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...
На протяжении многих веков человек изучает различные явления природы, открывает один за другим ее законы. Однако еще и сейчас существует много научных проблем, о решении которых люди давно мечтали. Одна из этих сложных и интересных проблем - происхождение химических элементов, из которых состоят все окружающие нас тела. Шаг за шагом познавал человек природу химических элементов, строение их атомов, а также распространенность элементов на Земле и других космических телах.
Изучение закономерностей ядерных реакций позволяет создать теорию происхождения химических элементов и их распространенности в природе. Согласно данным ядерной физики и астрофизики синтез и превращение химических элементов происходят в процессе развития звезд. Образование атомных ядер осуществляется либо за счет термоядерных реакций, либо - реакций поглощения ядрами нейтронов.В настоящее время общепризнано, что в звездах на всех стадиях их развития осуществляются разнообразные ядерные реакции. Эволюция звезд обусловлена двумя противодействующими факторами гравитационным сжатием, приводящим к сокращению объема звезды, и ядерными реакциями, сопровождающимися выделением огромного количества энергии.
Как показывают современные данные ядерной физики и астрофизики, синтез и превращение элементов происходят на всех стадиях эволюции звезд как закономерный процесс их развития. Таким образом, современная теория происхождения химических элементов исходит из предположения о том, что они синтезируются в разнообразных ядерных процессах на всех стадиях эволюции звезд. Каждому состоянию звезды, ее возрасту соответствуют определенные ядерные процессы синтеза элементов и отвечающий им химический состав. Чем моложе звезда, тем больше в ней легких элементов. Самые тяжелые элементы синтезируются только в процессе взрыва – умирания звезды. В звездных трупах и других космических телах меньшей массы и температуры продолжают идти реакции преобразования вещества. В этих условиях происходят уже ядерные реакции распада и разнообразные процессы дифференциации и миграции.
Изучение распространенности химических элементов проливает свет на происхождение Солнечной системы, позволяет понять происхождение химических элементов. Таким образом, в природе идет вечное рождение, превращение и распад ядер атомов Бытующее сегодня мнение о разовом акте происхождения химических элементов, по меньшей мере, некорректно. В действительности, атомы вечно (и постоянно) рождаются, вечно (и постоянно) умирают, и их набор в природе остается неизменным. "В природе нет приоритета возникновению или разрушению - одно возникает, другое - разрушается".
В целом, исходя из современных представлений, большинство химических элементов, кроме нескольких самых лёгких, возникли во Вселенной главным образом в ходе вторичного или звёздного нуклеосинтеза (элементы до железа - в результате термоядерного синтеза, более тяжёлые элементы - при последовательном захвате нейтронов ядрами атомов и последующем бета-распаде, а также в ряде других ядерных реакций). Легчайшие элементы (водород и гелий - почти полностью, литий, бериллий и бор - частично) образовались в первые три минуты после Большого взрыва (первичный нуклеосинтез). Одним из главных источников особо тяжёлых элементов во Вселенной должны быть, согласно расчётам, слияния нейтронных звёзд, с выбросом значительных количеств этих элементов, которые впоследствии участвуют в образовании новых звёзд и их планет.
НОВЫЕ ДАННЫЕ
Российские ученые нашли доказательство того, как во Вселенной появляются тяже-лые элементы, из которых потом сформировались планеты, а в конечном счете и люди. Статья об этом опубликована в одном из самых престижных научных журналов – Nature. До сих пор считалось, что тяжелые элементы, например железо и кремний, родились при взрыве так называемых сверхновых звезд. Эта теория имеет немало косвенных подтверждений, однако прямых доказательств не было. В частности, астрофизикам удалось зарегистрировать распад, предсказанных теорией, изотопов радиоактивного кобальта-56 и железа-56 в остатке одной из сверхновых звезд. Однако этого явно недостаточно, чтобы подтвердить теорию. Может, на кобальте и железе все и закончилось. А как же появились другие элементы?
Теория указала направление дальнейшего поиска - изотоп титана (титан-44). Именно он должен родиться после распада кобальта и железа. Понятно, что именно на титан и нацелились астрофизики всего мира. Но без успеха. Он не давался в руки, и уже появились сомнения, а верна ли теория? Верна! Такой вывод следует из работы российских физиков из Института космических исследований РАН и сотрудника Европей-ского центра космических исследований и технологий Криса Винклера. Им удалось с помощью международной орбитальной обсерватории гамма-лучей ИНТЕГРАЛ зафиксировать в рентгеновских лучах излучение от радиоактивного распада титана-44. Что стало первым прямым доказательством образования титана в момент взрыва этой уникальной сверхновой.
