон. Именно этим объясняли, в частности, "флогистирующее" действие угля, - его способность восстанавливать металлы из "известей" и руд. Позднейшие флогистики - Реомюр, Бергман и др. - уже начали понимать, что уголь представляет собой элементарное вещество. Однако впервые таковым "чистый уголь" был признан Лавуазье, исследовавшим процесс сжигания в воздухе и кислороде угля и других веществ. В книге Гитона де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа "Метод химической номенклатуры" (1787) появилось название "углерода" (carbone) вместо французского "чистый уголь" (charbone pur). Под этим же названием углерод фигурирует в "Таблице простых тел" в "Элементарном учебнике химии" Лавуазье. В 1791 г. английский химик Теннант первым получил свободный углерод; он пропускал пары фосфора над прокаленным мелом, в результате чего образовывался фосфат кальция и углерод. То, что алмаз при сильном нагревании сгорает без остатка, было известно давно. Еще в 1751 г. французский король Франц I согласился дать алмаз и рубин для опытов по сжиганию, после чего эти опыты даже вошли в моду. Оказалось, что сгорает лишь алмаз, а рубин (окись алюминия с примесью хрома) выдерживает без повреждения длительное нагревание в фокусе зажигательной линзы. Лавуазье поставил новый опыт по сжиганию алмаза с помощью большой зажигательной машины, и пришел к выводу, что алмаз представляет собой кристаллический углерод. Второй аллотроп углерода - графит - в алхимическом периоде считался видоизмененным свинцовым блеском и назывался plumbago; только в 1740 г. Потт обнаружил отсутствие в графите какой-либо примеси свинца. Шееле исследовал графит (1779) и, будучи флогистиком, счел его сернистым телом особого рода, особым минеральным углем, содержащим связанную "воздушную кислоту" (СО2) и большое количество флогистона.
Двадцать лет спустя Гитон де Морво путем осторожного нагревания превратил алмаз в графит, а затем в угольную кислоту.
Международное название Carboneum происходит от лат. carbo (уголь). Слово это очень древнего происхождения. Его сопоставляют с cremare - гореть; корень саr, cal, русское гар, гал, гол, санскритское ста означает кипятить, варить. Со словом "carbo" связаны названия углерода и на других европейских языках (carbon, charbone и др.). Немецкое Kohlenstoff происходит от Kohle - уголь (старогерманское kolo, шведское kylla - нагревать). Древнерусское угорати, или угарати (обжигать, опалять) имеет корень гар, или гор, с возможным переходом в гол; уголь по-древнерусски югъль, или угъль, того же происхождения. Слово алмаз (Diamante) происходит от древнегреческого - несокрушимый, непреклонный, твердый, а графит от греческого - пишу.
В начале XIX в. старое слово уголь в русской химической литературе иногда заменялось словом "углетвор" (Шерер, 1807; Севергин, 1815); с 1824 г. Соловьев ввел название углерод.
Азот, Nitrogenium, N (7)
Азот (англ. Nitrogen, франц. Azote, нем. Stickstoff) был открыт почти одновременно несколькими исследователями. Кавендиш получил азот из воздуха (1772), пропуская последний через раскаленный уголь, а затем через раствор щелочи для поглощения углекислоты. Кавендиш не дал специального названия новому газу, упоминая о нем как о мефитическом воздухе (Air mephitic от латинского mephitis - удушливое или вредное испарение земли). Вскоре Пристли установил, что если в воздухе долгое время горит свеча или находится животное (мышь), то такой воздух становится непригодным для дыхания. Официально открытие азота обычно приписывается ученику Блэка - Рутерфорду, опубликовавшему в 1772 г. диссертацию (на степень доктора медицины) - "О фиксируемом воздухе, называемом иначе удушливым", где впервые описаны некоторые химические свойства азота. В эти же годы Шееле получил азот из атмосферного воздуха тем же путем, что и Кавендиш. Он назвал новый газ "испорченным воздухом" (Verdorbene Luft). Поскольку пропускание воздуха через раскаленный уголь рассматривалось химиками-флогистиками как его флогистирование, Пристли (1775) назвал азот флогистированным воздухом (Air phlogisticated). О флогистировании воздуха в своем опыте говорил ранее и Кавендиш. Лавуазье в 1776 - 1777 гг. подробно исследовал состав атмосферного воздуха и установил, что 4/5 его объема состоят из удушливого газа (Аir mofette - атмосферный мофетт, или просто Mofett). Названия азота - флогистированный воздух, мефитический воздух, атмосферный мофетт, испорченный воздух и некоторые другие - употреблялись до признания в европейских странах новой химической номенклатуры, т. е. до выхода в свет известной книги "Метод химической номенклатуры" (1787).
Составители этой книги - члены номенклатурной комиссии Парижской академии наук - Гитон де Морво, Лавуазье, Бертолле и Фуркруа - приняли лишь несколько новых названий простых веществ, в частности, предложенные Лавуазье названия "кислород" и "водород". При выборе нового названия для азота комиссия, исходившая из принципов кислородной теории, оказалась в затруднении. Как известно, Лавуазье предлагал давать простым веществам такие названия, которые отражали бы их основные химические свойства. Соответственно, этому азоту следовало бы дать название "радикал нитрик" или "радикал селитряной кислоты". Такие названия, пишет Лавуазье в своей книге "Начала элементарной химии" (1789), основаны на старых терминах нитр или селитра, принятых в искусствах, в химии и в обществе. Они были бы весьма подходящими, но известно, что азот является также основанием летучей щелочи (аммиака), как это было незадолго до этого установлено Бертолле. Поэтому название радикал, или основание селитряной кислоты, не отражает основных химических свойств азота. Не лучше ли остановиться на слове азот, которое, по мнению членов номенклатурной комиссии, отражает основное свойство элемента - его непригодность для дыхания и жизни. Авторы химической номенклатуры предложили производить слово азот от греческой отрицательной приставки "а" и слова жизнь. Таким образом, название азот, по их мнению, отражало его нежизненность, или безжизненность.
