Химия космоса

А.Е. Ферсман

Смотрите также:

Ферсман. Рассказы о самоцветах

ФЕРСМАН. ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ МИНЕРАЛОГИЯ

Ферсман. Путешествия за камнем

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Ферсман. Геохимия - химия земли

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

Биология

Эволюция биосферы

Геоботаника

 Биографии геологов, почвоведов

Эволюция

Космогонические теории

«Старая гипотеза о происхождении мира—это гипотеза Лапласа; но ее старость бодрая и здоровая, для ее возраста на ней еще мало морщин».

Пуанкаре 1911 г.

§ 64. Мы рассмотрели выше фактический материал наблюдений, дали схему химии космоса и выделили в ней область явлений, не укладывающихся в общие рамки схемы и требовавших иных объяснений. Эти объяснения мы пытались искать в явлениях атома, в том сложном комплексе явлений, который ныне объединяется специальными научными течениями, на границе между физикой и химией.

Различны и сложны были пути, по которым пытались выяснить и объяснить происхождение и ход процессов мироздания. Мы далеки здесь от задачи рассмотрения этих путей; мы только выхватили из них те основные течения, которые привели нас к современному мировоззрению.

В космогонических гипотезах мы можем подметить два основных течения: одно, базируясь на законах небесной механики, пыталось выяснить современное строение звездного мира и нашей планетной системы, не касаясь химической природы атома. Второе—наоборот, основывалось на идеях трансмутации химических элементов и непосредственно подводило нас к вопросам химической эволюции и радиоактивного распада. Если первое по большей части занималось механикою планетной си- стемы, второе—базировалось на спектроскопии звезд. Но и в первом течении мы невольно находили факты, непосредственно касавшиеся химии элементов, так как, оперируя с физическими величинами, эти гипотезы должны были исходить из определенных удельных весов тел и элементов.

Две основные гипотезы оспаривают сейчас первенство и истину: это, с одной стороны, старая Канто-Лапласовская или небулярная гипотеза, воспринятая с поправками Пуанкаре, и планетезимальная гипотеза Чэмберлена-Салисбюри, рожденная из глубоких обобщений Дж. Дарвин а и получившая свое математическое обоснование в трудах М у л ьто н а. К ним в той или иной форме примыкает длинная плеяда гипотез Faye, Jeams, See, Belot и ряда других.

И планетезимальная, и небулярная теории для нас важны тем, что в основу и той и другой положены силы Ньютоновского тяготения, т. е. те силы, которые в космическом масштабе распределяют атомы по их удельным весам. И из той и из другой гипотезы вытекала необходимость сосредоточения тяжелых элементов в центральных частях и легких—снаружи. В теории планетезимальной к этому присоединились еще силы молекулярного движения, частью своими скоростями вызывавшие вынос легких элементов из недостаточно мощных полей тяготения. Наконец, к этим двум причинам в последнее время Лебедев, Аррениус, Эддингтон и др. присоединили световое давление — третью могучую мировую силу, разделяющую молекулы, элементы и их группировки в мироздании на основании характера физических свойств.

Вторая группа гипотез базировалась на идее взаимного превращения элементов, и этим идеям положил начало Л окай ер и Крукс: последний еще в 1874 г. в речи в Шеффильде стремился показать, что не только одни виды материи переходят в другие, но что энергия и масса материи одно и то же.

Идеи Локайера, вытекавшие из анализа звездных спектров, общеизвестны; для него при повышении температуры идет распад вещества до первичной материи и вновь созидание элементов при охлаждении. Поэтому на очень горячих космических телах он видел одни только газы, протоводород»), далее к ним присоединялся гелий и еще далее, при охлаждении «протоме- таллы», потом С, N, О и Si, наконец, постепенно появляются сами металлы, а водород и протоэлементы исчезают. Схема звездной эволюции отвечала схеме эволюции химических элементов.

В сущности это были уже старые идеи Крукса, этого мистика-философа, который еще в 1886 г. рисовал фантастические картины генезиса элементов путем конденсации в космической туманности легких элементов в более тяжелые атомы.

Однако, как ни велико было значение схемы Локайер а, как ни увлекательны были те горизонты, которые раскрывались в ее стройной картине, тем не менее она долгое время оставалась только гипотезою, а ныне в свете идей индийца Сага, оказывается, не отвечает наблюдениям. Вся смена линий в спектрах звезд оказалась вызванною правда теми-же физическими причинами, что и в схеме Локайер а, но ее химическая основа оказалась подорванною, и постоянство и неизменность ядра атома вновь оказались не нарушенными.

Между тем целый ряд явлений, отмеченных мною выше в § 60, в действительности не укладывались в столь простую схему отрицания всяких генетических явлений в атомах, и, признавая, что факты говорят о постоянстве и однородности химического состава мироздания, тем не менее ряд крупнейших химиков и физиков последнего времени пытались осветить эту основную проблему. Среди них мы упомянем имена П е р р е н а, Нернста, Аррениуса и Мейтнер, к краткому изложению идей которых мы и переходим.

Впервые глубокий анализ мировых химических процессов был дан Перреном (1919—1922 гг.). Признавая невозможность самопроизвольного распада радиоактивного вещества, Перрен приписывает его излучению ультра-икс-лучей, которые выделяются при процессе конденсации водорода и гелия в более тяжелые атомы. Этот процесс интеграции элементов происходит и на звездах, и в центральных частях земли. Образование тяжелых элементов нормально идет с огромным выделением тепла, причем впервые Перрен мировое тепло звезд и нашего солнца пытался связать с колоссальным выделением энергии при конденсации четырех водородов в гелиогруппу. При этом происходит потеря на 1 гр. соединения 32 миллиграмма материи, что отвечает 7.10й малых калорий тепла. Позднее по этому пути пошли в объяснении тепла солнца А стон (1922 г.) и Аррениус (1922 г.). Таким образом Перрен становится определенно на точку зрения синтеза элементов с выделением лучей, вызывающих их-же распад, а в космогонии выдвигает идею образования звезд из туманностей с образованием в первичной стадии Н, Не и Neb (с атомным весом 3).