Но ученые этим не ограничились. Им удалось оценить массу родившегося титана - около 100 масс Земли. А что же дальше? Теория предсказывает, что титан распадается в скандий, а тот в кальций. Если ученым удастся зафиксировать всю эту цепочку, это будет решающим аргументом, что теория возникновения тяжелых элементов при взрывах сверхновых звезд верна.
Химическая эволюция или пребиотическая эволюция - этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми, бесспорно, являются все углеродсодержащие молекулы.
Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.
Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так называемого «водно-углеродного шовинизма», постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел», осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и/или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остаётся открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата.
Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации химической эволюции появилось через 0,5-1,2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ - альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.
Наука геохимия должна ответить на ряд вопросов связанных с происхождением и распространением элементов в природе. В настоящее время известно следующее.
Во-первых, распространенность объясняется строением атомных ядер: широко распространены элементы с небольшим и четным числом протонов и нейтронов.
Во-вторых, устойчивость элементов определилась в период их образования, когда вещество Земли «проходило» звездный путь развития. При очень высоких температурах (миллионы градусов) возможно существование вещества только в виде плазмы со свободными ядерными частицами (р и п). Ядерные реакции приводили к образованию элементов наиболее устойчивых, т.е. состоящих из четного числа протонов и(или)нейтронов.
Небольшая (низкая) распространенность первых элементов таблицы Д.И. Менделеева, вероятно, тоже определилась в звездную стадию развития Земли. По одной из теорий, формирование элементов взаимосвязано с эволюцией звезд, т.е. образование элементов происходило в определенных космических телах - массивных звездах. Исходным материалом для образования всех элементов был водород - гипотеза естественного синтеза элементов (цикл Бете). Возможный процесс термоядерных реакций с участием Н, Не, N и С (азотно-углеродный цикл)
Ядра углерода и азота в этом цикле являются катализаторами. Энергия, выделяемая при этом процессе, вероятно, соответствует энергии, выделяемой звездами и, в том числе, Солнцем.
Далее в этот цикл включается гелий: образуются 0 16 и Ne 20 ; далее при более высоких температурах с участием α –частиц («α-процесс») из ядер Ne 20 последовательно образуются Mg 24 – Si 28 – S 32 – Cl 36 – Ca 40 – Sc 44 – Ti 48 .
Такие термоядерные реакции вероятны на «белых карликах».
После «α-процесса» вновь сжимается ядро звезды, температура растет, возникают термоядерные реакции в обстановке статического равновесия. Образуются ядра, группирующиеся вокруг Fe 56 - железный максимум - V 50 - Сг 52 - Мn 54 -Fe 56 - Со 56 - Ni 58 . Это «е-процесс», при котором постоянно происходит как удаление частиц от ядер, так и их добавление.
Синтез элементов с массовым числом свыше 60 требует очень высоких температур, невозможных в условиях звезды. Более тяжелые элементы формируются иначе: путем простой бомбардировки нейтронами, которые легко захватываются ядрами. Бомбардировка медленными нейтронами -«s-процесс» - захват медленных (slow) нейтронов. Образование элементов таким путем (s-процессом) может быть только до Bi 209 .
Более тяжелые элементы, следующие за Bi 209 , нестабильные и их синтез возможен только при бомбардировке ядер быстрыми нейтронами -«r-процесс». Образуются элементы U, Th, Np, Pu і до Lr.
Следующий возможный «р-процесс», действие которого состоит в добавлении протонов: в результате цепной реакции с захватом нейтронов (при взрыве сверхновых) образуются редкие тяжелые изотопы.
И, наконец, «х-процесс» - образуются ядра дейтерия (Н 2) Li, Be, В.
Отмечается, что процессы генерации нейтронов происходят в звездах типа красных гигантов.
В целом для звезд характерно электронно-ядерное состояние вещества, однако теоретически возможно и нейтронное состояние с ядерной плотностью вещества (пульсары). При гигантских температурах возможно всеобщее превращение элементарных частиц друг в друга.
На Солнце и звездах идет в основном синтез элементов, на планетах (и на Земле) - преимущественно распад. Между отдельными частями космоса идет непрерывный обмен атомами и, следовательно, энергией. Несмотря на непрерывное перераспределение атомов между отдельными частями Мироздания, в целом, количественные соотношения элементов остаются в каждом отдельном участке (Земля, геосферы и др.) сопоставимыми.