Однако слово азот придумано не Лавуазье и не его коллегами по комиссии. Оно известно с древности и употреблялось философами и алхимиками средневековья для обозначения "первичной материи (основы) металлов", так называемого меркурия философов, или двойного меркурия алхимиков. Слово азот вошло в литературу, вероятно, в первые столетия средневековья, как и многие другие зашифрованные и имевшие мистический смысл названия. Оно встречается в сочинениях многих алхимиков, начиная с Бэкона (ХIII в.) - у Парацельса, Либавия, Валентина и др. Либавий указывает даже, что слово азот (azoth) происходит от старинного испано-арабского слова азок (azoque или azoc), обозначавшего ртуть. Но более вероятно, что эти слова появились в результате искажений переписчиками коренного слова азот (azot или azoth). Теперь происхождение слова азот установлено более точно. Древние философы и алхимики считали "первичную материю металлов" альфой и омегой всего существующего. В свою очередь, это выражение заимствовано из Апокалипсиса - последней книги Библии: "я - альфа и омега, начало и конец, первый и последний". В древности и в средние века христианские философы считали приличным употреблять при написании своих трактатов только три языка, признававшихся "священными", - латинский, греческий и древнееврейский (надпись на кресте при распятии Христа по евангельскому рассказу была сделана на этих трех языках). Для образования слова азот были взяты начальные и конечные буквы алфавитов этих трех языков (а, альфа, алеф и зэт, омега, тов - АААZОТ).
Составители новой химической номенклатуры 1787 г., и прежде всего инициатор ее создания Гитон де Морво, хорошо знали о существовании с древних времен слова азот. Морво отметил в "Методической энциклопедии" (1786) алхимическое значение этого термина. После опубликования "Метода химической номенклатуры" противники кислородной теории - флогистики - выступили с резкой критикой новой номенклатуры. Особенно, как отмечает сам Лавуазье в своем учебнике химии, критиковалось принятие "древних наименований". В частности, Ламетри - издатель журнала "Observations sur la Physique" - оплота противников кислородной теории, указывал на то, что слово азот употреблялось алхимиками в другом смысле.
Несмотря на это, новое название было принято во Франции, а также и в России, заменив собою ранее принятые названия "флогистированный газ", "мофетт", "основание мофетта" и т. д.
Словообразование азот от греческого тоже вызвало справедливые замечания. Д. Н. Прянишников в своей книге "Азот в жизни растений и в земледелии СССР" (1945) совершенно правильно заметил, что словообразование от греческого "вызывает сомнения". Очевидно, эти сомнения имелись и у современников Лавуазье. Сам Лавуазье в своем учебнике химии (1789) употребляет слово азот наряду с названием "радикал нитрик" (radical nitrique).
Интересно отметить, что более поздние авторы, пытаясь, видимо, как-то оправдать неточность, допущенную членами номенклатурной комиссии, производили слово азот от греческого - дающий жизнь, животворный, создав искусственное слово "азотикос", отсутствующее в греческом языке (Диргарт, Реми и др.). Однако этот путь образования слова азот едва ли может быть признан правильным, так как производное слово для названия азот должно было бы звучать "азотикон".
Неудачность названия азот была очевидной для многих современников Лавуазье, вполне сочувствовавших его кислородной теории. Так, Шапталь в своем учебнике химии "Элементы химии" (1790) предложил заменить слово азот словом нитроген (нитрожен) и называл газ, соответственно воззрениям своего времени (каждая молекула газа представлялась окруженной атмосферой теплорода), "газ нитрожен" (Gas nitrogene). Свое предложение Шапталь подробно мотивировал. Одним из доводов послужило указание, что название, означающее безжизненный, могло бы с большими основаниями быть дано другим простым телам (обладающим, например, сильными ядовитыми свойствами). Название нитроген, принятое в Англии и в Америке, стало в дальнейшем основой международного названия элемента (Nitrogenium) и символа азота - N. Во Франции в начале ХIХ в. вместо символа N употребляли символ Az. В 1800 г. один из соавторов химической номенклатуры - Фуркруа предложил еще одно название - алкалиген (алкалижен - alcaligene), исходя из того, что азот является "основанием" летучей щелочи (Alcali volatil) - аммиака. Но это название не было принято химиками. Упомянем, наконец, название азота, которое употребляли химики-флогистики и, в частности, Пристли, в конце ХVIII в. - септон (Septon от французского Septique - гнилостный). Это название предложено, по-видимому, Митчелом - учеником Блэка, впоследствии работавшим в Америке. Дэви отверг это название. В Германии с конца ХVIII в. и до настоящего времени азот называют Stickstoff, что означает "удушливое вещество".
Что касается старых русских названий азота, фигурировавших в разнообразных сочинениях конца XVIII - начала ХIХ в., то они таковы: удушливый гас, нечистый гас; мофетический воздух (все это переводы французского названия Gas mofette), удушливое вещество (перевод немецкого Stickstoff), флогистированный воздух, гас огорюченный, огорюченный воздух (флогистические названия - перевод термина, предложенного Пристли - Рlogisticated air). Употреблялись также названия; испорченный воздух (перевод термина Шееле Verdorbene Luft), селитротвор, селитротворный гас, нитроген (перевод названия, предложенного Шапталем - Nitrogene), алкалиген, щелочетвор (термины Фуркруа, переведенные на русский язык в 1799 и 1812 гг.), септон, гнилотвор (Septon) и др. Наряду с этими многочисленными названиями употреблялись и слова азот и азотический гас, особенно с начала ХIХ в.
В.Севергин в своем "Руководстве к удобнейшему разумению химических книг иностранных" (1815) объясняет слово азот следующим образом: "Azoticum, Azotum, Azotozum - азот, удушливое вещество"; "Azote - Азот, селитротвор"; "селитротворный газ, азотовый газ". Окончательно слово азот вошло в русскую химическую номенклатуру и вытеснило все другие названия после выхода в свет "Оснований чистой химии" Г. Гесса (1831).