Нет никакого сомнения, что огромный научный авторитет Перрена говорит за строгую научность тех смелых выводов, которые он делает; однако, весьма вероятно, что не вся Менделеевская таблица в одинаковой мере реагирует на указанные им деятели, и остается по-прежнему не исключенным, что радиоактивный распад с видимым выделением энергии возможен лишь для особо тяжелых групп, содержащих в себе водородные частицы, и что распад гелия на водородные атомы возможен лить при приложении мощного источника энергии.

На близкой точке зрения стоит и Аррениус. Для него несомненно, что внутренное тепло солнца и звезд нельзя объяснить без принятия каких-либо особых предположений, вытекающих из рамок обычных наших представлений. Подробно разбирая природу солнечного тепла (см. § 63), он последовательно отвергает старые гипотезы и доказывает недостаточность принятия и сильно экзотермических реакций, и воссоединения элементов ионизированных с электронами. Таким образом остается единственное объяснение, что выделение тепла вызывается конденсацией четырех водородов в группы гелия, тем более, что такой процесс мог бы обеспечить современный тепловой режим солнца на 8? миллиардов лет.

По мнению Аррениуса, звезды образуются из туманностей, причем сначала возникают Н, Не и Neb (небулий с атомным весом около 3); далее начинается образование N, О, Mg, Si, позднее Ca, Ti, Fe. В начале туманности холодные, с температурами, близкими к абсолютному нулю, чем и объясняется сохранение легких летучих газов в пределах туманности, светящейся благодаря электрическим разрядам в сильно разряженной среде. Далее начинается сильно экзотермический процесс образования <5олее тяжелых элементов, атомы диссоциируют, исчезают Не и Neb. Равновесие системы поддерживается соотношением сил светового давления и Ньютоновских сил притяжения. Температура повышается, звезды великаны превращаются в карлики, после того рост температуры останавливается: твердые частицы, окружающие гиганты, мало-по-малу стягиваются к поверхности постепенно охлаждающейся звезды. В этой космогонии мы не видим никаких новых точек зрения; идеи Перрена комбинируются со старыми мыслями Локайера: круг превращений вновь начинается после столкновения погасших звезд и превращения их снова в туманности.

К Аррениусу очень близко примыкает и Мейтнер, дающая в большой обзорной статье сводку радиоактивности космоса; однако, никаких новых фактов она не приводит.

Несомненно самою блестящею и неожиданною по смелости являетЛ концепция Нернста (1921 г.). Концепция эта—новая широкая попытка поставить в основу космических процессов явления радиоактивного распада. Н е р н с т смелее своих предшественников, и во многих вопросах его мысль залетает далеко за пределы завоеваний точного знания.

Основные идеи Нернста1) следующие: Идея о постепенной эволюции мироздания согласно идеям энтропии должна быть ныне заменена идеей стационарного состояния. Хотя эта мысль отвергается рядом исследований, в том числе Norke (97), но все же она заслуживает внимания, хотя правильнее было бы заменить стационарное состояние Нернста постоянным циклическим процессом. Одни звезды гаснут, зажигаются другие, мир живет во времени, сочетая массу и энергию в единый элемент мироздания: потеря в массе равна потере во времени, деленной на квадрат световой скорости — такова его основная формула, взятая у Эйнштейна. Все видимое нами мироздание подчинено законам радиоактивного распада материи; огромные космические температуры вызваны не синтезом элементов, а просто температурною кривою процесса радиоактивных превращений.

Ни одно из космических явлений в известных нам мощностях и с известными нам коэффициентами не может повлиять на скорость распада: он идет неизменно во всем мироздании, вызывая и нисходящую, и восходящую ветку звездной эволюции. В этом мы видим резкое отличие от концепции Аррениуса, относящего главную часть температурных повышений звезд не к радиоактивному распаду, а к еще более экзотермическому процессу—синтезу гелиевых групп. Нернст в мироздании не видит этого синтеза, он признает его существование, но не может определить формы и место интеграции атомов. Чувствуя, что в своих подсчетах ему не хватает тепла для покрытия звездного и солнечного процесса, и, вместе с тем,'не допуская интеграции элементов в качестве более могучего источника тепла, Нернст принужден прибегнуть к новому допущению: что в космических телах имеются еще более тяжелые атомы, чем уран, еще более мощные радиоактивные системы, стоящие за № 92.

Эта смелая гипотеза не находит себе поддержки ни у А р р е- ниуса, ни у Эмдена с его блестящим анализом звездных процессов.

Для Нернст а конечный продукт распада элементов — это наполняющий космос, наделенный запасами энергии, световой эфир, из которого время от времени, в качестве огромной случайности, на основе кинетической теории газов, возникают новые сочетания, т. е. создаются более тяжелые атомы—химические элементы нашей периодической системы. Вместе с Эддинг- тоном он принимает огромное значение светового давления и, принимая средний атомный вес газового скопления в 3,2, что отвечает весу паров сильно ионизированного железа, он видит космический процесс, с одной стороны, в различии соотношений между Ньютоновскими силами притяжения и силами отталкивающими светового и газового давления, с другой—в постепенном и неуклонном течении радиоактивного распада, которому подчинена, по его мнению, вся периодическая система. Излучаемая тепловая энергия поглощается световым эфиром, превращаясь в ту энергию, которая свойственна ему еще при абсолютном нуле.

К содержанию книги: ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМЛИ И КОСМОСА