Кларки элементов не являются геологически постоянными: главные особенности (т.е. среднее содержание химических элементов в земной коре горных породах, в океане) не изменились, однако кларки отдельных элементов все же меняются. Так, при радиоактивном распаде меняется со временем количество радиоактивных (U, Th и др.) и радиогенных (РЬ, Аг и др.) элементов в земной коре. В атмосфере под действием космических лучей происходит образование элементов (13 С, 3 Н, 14 С и других радиоактивных изотопов). Некоторые элементы (Fe, Mg, S и др.) поступают на Землю в составе метеоритов, особенно существенно в ранние геологические периоды жизни Земли. Но космос также частично и забирает некоторые элементы Н, Ne, Не, которые улетучиваются (диссипируют) в межпланетное пространство.
Таким образом, за несколько миллиардов лет истории Земли менялся химический состав отдельных геосфер и, как отметил В.И. Вернадский, «земная кора два миллиарда лет назад и в современную эпоху - это химически разные тела». Об этом говорит и соотношение между горными породами: на ранних этапах становления Земли господствующая роль принадлежала эффузивным породам, преимущественно основного состава, но в настоящее время преобладают осадочные породы на поверхности материков, меньшую роль играют гранитоиды и совсем мало основных эффузивов.
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 понятиях науки XVIII-XIX вв. материя была вечной, и вопрос о происхождении химических элементов был бы просто некорректен. Если материя вечна, то у нее нет и происхождения. В XX в. ситуация быстро изменялась. Была разработана теория относительности, открыто расширение Вселенной, разработана теория строения и эволюции звезд, открыто так называемое реликтовое излучение, тесно связанное с расширением Вселенной. Все это привело к наиболее правдоподобной, хотя и трудно умещающейся в голове теории Большого взрыва. Предполагают, что Вселенная начала свое бытие с непостижимого (пока?) импульса, приведшего к продолжающемуся и поныне расширению гигантского сгустка материи из одной точки.
Изучая вещества и их химические превращения, вполне естественно задуматься над вопросом, откуда взялись все те виды атомов, из которых состоят вещества и которые сами при химических реакциях превращениям не подвержены? Постараемся коротко ответить на этот вопрос, насколько это возможно в настоящее время.
По разным данным, Большой взрыв произошел от 15 до 18 млрд лет тому назад. В неимоверно горячем и плотном, стремительно расширяющемся и охлаждающемся сгустке материи непрерывно возникали определенные «поколения» частиц, соответствующие изменяющимся условиям.
Через три минуты расширения и охлаждения плазмы возник набор частиц, который уже не изменялся до начала образования звезд. Важнейшие черты этого состава сводятся к тому, что во Вселенной создалось соотношение между протонами и фотонами, равное 1:10 9 . Это поразительное множество фотонов (но сравнению с атомами) и в настоящее время заполняет пространство в виде реликтового излучения, не имеющего источника.
В течение нескольких минут расширения Вселенная остыла настолько, что скорость ядерных реакций между имеющимися частицами упала до нуля. Нейтроны соединились с протонами, образовав дейтерий, а ядра дейтерия быстро соединялись в ядра гелия (4 Не). Начальные условия во Вселенной оказались таковы, что нейтронов хватило на образование приблизительно 10% гелия из общего числа ядер. Остальные протоны сохранились в свободном виде и вместе с электронами в дальнейшем составили химический элемент водород. Будь во Вселенной больше нейтронов, то в веществе мог бы преобладать гелий, что коренным образом отразилось бы на последующих процессах звездообразования. Гелий в звездах превращался бы в тяжелые элементы в несколько раз быстрее, чем водород, и продолжительность жизни звезд сильно сократилась. Это, очевидно, повлияло бы на возможность эволюции биологической жизни.
Еще один вид частиц, обладающих массой покоя и необходимых для образования атомов, - электроны - сохранились в количестве, приблизительно равном количеству протонов. Факт существования перечисленных частиц по-своему замечателен и не объяснен. Все три частицы - протоны, нейтроны и электроны - имеют свои античастицы: антипротоны (р ~), антинейтроны (Я) и антиэлектроны (позитроны, е). При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция с превращением в конечном счете в фотоны. При температуре в миллиарды градусов фотоны непрерывно порождают пары электрон - позитрон (е~ - е +), которые вновь аннигилируют, превращаясь в фотоны. Таким образом, электроны, позитроны и фотоны находятся в равновесии. При понижении температуры по мере расширения Вселенной энергия фотонов становится недостаточной для рождения пар е~ - е + , все имеющиеся пары аннигилируют, и при этом обнаруживается небольшой избыток электронов, которые и сохранились на последующие времена. Небольшим этот избыток является в сравнении с числом имеющихся фотонов, как сказано выше. То же самое относится и к протонам, которых оказалось чуть больше, чем антипротонов. Следовательно, одной из предпосылок появления атомов оказался ничтожный дисбаланс частиц и античастиц.