Производные названия соединений, содержащих азот, образованы на русском и других языках либо от слова азот (азотная кислота, азосоединения и др.), либо от международного названия нитрогениум (нитраты, нитросоединения и др.). Последний термин происходит от древних названий нитр, нитрум, нитрон, обозначавших обычно селитру, иногда - природную соду. В словаре Руланда (1612) сказано: "Нитрум, борах (baurach), селитра (Sal petrosum), нитрум, у немцев - Salpeter, Веrgsalz - то же, что и Sal реtrae".
 |
Кислород, Oxygenium, O (8)
Открытие кислорода (англ. Oxygen, франц. Oxygene, нем. Sauerstoff) ознаменовало начало современного периода развития химии. С глубокой древности было известно, что для горения необходим воздух, однако многие века процесс горения оставался непонятным. Лишь в XVII в. Майов и Бойль независимо друг от друга высказали мысль, что в воздухе содержится некоторая субстанция, которая поддерживает горение, но эта вполне рациональная гипотеза не получила тогда развития, так как представление о горении, как о процессе соединения горящего тела с некой составной частью воздуха, казалось в то время противоречащим столь очевидному факту, как то, что при горении имеет место разложение горящего тела на элементарные составные части. Именно на этой основе на рубеже XVII в. возникла теория флогистона, созданная Бехером и Шталем. С наступлением химико-аналитического периода развития химии (вторая половина XVIII в.) и возникновением "пневматической химии" - одной из главных ветвей химико-аналитического направления - горение, а также дыхание вновь привлекли к себе внимание исследователей. Открытие различных газов и установление их важной роли в химических процессах явилось одним из главных стимулов для систематических исследований процессов горения веществ, предпринятых Лавуазье. Кислород был открыт в начале 70-х годов XVIII в. Первое сообщение об этом открытии было сделано Пристли на заседании Английского королевского общества в 1775 г. Пристли, нагревая красную окись ртути большим зажигательным стеклом, получил газ, в котором свеча горела более ярко, чем в обычном воздухе, а тлеющая лучина вспыхивала. Пристли определил некоторые свойства нового газа и назвал его дефлогистированным воздухом (daphlogisticated air). Однако двумя годами ранее Пристли (1772) Шееле тоже получал кислород разложением окиси ртути и другими способами. Шееле назвал этот газ огненным воздухом (Feuerluft). Сообщение же о своем открытии Шееле смог сделать лишь в 1777 г. Между тем в 1775 г. Лавуазье выступил перед Парижской академией наук с сообщением, что ему удалось получить "наиболее чистую часть воздуха, который нас окружает", и описал свойства этой части воздуха. Вначале Лавуазье называл этот "воздух" эмпирейным, жизненным (Air empireal, Air vital), основанием жизненного воздуха (Base dе l"air vital). Почти одновременное открытие кислорода несколькими учеными в разных странах вызвало споры о приоритете. Особенно настойчиво признания себя первооткрывателем добивался Пристли. По существу споры эти не окончились до сих пор. Подробное изучение свойств кислорода и его роли в процессах горения и образования окислов привело Лавуазье к неправильному выводу о том, что этот газ представляет собой кислотообразующее начало. В 1779 г. Лавуазье в соответствии с этим выводом ввел для кислорода новое название - кислотообразующий принцип (principe acidifiant ou principe oxygine). Фигурирующее в этом сложном названии слово oxygine Лавуазье произвел от греч. - кислота и "я произвожу".
Фтор, Fluorum, F (9)
Фтор (англ. Fluorine, франц. и нем. Fluor) получен в свободном состоянии в 1886 г., но его соединения были известны давно и широко применялись в металлургии и производстве стекла. Первые упоминания о флюорите (CaF2) под названием плавиковый шпат (Fliisspat) относятся к XVI в. В одном из сочинений, приписываемых легендарному Василию Валентину, упоминаются окрашенные в различные цвета камни - флюссе (Fliisse от лат. fluere - течь, литься), которые применялись в качестве плавней при выплавке металлов. Об этом же пишут Агрикола и Либавиус. Последний вводит особые названия для этого плавня - плавиковый шпат (Flusspat) и минеральный плавик. Многие авторы химико-технических сочинений XVII и XVIII вв. описывают разные виды плавикого шпата. В России эти камни именовались плавик, спалт, спат; Ломоносов относил эти камни к разряду селенитов и называл шпатом или флусом (флус хрустальный). Русские мастера, а также собиратели коллекций минералов (например, в XVIII в. князь П. Ф. Голицын) знали, что некоторые виды шпатов при нагревании (например, в горячей воде) светятся в темноте. Впрочем, еще Лейбниц в своей истории фосфора (1710) упоминает в связи с этим о термофосфоре (Thermophosphorus).
По-видимому, химики и химики-ремесленники познакомились с плавиковой кислотой не позднее XVII в. В 1670 г. нюрнбергский ремесленник Шванхард использовал плавиковый шпат в смеси с серной кислотой для вытравливания узоров на стеклянных бокалах. Однако в то время природа плавикового шпата и плавиковой кислоты была совершенно неизвестна. Полагали, например, что протравливающее действие в процессе Шванхарда оказывает кремневая кислота. Это ошибочное мнение устранил Шееле, доказав, что при взаимодействии плавикового шпата с серной кислотой кремневая кислота получается в результате разъедания стеклянной реторты образующейся плавиковой кислотой. Кроме того, Шееле установил (1771), что плавиковый шпат представляет собой соединение известковой земли с особой кислотой, которая получила название "шведская кислота". Лавуазье признал радикал плавиковой кислоты (radical fluorique) простым телом и включил его в свою таблицу простых тел. В более или менее чистом виде плавиковая кислота была получена в 1809 г. Гей-Люссаком и Тенаром путем перегонки плавикового шпата с серной кислотой в свинцовой или серебряной реторте. При этой операции оба исследователя получили отравление. Истинную природу плавиковой кислоты установил в 1810 г. Ампер. Он отверг мнение Лавуазье о том, что в плавиковой кислоте должен содержаться кислород, и доказал аналогию этой кислоты с хлористоводородной кислотой. О своих выводах Ампер сообщил Дэви, который незадолго до этого установил элементарную природу хлора. Дэви полностью согласился с доводами Ампера и затратил немало усилий на получение свободного фтора электролизом плавиковой кислоты и другими путями. Принимая во внимание сильное разъедающее действие плавиковой кислоты на стекло, а также на растительные и животные ткани, Ампер предложил назвать элемент, содержащийся в ней, фтором (греч. - разрушение, гибель, мор, чума и т. д.). Однако Дэви не принял этого названия и предложил другое - флюорин (Fluorine) по аналогии с тогдашним названием хлора - хлорин (Chlorine), оба названия до сих пор употребляются в английском языке. В русском языке сохранилось название, данное Ампером.
