Образование химических элементов в космических телах 1

Чем выше атомный вес элемента, тем реже он встречается в природе. Обращает на себя внимание также факт повышенной распространенности элементов с четными порядковыми номерами. Содержание их составляет в целом для Земли 97,21 вес.%, по числу атомов — 97,35 %. Содержание нечетных элементов значительно меньше. Преобладание четных элементов над нечетными особенно резко проявляется в группе редкоземельных элементов. Эти элементы имеют чрезвычайно близкие химические свойства, что обусловлено одинаковым строением их наружных электронных оболочек. Все 14 элементов этой группы сопутствуют друг другу при различных геологических и геохимических процессах, и соотношение их содержания практически не изменяется. На рис. 28 показаны кривые распространенности элементов этой группы в земной коре и метеоритах. Видно последовательное повышение распространенности четных элементов по сравнению с нечетными.

По мере того как выяснялись все новые и новые закономерности в распространенности химических элементов в земной коре, естественно появлялись и попытки объяснить наблюдаемые закономерности.

Рис. 28. Распространенность редкоземельных элементов в земной коре (1) и метеоритах (2). (Распространенность лантана принята за единицу.)

Прежде всего пытались найти зависимость периодических изменений в величинах распространенности элементов от их атомных весов. Такой подход был тесно связан с общим развитием химии в последней четверти XIX века. К этому времени Д. И. Менделеев открыл закон о периодических изменениях разнообразных химических и физических свойств химических элементов и их соединений. Однако все попытки найти какую-либо периодическую закономерность в распространенности элементов не увенчались успехом. Оказалось, что распространенность химических элементов в земной коре не связана с их химическими свойствами.

Элементы с очень близкими химическими свойствами часто имеют самую различную распространенность. В качестве примера можно привести данные по распространенности в земной коре щелочных металлов. Так, содержание калия равно 2,35 вес. %, натрия — 2,4, лития — 0,005, рубидия — 0,008 и, наконец, цезия — 0,001 вес. %. И наоборот, часто распространенность элементов с совершенно различными химическими свойствами почти одинакова. Например, распространенность фосфора равна 0,12, марганца—0,1 вес. %. Почти одинакова распространенность кадмия и йода: 0,0005 и 0,0001 вес. % соответственно и т. д.

Распространенность элементов зависит от свойств атомных ядер и их устойчивости. Это обнаружили после открытия стабильных изотопов и точного определения изотопного состава всех природных элементов. Сведения об относительной распространенности изотопов в земной коре получены для всех химических элементов. Соотношения между изотопами одного элемента самые различные. Некоторые элементы, например медь и европий, состоят из двух изотопов с почти равной распространенностью, распространенность двух изотопов лантана отличается между собой почти в 100 раз. Наименьшую относительную распространенность имеет изотоп Не³ — всего лишь 0,00013 % общего числа всех атомов атмосферного гелия.

Изучение относительной распространенности изотопов показало, что изотопный состав химических элементов на Земле постоянен. Например, у хлора, извлеченного из морской воды и выделенного из минералов — апатита и других, атомный вес оказался одинаковым. То же самое обнаружено для никеля, железа, кремния, ртути, азота, сурьмы и меди.

Изучение изотопного состава элементов в метеоритах показало, что он аналогичен их изотопному составу на Земле. Ниже приведен изотопный состав железа в земной коре и метеорите (табл. 8). Постоянство изотопного состава многих элементов в земной коре и метеоритах указывает, видимо, на их происхождение из одного и того же космического вещества и на одинаковый характер ядерных реакций, приводящих к синтезу элементов Земли и метеоритов.

Изотопный состав атмосферы звезд изучен еще совершенно недостаточно. Однако имеются указания, что он может быть различным. Впервые это показал советский ученый Г. А. Шайн для изотопов углерода — С¹² и С¹³. Отношение их распространенностей для атмосфер некоторых углеродных звезд меняется от 1 до 50. В настоящее время найдено, что для Земли, метеоритов и атмосферы Солнца отношение С¹³/С¹² равно 0,011, а для атмосфер звезд класса N колеблется от 0,05 до 0,5, для атмосфер звезд класса R — от 0,02 до 0,3. Для межзвездного вещества оно равно 0,2. Эти различия имеют очень большое значение для решения вопроса о происхождении химических элементов, их синтезе в звездах и последующей эволюции в космическом пространстве и планетах.

Таблица 8

Изотопный состав железа(содержание Fe⁵⁶ принято за 100 °/₀)

Распространенность изотопов подчиняется определенным закономерностям, главные из них следующие.