Через миллион лет расширения и остывания Вселенной температура понизилась до -4000 К. Это температурная граница, ниже которой электроны захватываются притяжением ядер и образуются «укомплектованные» атомы. Нейтральный гелий возникает при несколько более высокой температуре, чем водород, так как его энергия ионизации больше.
Пока ничего не говорилось о существовании других химических элементов, кроме водорода с его изотопом дейтерием и гелия. На этапе эволюции до появления звезд их действительно не было. Звезды начали образовываться в результате гравитационной конденсации вещества после возникновения нейтральных атомов. Время появления галактик и составляющих их звезд недостаточно определенно. С точки зрения физики разработать теорию процессов, происходивших в течение первых минут после Большого взрыва, оказалось легче, чем «сценарий» дальнейших событий, связанных с фрагментацией вещества на отдельные галактики и звезды. Можно принять в качестве ориентировочной цифры, что первое поколение звезд возникло спустя миллиард лет после Большого взрыва.
При гравитационном сжатии сгустка водородно-гелиевой смеси потенциальная энергия переходила в кинетическую и соответственно повышалась температура. Когда она достигала 10-15 млн градусов, в центральной области протозвезды (ядре) начинались термоядерные реакции и звезда загоралась. В термоядерных реакциях участвуют как водород, так и гелий. Водород сначала превращается в гелий по цепочке реакций:
- 2р + = d + + е + + v очень медленно; d + + р + = 3 Не 2+ + у быстро;
- 2 3 Не 2+ = 4 Не 2+ + 2относительно медленно (здесь б/ + - дейтрон, е + - позитрон, v - нейтрино, у - гамма-квант).
Можно спросить: почему водород не превратился в гелий по этим последовательным реакциям в первые минуты после Большого взрыва, но превращается в звездах? Причина очень простая. В первые минуты благоприятная температура для данного процесса длилась мгновения, так как шло расширение и охлаждение Вселенной, а в звездах этот процесс идет как бы в тлеющем режиме при стационарных условиях. Медленность первой стадии обусловлена слабым ядерным взаимодействием и является одним из условий длительного существования звезды. После выгорания водорода в ядре повышается температура, и при ~1 Ю 8 градусов начинается «горение» гелия, представляющее собой последовательное слияние его ядер в ядра последующих элементов, сопровождающееся выделением огромной энергии. При столкновении двух ядер 4 Не устойчивое ядро 8 Ве не образуется. Этот изотоп бериллия вообще не существует. Но если за столкновением двух ядер быстро следует столкновение с третьим ядром гелия, то образуется ядро углерода 12 С. Это ядро реагирует с гелием дальше, превращаясь в кислород 16 0. Удивительная удача (с точки зрения наличия материма для существования жизни) состоит в том, что реакция углерода с гелием идет достаточно медленно. Поэтому при образовании кислорода сохраняется и значительное количество необходимого для жизни углерода. На этом заканчивается этап горения гелия. При дальнейшем повышении температуры горят углерод и кислород. При реакциях между ядрами углерода или между ядрами кислорода образуются более тяжелые элементы магний, натрий, сера, фосфор, кремний и др. с одновременным вылетом протонов, нейтронов, а-частиц. Последние, последовательно присоединяясь к устойчивым ядрам, например 28 Si, образуют химические элементы вплоть до железа.
Звезду можно назвать котлом, в котором варится сырье, превращаясь в набор химических элементов. Но готовый продукт из котла надо извлечь. Без этого образовавшиеся элементы в недрах звезды никак себя не проявляют. Здесь очень кстати обнаруживается способность звезд определенного типа взрываться. На соответствующем этапе эволюции звезды в слое на некотором расстоянии от центра лавинообразно нарастает мощность выделения энергии. Возникающее давление отметает в пространство всю внешнюю массу звезды и одновременно сжимает оставшуюся центральную часть. Это взрыв невообразимой мощности. Па короткое время светимость звезды возрастает до светимости целой галактики. При этом ядерные процессы приводят к образованию всех элементов тяжелее железа. Звезда сбрасывает оболочку, которая рассеивается в окружающем пространстве.
Теперь межзвездный газ обогащен всеми химическими элементами. Следует также подчеркнуть, что образовавшиеся в ядре звезды элементы в среднем составляют лишь 1-2% от всего количества вещества звезды. В межзвездном газе по-прежнему преобладают водород и гелий. Из материала взорвавшихся звезд образуются звезды следующего поколения, планеты, их спутники, кометы. В астрофизике рассматриваются и другие пути образования тяжелых элементов, в частности в ядрах галактик. Но это лишь дополняет основной факт, сводящийся к тому, что все тяжелые элементы образуются из первичных элементов - водорода и гелия.