Многочисленные попытки выделить свободный фтор в XIX в. не привели к успешным результатам. Лишь в 1886 г. Муассану удалось сделать это и получить свободный фтор в виде газа желто-зеленого цвета. Так как фтор является необычайно агрессивным газом, Муассану пришлось преодолеть множество затруднений, прежде чем он нашел материал, пригодный для аппаратуры в опытах со фтором. U-образная трубка для электролиза фтористоводородной кислоты при минус 55oС (охлаждаемая жидким хлористым метилом) была сделана из платины с пробками из плавикового шпата. После того, как были исследованы химические и физические свойства свободного фтора, он нашел широкое применение. Сейчас фтор - один из важнейших компонентов синтеза фторорганических веществ широкого ассортимента. В русской литературе начала XIX в. фтор именовался по-разному: основание плавиковой кислоты, флуорин (Двигубский, 1824), плавиковость (Иовский), флюор (Щеглов, 1830), флуор, плавик, плавикотвор. Гесс с 1831 г. ввел в употребление название фтор.
Неон, Neon, Nе (10)
Этот элемент открыт Рамзаем и Траверсом в 1898 г., через несколько дней после открытия криптона. Ученые отобрали первые пузырьки газа, образующегося при испарении жидкого аргона, и установили, что спектр этого газа указывает на присутствие нового элемента. Рамзай так рассказывает о выборе названия для этого элемента:
"Когда мы в первый раз рассматривали его спектр, при этом находился мой 12-летний сын.
- Отец,- сказал он, - как называется этот красивый газ?
- Это еще не решено, - ответил я.
- Он новый? - полюбопытствовал сын.
- Новооткрытый, - возразил я.
- Почему бы в таком случае не назвать его Novum, отец?
- Это не подходит, потому что novum не греческое слово, - ответил я. - Мы назовем его неоном, что по-гречески значит новый.
Вот таким то образом газ получил свое название".
Автор: Фигуровский Н.А.
Химия и Химики № 1 2012
Продолжение следует...
Сверхплотное состояние Вселенной длилось недолго, но оно сыграло решающую роль в последующем развитии. При огромных значениях температуры и плотности вещества начались интенсивные процессы взаимопревращения частиц и квантов излучения. На первых порах в одинаковых количествах рождались частицы и соответствующие им античастицы из фотонов высокой энергии. В условиях сверхплотного состояния материи, характерного для раннего этапа жизни Вселенной, частицы и античастицы должны были бы тотчас же после своего рождения снова сталкиваться, превращаясь в гамма-излучение. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тех пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц.
На ранних этапах развития Вселенной могли возникать чрезвычайно короткоживущие и очень массивные гипотетические частицы. С падением температуры и плотности (возраст достиг 0,01 сек, температура 10 11 К) стали возникать менее массивные частицы, в то время как более массивные “вымирали” за счёт аннигиляции или распада.
Вымирание частиц происходило не совсем одинаково, так что античастицы практически все исчезли, а ничтожная избыточная доля протонов и нейтронов осталась. В результате этого наблюдаемый мир оказался устроенным из вещества, а не из антивещества, хотя где-то во Вселенной могут быть и области из антивещества.
Без едва заметной ассиметрии свойств частиц и античастиц мир вообще оказался бы лишённым вещества.
Образованием нуклонов (протонов и нейтронов) завершается эра адронов эволюции Вселенной (адроны - частицы, подверженные сильным взаимодействиям: протоны, нейтроны, мезоны и т.д.). После адронной эры наступает эра лептонов, когда среда состоит преимущественно из положительных и отрицательных мюонов, нейтрино и антинейтрино, позитронов и электронов. Нуклоны встречаются редко. По мере дальнейшего расширения Вселенной происходит аннигиляция мюонов, электронов и позитронов. Затем прекращается взаимодействие нейтрино с веществом и к моменту 0,2 секунды после сингулярности, происходит отрыв нейтрино.
Примерно через 10 секунд после сингулярности температура достигает значения около 10 10 К и начинается эра излучения. На этом этапе по численности преобладают фотоны, всё ещё сильно взаимодействующие с веществом, а также нейтрино.
Огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение в катастрофическом процессе взаимной аннигиляции, оставив после себя незначительное количество электронов, достаточное, однако, чтобы объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.
Через 3 минуты после Большого Взрыва начинаются первые процессы нуклеосинтеза. Некоторая часть протонов успевает соединиться с нейтронами и образовать ядра гелия. В них перешло около 10% общего числа протонов. Эра излучения заканчивается переходом плазмы из ионизованного состояния в нейтральное, уменьшением непрозрачности вещества и “отрывом” излучения. Через минуту почти всё вещество Вселенной состояло из ядер водорода и гелия, находившихся в такой же пропорции, которую мы наблюдаем сегодня. Начиная с этого момента расширение первичного огненного шара происходило без существенных изменений до тех пор, пока через 700 000 лет электроны и протоны не соединились в нейтральные атомы водорода, тогда Вселенная стала прозрачной для электромагнитного излучения - возникло реликтовое фоновое излучение.
Через миллион лет после начала расширения начинается эра вещества, когда из горячей водородно-гелиевой плазмы с малой примесью других ядер стало развиваться многообразие нынешнего мира.
После того, как вещество стало прозрачно для электро-магнитного излучения, в действие вступило тяготение, оно стало преобладать над всеми другими взаимодействиями между массами практически нейтрального вещества, составлявшего основную часть материи Вселенной. Тяготение создало галактики, скопления, звёзды и планеты.
В этой картине остаётся много нерешённых вопросов. Образовались ли галактики раньше первого поколения звёзд или наоборот? Почему вещество сосредоточилось в дискретных образованиях - звёздах, галактиках, скоплениях, тогда как Вселенная как целое разлеталась в разные стороны?
Неоднородности во Вселенной, из которых впоследствии образовались все структурные образования Вселенной зародились в виде ничтожных флуктуаций, а затем усилились в эпоху, когда ионизованный газ во Вселенной стал превращаться в нейтральный, т.е. когда излучение оторвалось от вещества и стало реликтовым. Такое усиление может привести к возникновению заметных флуктуаций, из которых впоследствии стали образовываться галактики.
При образовании крупных структур Вселенной существенную роль могли играть нейтрино, если их масса покоя отлична от нуля. Через несколько сотен лет после начала расширения скорость нейтрино, обладающих массой, должна стать заметно меньше световой. Начиная с некоторого момента, крупные сгущения нейтрино уже не рассасываются и дают начало крупным структурным образованиям Вселенной - скоплениям и сверхскоплениям галактик. Сами галактики образуются из обычного вещества, а нейтрино, если они обладают заметной массой, выступают в роли центров притяжения для гигантских сгущений масс, являясь источником скрытой массы скоплений галактик.
В 1978 году М. Рис высказал предположение, что фоновое излучение может быть результатом “эпидемии” образования массивных звёзд, начавшейся сразу после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд лет. Продолжительность жизни таких звёзд не могла превышать 1 млрд лет. Многие из них взорвались как сверхновые и выбросили в пространство тяжёлые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твёрдого вещества, образовав облака межзвёздной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических звёзд, могла испускать инфракрасное излучение, которое наблюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение. Если эта гипотеза верна, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звёзд первого, догалактического, поколения и в настоящее время может находиться в массивных тёмных гало, окружающих яркие галактики.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http :// www . allbest . ru /
Возникновение химических элементов
1. Возникновение Вселенной
Большинство космологов полагает, что Вселенная возникла как плотный сгусток вещества и энергии, который начал расширяться примерно 18 млрд. лет тому назад. Образование элементов уходит своими корнями к Большому взрыву. Возникновение элементов в результате Большого взрыва впервые было обосновано Гамовым в 1946 г. (Gamov, 1946).
По Гамову на ранних этапах образования Вселенной температуры и давления были экстремально высокими, при этом протоны, нейтроны, электроны и нейтрино находились в равновесии. Когда Вселенная начала расширяться, температура упала, и состояние равновесия нарушилось. Гамов полагал, что последовательное повторение процессов -распада и захвата нейтронов привело к образованию тяжелых элементов. Потребовалось всего около 20 мин. для возникновения всех ныне существующих элементов, но в настоящее время полагают, что во время Большого взрыва образовались легкие элементы, которые затем посредством ядерных реакций внутри звезд дали начало элементам с атомным номером 6 и выше (Озима, 1990).
Исходно, большая часть материи существовала в виде энергии. Вещество начало оформляться по мере остывания. Общая картина возникновения элементов может быть выражена следующей схемой.
«Горение» водорода. В процессе ядерного синтеза атомы водорода сливаются вместе, образуя атом гелия и высвобождая энергию. Масса частиц, из которых состоит гелий, составляет: 2 протона (по 1,0076) и 2 нейтрона (по 1,0089) = 2 1,0076+2 1,0089 = 4,033. Ядро атома гелия имеет массу 4,0028. Уменьшение в 0,0302 единицы массы называется дефектом массы, который в соответствии с уравнением Эйнштейна E = mc2 эквивалентен 4,512 Дж атом-1. Этот процесс требует температуры 107 - 108 K:
«Горение» гелия происходит при температуре > 108 K и давлении 105 г см2.
2. Образование звезд
Водород и другие легкие элементы рассеялись во вселенной и, сгруппировавшись, образовали звезды. Под действием собственной силы тяжести звезды начали постепенно сжиматься, что приводило к повышению температуры. Когда температура в центре каждой из звезд достигла нескольких миллионов градусов, атомы водорода объединились и образовали атомы гелия, т.е. произошла реакция «горения» ядер. Затем возникли атомы C и других тяжелых элементов.
Таким образом, элементарный состав Вселенной определяется ядерными процессами в звездах. Так, температура 108 K возможна внутри звезды с массой равной массе нашего солнца. Внутри солнца постоянно идет процесс ядерных превращений:
Рис. 1. Схематическое изображение нашего солнца
Видно, что эти реакции можно представить в виде автокаталитического цикла, известного как углеродный цикл Бете - фон Вайцзекера (рис. 2).
Размещено на http :// www . allbest . ru /
Рис. 2. Углеродный цикл Бете - фон Вайцзекера
В звездах с большими массами температуры выше и там идут процессы синтеза более тяжелых элементов. В звездах тяжелее солнца вдвое (рис. 3):
Рис. 3. Звезды вдвое (а), втрое (б) тяжелее Солнца и звезда перед взрывом сверхновой (в).
Звезды с массой 20 солнечных масс (рис. 3) способны к синтезу всех элементов, вплоть до железа. Но реакции «горения» ядер не могут развиваться дальше образования ядер Fe. После этого подобная реакция приводит к энергетической нестабильности ядер. Ядра Fe можно считать завершением термоядерных реакций (r-процессов). Железо (№ 26) имеет наиболее стабильное ядро. Каждый шаг ядерного синтеза от гелия до железа освобождает энергию и формирует более устойчивое ядро (рис. 4). С ходом времени количество водорода и гелия во Вселенной уменьшается, тяжелых элементов - возрастает. Относительная распространенность элементов во Вселенной приведена на рис. 5.
Рис. 4. Устойчивость ядер химических элементов
Ядра всех элементов после железа менее устойчивы, чем исходный материал, и не могут использоваться для образования энергии звезд. Элементы от № 27 (Mg) до № 92 (U) образуются, когда звезда истощает свое ядерное топливо, коллапсирует и взрывается как сверхновая. Ударная волна от взрыва сверхновой производит избыточную энергию, необходимую для синтеза элементов тяжелее железа.
Рис. 5. Относительная распространенность элементов во Вселенной.
Нейтроны возникают в звездах при «горении» Не. Поскольку они лишены заряда, они сравнительно легко включаются в ядра. Поглощая нейтроны и претерпевая реакции -распада ядра постепенно «тяжелеют». Эта реакция называется s-процессом. Считается, что Bi - конечный продукт s-процесса. Некоторые из образующихся элементов нестабильны и спонтанно распадаются до более стабильных веществ. Этот процесс, ядерный распад, идет с освобождением энергии.
3. История арены действия химии окружающей среды
Возникновение Солнечной системы
Сейчас общепринято, что элементы, составляющие в настоящее время Солнечную систему и нашу Землю, в большинстве своем возникли в результате ядерных реакций в звездах. Исключение составляют Н (полагают, что он существует с момента образования Вселенной), Не и нескольких легких элементов (D, Li, Be, B), которые образовались из Н во время Большого взрыва (Озима, 1990).
Поскольку скорость распада большинства тяжелых элементов хорошо известна, можно рассчитать точный возраст веществ, содержащих долгоживущие изотопы. Так был установлен возраст нашей Солнечной системы? 5 млрд. лет. Так как масса Солнца недостаточна для образования тяжелых элементов, следует полагать, что Солнечная система образовалась на месте взрыва сверхновой звезды. Гравитационные силы собрали рассеянное вещество. Большая часть его сконцентрировалась в виде Солнца, достаточно горячего для начала процесса ядерного синтеза.
Планеты Солнечной системы образовались, по-видимому, из дискообразного облака горячих газов, остатков взрыва сверхновой звезды. Сконденсировавшиеся пары образовали твердые частицы, объединившиеся в небольшие тела (планетезимали), в результате срастания которых возникли плотные внутренние планеты (от Меркурия до Марса). Крупные внешние планеты, будучи более удалены от Солнца, состоят из газов меньшей плотности, конденсация которых происходила при гораздо более низких температурах.
Практически все атомы нашей системы сконцентрированы в Солнце, где сосредоточено более 99,9 % массы всего вещества системы. С точки зрения химического состава Солнечной системы в целом, Земля состоит главным образом из кислорода и нелетучих элементов (таких как Fe, Mg, Si), причем доля последних << 0,1 % от общего числа атомов Солнечной системы (Озима, 1990).
Большинство элементов образовались до формирования Солнечной системы, во время взрыва Сверхновой, но некоторые появились после, при распаде радиоактивных изотопов. Например, установлено, что практически весь (более 99 %) аргон, который составляет около 1 % земной атмосферы, возник в результате реакции распада 40K 40Ar в недрах Земли после ее формирования и впоследствии улетучился. Все остальные элементы, кроме радиогенных Радиогенные элементы - элементы, возникшие в результате ядерных реакций распада., уже существовали до возникновения Солнечной системы.
Возникновение и история Земли
Образование Земли
Образование Земли было связано с аккумуляцией вещества солнечного газа. Относительно способа аккумуляции единого мнения не существует. В настоящее время имеются три главные гипотезы (Войткевич, 1988).
Гомогенная аккумуляция. Современное оболочечное строение Земли возникло лишь в ходе разогревания, частичного плавления и дифференциации первично гомогенного земного вещества.
Гетерогенная аккумуляция. Сначала возникло металлическое ядро, затем на него осели поздние конденсаты в виде силикатов, образовавшие мощную мантию.
Частично гетерогенная аккумуляция. Наибольшая разница в составе существовала лишь между центральными частями планеты и ее поверхностными слоями. Первоначально между ядром и мантией не было резких границ, установившихся позже.
Большая часть планетарного вещества сгруппировалась 4,56-4,7 млрд. лет назад. Масса планеты продолжала нарастать и через некоторое время стала достаточной для удержания атмосферы (4,4 млрд. лет назад).
Старейшие породы на Земле - цирконы западной Австралии, возраст которых около 4,1-4,3 млрд. лет. Тепло, выделяемое сначала благодаря процессу аккреции, а затем и радиоактивному распаду, расплавило сердцевину планеты и дало начало геотермальному циклу. Это вызвало дифференциацию элементов, впервые объясненную В. М. Гольдшидтом.
Первичная дифференциация элементов осуществлялась по их химическому сродству к железу, что естественно, поскольку железо составляет 35 % массы Земли.
В.М. Гольдшмидт разделил элементы на 4 группы:
Сидерофилы - восстанавливаются железом;
Литофилы - не восстанавливаются железом и склонны к образованию окислов;
Халькофилы - элементы не восстанавливающиеся железом и образуют сульфиды;
Атмофилы - элементы, улетучившиеся в атмосферу.
Элементы, занимающие минимумы на кривой атомных объемов, дают сплавы с железом, в ходе дифференциации они образовали земное ядро (сидерофильные элементы). Ионы сидерофилов (11 элементов) имеют оболочку из 8-18 электронов. Редокс потенциал их равен или выше, чем у железа. Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Mo, W, Re, Au, Ge, Sn составляют большую часть полиметаллических руд. Они тесно перемежаются с элементами, обнаруживая повышенное сродство к сере, мышьяку, а также фосфору, углероду и азоту.
Элементы, занимающие максимумы на кривой и расположенные на ее нисходящих частях, обладают сродством к кислороду (54 элемента), они образовали земную кору и верхнюю мантию (литофильные элементы). Образуют ионы с 8-электронной оболочкой. Li, Na, K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, B, Al, Sc, Y, Редкоземельные элементы, Si, Ti, Zr, Hf, Th, P, V, Nb, Ta, Cr, U, F. Cl, Br, I, Mn К этой группе относят и «факультативные» литофильные элементы: C, P, W, H, Tl, Ga, Ge, Fe. входят в состав силикатных, алюмосиликатных горных пород, образуют сульфатные, карбонатные, фосфатные, боратные и галогенидные минералы.
Элементы, занимающие восходящие части кривой, обладают сродством к сере, селену, теллуру (19 элементов), они сосредоточились в нижней мантии (халькофильные элементы). Имеют оболочку из 18 электронов. Cu, Ag, Zn, Cd, Hg, Ga, In, Tl, Bp, As, Sb, Bi, S, Se, Te Fe, Mo, Ca - «факультативные» халькофилы. образуют многочисленную группу сульфидных и теллуридных минералов. Они могут встречаться в самородном состоянии.
Инертные газы (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) относятся к атмофильной группе. Их атомы (кроме He) имеют 8-электронную оболочкой.
В настоящее время выделяют еще и биофилы. Биофильные элементы - это так называемые элементы жизни. Они делятся на макробиогенные (H, C, N, O, Cl, Br, S, P, Na, K, Mg, Ca) и микробиогенные (V, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, B, Si, Mo, F).
Современная биогеохимическая классификация элементов приведена в таблице 1.
Таблица 1 Биогеохимическая классификация элементов
гамов вселенная биогеохимический термоядерный
Дифференциация мантии и образование геосфер
В процессе формирования планеты выплавлялись легкоплавкие, но тяжелые компоненты (железосернистые массы), опускавшиеся к центру и образовавшие ядро. При этом из первичной мантии увлекались к ядру сидеро- и халькофильные элементы. Одновременно менее легкоплавкие силикатные массы образовывали базальтовую магму, а затем и базальтовую кору океанического типа. В этот процесс вовлекались преимущественно лито- и атмофильные элементы.
При плавлении и дегазации верхней мантии на поверхность Земли поступала базальтовая магма, несущая растворенные в ней воду и газы. И первичная атмосфера, и первичная гидросфера Земли возникли за счет дегазации мантии. Из паров мантийного материала возникла кислая, сильно минерализованная гидросфера, изначально богатая анионами F-, Cl-, Br-, I-. Пресные воды образовались в результате естественной дистилляции. Тогда же образовалась и восстановительная первичная атмосфера.
Эволюция атмосферы
Атмосфера состоит из газов, окружающих Землю, и ее состав существенно менялся с момента образования планеты. Долгое время господствовала точка зрения, что первичная атмосфера Земли состояла преимущественно из аммиака и метана.
Первая атмосфера Земли была потеряна в космосе в первый миллион лет после аккреции. Эта атмосфера состояла из газов, заключенных внутри планетоидов, сформировавших Землю. Состояла она из углекислоты и азота со следовыми количествами метана, аммиака, двуокиси серы и соляной кислоты. Кислород отсутствовал.
Вторая атмосфера Земли предположительно содержала двуокись углерода, азот, воду. С охлаждением поверхности планеты образовались океаны, начались гидрологический цикл и процессы выветривания. Кроме того, океаны стали интенсивно поглощать углекислоту. Условия, существовавшие на поверхности планеты в те времена, по большей части неизвестны, поскольку интенсивность солнечного излучения была ниже современной на 30 %, а точный состав атмосферы неясен.
Бактериальный фотосинтез начался между 3,5-4 млрд. лет назад, но практически весь кислород поглощался океаном (в основном ионами железа). Два миллиарда лет тому назад кислород начал поступать в атмосферу, и современный состав атмосферы сформировался примерно 1,5 млрд. лет назад. В атмосфере кислород под действием ультрафиолетового излучения образовал озон. Озон выступил в качестве фильтра жесткой солнечной радиации, позволив жизни выйти на сушу из океана.
Возникновение жизни
Возникновение биосферы относится к самым ранним периодам развития планеты. Первые известные окаменелые остатки живых организмов (возраст - 3,55 млрд. лет), были обнаружены в Западной Австралии Уильямом Шопфом. Они чрезвычайно похожи по структуре на современных цианобактерий (иначе называемых сине-зелеными водорослями), достаточно высокоразвитых фотосинтетиков. Геохимические данные свидетельствуют о том, что фотоавтотрофная жизнь на планете существовала 4 млрд. лет тому назад. С биологической точки зрения ей должна была бы предшествовать жизнь гетеротрофная. Но, как и, главное, когда она успела возникнуть?
Многовековая борьба за доказательство невозможности возникновения живого из неживого, завершилась триумфальными экспериментами Л. Пастера, которые поставили, казалось бы, точку в этом споре. Но, тогда оказалось, что жизнь могла быть сотворена лишь Богом. С этим не могла смириться материалистическая наука ХХ в. А. И. Опарин в 1924 г., а затем Дж. Холдейн в 1929 г. выдвинули гипотезы биогенеза - возможности самопроизвольного зарождения жизни на Земле (см. Опарин, 1960; Бернал, 1969). Вообще говоря, было создано множество гипотез зарождения жизни, экспериментальной базой которых послужила, главным образом возможность синтеза простейших органических соединений в условиях древней Земли, как мы их себе сейчас представляем. Толчком к этому послужило открытие Миллером легкости образования аминокислот из неорганических предшественников (Miller, 1953). Как пишет Л. Маргелис (1983, с. 76): «Пуристы злословили, что это якобы никуда не годная экспериментальная органическая химия, состоящая в том, что создают среду, предположительно сходную с гадейской Гадейский эон, который начался, когда Земля превратилась в сплошное твердое тело., вносят в нее неорганические реагенты и подводят энергию, а затем среди продуктов реакций разыскивают молекулы, имеющие важное значение для современной жизни». Этот подход породил множество работ, доказывавших возможность синтеза достаточно сложных органических веществ в условиях древней Земли (см. например работы Горовица (Horowitz, 1962), Понампернума (Ponnamperuma, 1968), Фокса (1975), очерк Н. Л. Добрецова (2005) и мн. др.). Вместе с тем, «данные космохимии метеоритов, астероидов и комет свидетельствуют, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением» (Войткевич, 1988, с. 105).
Любой человек, знающий биологию хотя бы в пределах элементарного курса, представляет себе, что для возникновения жизни были необходимы:
эволюция малых молекул;
образование из них полимеров;
возникновение у них каталитических функций;
самосборка молекул;
возникновение мембран и создание доклеточной организации;
возникновение механизма наследственности;
образование клетки.
Если мы обратимся к С. Лему, более известному как писателю-фантасту, чем ученому, то и он пишет: «Осуществление каждого определенного этапа на пути к появлению праклетки обладало определенной вероятностью. Возникновение аминокислот в первичном океане под действием электрических разрядов было, например, вполне вероятным, образование из них пептидов - немного менее, но также в достаточной мере осуществимым; зато спонтанный синтез ферментов составляет - с этой точки зрения - явление сверхнеобычное» (Лем, 2002, с. 48). И, далее: «Термодинамика может еще «проглотить» случайное возникновение белков в растворе аминокислот, но самозарождение ферментов уже не проходит… Число возможных ферментов больше числа звезд во всей Вселенной. Если бы белкам в первичном океане пришлось дожидаться спонтанного возникновения ферментов, это могло бы с успехом длиться целую вечность» (Лем, 2002, с. 49). Зарождение жизни, в результате, доказывается лишь «простым фактом, что мы существуем и, стало быть, сами являемся косвенным аргументом в пользу биогенеза» (Лем, 2002, с. 50).
К такому же выводу приходит далеко не фантаст, а Лауреат Нобелевской премии, один из основоположников современной молекулярной биологии, соавтор открытия ДНК - «молекулы жизни», Ф. Крик, который, специально остановившись на ничтожно малой вероятности самозарождения жизни, далее пишет: «Сам факт того, что мы находимся здесь, обязательно означает, что жизнь действительно зародилась» (Крик, 2002, с. 77).
В.И. Вернадский вообще полагает, что «должны оставаться без рассмотрения все вопросы о начале жизни на Земле, если оно было… Эти вопросы вошли в науку извне, зародились вне ее - в религиозных или философских исканиях человечества… Все нам известные, точно установленные факты ни в чем не изменятся, если даже все эти проблемы получат отрицательное решение, т. е. если бы мы признали, что жизнь всегда была и не имела начала, что живое - живой организм - никогда и нигде не происходил из косной материи и что в истории Земли не было вообще геологических эпох, лишенных жизни» (Вернадский, 2004, с. 53).
Критические уровни содержания кислорода в атмосфере
По Л. Беркнеру и Л. Маршаллу (1966, цит. по Перельман, 1973) в абиогенную эпоху содержание кислорода не превышало 0,1 % от современного уровня. Кислород образовывался за счет фотодиссоциации воды. Жизнь в таких условиях могла развиваться только в водоемах глубиной более 12 м. По достижении уровня содержания кислорода 1 % от современного создалась возможность поглощения ультрафиолета. Область жизни значительно расширилась, поскольку стало достаточно 30 см воды для задержания ультрафиолета. Этот уровень был достигнут в начале палеозойской эры (примерно 600 млн. лет тому назад). Всего за 20 млн. лет возникло множество новых видов, ускорилось накопление кислорода в атмосфере. Уже через 200 млн. лет (конец силура, 400-420 млн. лет назад) содержание кислорода достигло 10 % от современного. Озоновый экран стал настолько мощен, что жизнь смогла выйти на сушу. Это привело к новому взрыву эволюции.
Этапы эволюции биосферы
Царство млекопитающих и покрытосеменных растений наступило 60 млн. лет назад, т.е., биосфера приобрела облик близкий современному. 6 млн. лет назад возникла группа приматов, являющихся прямыми и непосредственными предками современного человека, - гоминиды. 600 тыс. лет тому назад появился человек разумный, примерно 60 тыс. лет назад овладевший огнем и, таким образом, резко выделившийся из природы. Возникновение современной цивилизации можно отнести к периоду примерно 6 тыс. лет тому назад, а зарождение современного способа производства и начало Нового времени.
6 веков тому назад. Глобальных масштабов антропогенное воздействие на окружающую среду достигло, пожалуй, к середине ХХ века.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Количественная оценка распределения химических элементов. Закономерности в распределении кларков. Изучение спектров звезд. Процессы образование химических элементов. Превращение водорода в гелий. Оценка состава Земли. Кларки элементов для земной коры.
реферат , добавлен 16.05.2013
Классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра - графическое выражение периодического закона Д.И. Менделеева: история открытия, структура и роль в развитии атомно-молекулярного учения.
презентация , добавлен 26.09.2012
Классификация химических элементов, их положение в периодической системе. Отличия элементов по степени заполнения различных электронных орбиталей (s, p, d, f) электронами. Биологическая роль исследуемых элементов и применение их соединений в медицине.
презентация , добавлен 01.10.2014
Описание интересных фактов открытия ряда элементов таблицы Менделеева. Свойства химических элементов, происхождение их названий. История открытия, в отдельных случаях получения элементов, их значение в народном хозяйстве, сфера применения, безопасность.
реферат , добавлен 10.11.2009
Геохимическая классификация химических элементов по Гольдшмидту: сидерофильные, халькофильные, литофильные и атмофильные. Внешние и внутренние факторы миграции химических элементов. Природные и техногенные геохимические барьеры и их разновидности.
контрольная работа , добавлен 28.01.2011
Понятие о химических элементах и простых телах, свойства химических элементов. Химические и физические свойства соединений, образуемых элементами. Нахождение точного соответствия между числами, выражающими атомные веса элементов, их место в системе.
реферат , добавлен 29.10.2009
Структура периодической системы химических элементов: история и современность. Структурная организация электронных систем в плоскости орбитального квантового числа и электронных подоболочек. Исторические предпосылки возникновения теории Нурлыбаева.
курсовая работа , добавлен 22.01.2015
История открытия и место в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева галогенов: фтора, хлора, брома, йода и астата. Химические и физические свойства элементов, их применение. Распространённость элементов и получение простых веществ.
презентация , добавлен 13.03.2014
Периодическая система химических элементов. Строение атомов и молекул. Основные положения координационной теории. Физические и химические свойства галогенов. Сравнение свойств водородных соединений. Обзор свойств соединений p-, s- и d-элементов.
лекция , добавлен 06.06.2014
Химические свойства элементов s-блока периодической системы. Механизмы образования осадков элементов групп IА и IIА. Возникновение разности потенциалов на клеточных мембранах. Электронное строение и биологический антагонизм натрия, калия, кальция, магния.
