2. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ

    Распространенностью элементов называется число ядер данного элемента в веществе, приходящееся на определенное число ядер эталонного элемента. В качестве эталонного элемента обычно выбирают водород или кремний. Экспериментальные данные о распространенности различных элементов получают путем анализа элементного состава Земли, Луны и других планет, метеоритов, на основе спектрального анализа Солнца и других звезд межзвездной среды, а также из содержания различных ядер в составе космических лучей. Имеются сложности как в реализации различных методов определения распространенности химических элементов, так и в интерпретации результатов наблюдений. Все это приводит к погрешностям в определении распространенности элементов.
    Для Земли, Луны, метеоритов состав элементов определяется посредством химического анализа и ядерно - физическими методами. Преимуществом последних является то, что может быть получена информация о содержании различных изотопов одного элемента. В связи с тем, что спектральные линии, принадлежащие различным изотопам одного элемента, слабо смещаются по частоте, для большинства элементов в звездах определить изотопный состав невозможно.
    Основные трудности при изучении распространенности элементов на Земле состоят в следующем.
    1. Мы не имеем прямого доступа к недрам Земли. Поэтому при анализе внутреннего состава Земли необходимо привлекать различные теоретические модели. В частности, необходимо принять во внимание термическую историю Земли. Если Земля на ранней стадии была расплавленной, могло происходить разделение элементов. Элементы фазы железа - кобальт, никель, палладий, золото и др., должны были оказаться преимущественно в земном ядре. Элементы силикатной фазы - литий, натрий, калий, магний, кремний, должны были преимущественно концентрироваться в земной коре.
    2. Образцы земных пород из различных областей земной поверхности сильно различаются по химическому составу.
    3. Земля должна была потерять значительную часть легких газов (водорода и гелия) до того, как она достигла современного состояния. Это необходимо учитывать при сравнении распространенности различных элементов на Земле и в звездах. Обычно метеориты делятся на три большие группы: железные, каменные и железокаменные. Железные метеориты состоят практически полностью из металлов. Типичный состав: 90% железа и 9% никеля. Каменные метеориты состоят преимущественно из силикатов (соединений кремния). При анализе химического состава метеоритов необходимо учесть следующие обстоятельства.
    - железные метеориты при пролете сквозь земную атмосферу испаряются слабее, чем каменные;
    - на Земле каменные метеориты выветриваются сильнее.
Поэтому на Земле число обнаруженных железных метеоритов больше, чем каменных. Все это приводит к искажению процентного состава различных элементов в метеоритах. Обычно считают, что каменные метеориты являются наиболее характерными представителями метеоритного вещества.
    Анализ химического состава лунных пород показывает, что они содержат по сравнению с метеоритами относительно большее число таких элементов как литий, натрий, калий, магний, кремний и меньшее число таких элементов как углерод, азот, сера, хлор, т.е. летучих элементов. В целом, однако, можно утверждать, что земная мантия, наиболее распространенные типы метеоритов и грунт лунной поверхности имеют примерно сходный состав. По современным представлениям 98% видимого вещества сосредоточено в звездах, 2% - в межзвездной пыли и газе. Анализ содержания элементов в отдельных звездах далеких галактик находится в настоящее время за пределами наших возможностей. В тех случаях, когда возможен спектральный анализ излучения отдельной звезды, химический состав звезды устанавливается по спектральным линиям, характерным для данного элемента. Линии могут быть как линиями излучения, так и поглощения. Для большинства звезд - это линии поглощения. Интенсивности спектральных линий поглощения зависят от числа атомов данного элемента, температуры и плотности слоев звездной атмосферы. Обнаружение линий поглощения в спектре звезды указывает на наличие элемента, которому они принадлежат. Отсутствие линий поглощения того или иного элемента еще не означает, что его нет в звездной оболочке.
    Анализируя спектральные линии, наблюдаемые от звезд, необходимо учитывать следующие причины, которые могут приводить к уширению (или расщеплению) спектральных линий, либо к их смещению.
    1. Эффект Допплера, обусловленный турбулентностью вещества звезды, вращением звезды относительно наблюдателя, расширением атмосферы звезды.
    2. Расщепление спектральных линий в магнитных полях (эффект Зеемана). Пример - область солнечных пятен.
    3. Расщепление спектральных линий в электрических полях (эффект Штарка).
    4. Наличие гравитационного поля звезды. Оно приводит к смещению спектральных линий. Этот эффект сильно проявляется для звезд с большим тяготением на поверхности. Линия может быть слабой или трудно наблюдаемой по следующим причинам:
    - элемент может не иметь спектральных линий в исследуемой области спектра;
    - элемент может присутствовать, но находиться в таких состояниях ионизации или возбуждения, для которых в наблюдаемой области нет линий поглощения;
    - при высоких температурах все атомы могут быть ионизованы;
    - при анализе с поверхности Земли возникают дополнительные трудности, связанные с прозрачностью Земной атмосферы. На рис. 5 показаны области длин волн, для которых земная атмосфера является прозрачной (не заштрихованные участки спектра), и области длин волн, для которых земная атмосфера непрозрачна (заштрихованные участки спектра).

Рис. 5. Прозрачность земной атмосферы

Рис. 6. Схема уровней энергии атомов водорода. Длины волн излучения и частоты можно найти из выражений=12400/E и = 2.42·1014E Гц, где E энергия перехода в эВ

    Сказанное можно пояснить на примере наблюдения излучения атомов водорода (рис. 6). Для атома водорода линии серии Лаймана располагаются в ультрафиолетовой области и поэтому не могут наблюдаться с поверхности Земли из-за сильного поглощения земной атмосферой. В звездах с низкой температурой поверхности весь водород находится в основном состоянии и в спектре серии Бальмера отсутствует. У звезд с более высокой температурой появляется интенсивная серия Бальмера. В еще более горячих звездах водород ионизован и линия Бальмера вновь отсутствует.
    Сведения о содержании гелия для большинства звезд получаются с большой погрешностью. Причины таковы:
    - в холодных звездах гелий находится в основном состоянии и линии поглощения оказываются в ультрафиолетовой области, т.е. их невозможно наблюдать с Земли;
    - излучение с длинами волн, меньшими, чем лаймоновская серия водорода, сильно поглощается в водороде, содержащемся в межзвездном газе.
    Гораздо легче наблюдать линии ионизованного гелия для горячих звезд или нейтрального гелия в высоких состояниях возбуждения. В тех случаях, когда можно оценить содержание гелия, оно оказывается высоким. Это единственный элемент, сравнимый по содержанию с водородом. Звезды на 25 - 30% по массе состоят из гелия. Вопрос о содержании гелия чрезвычайно важен. В частности, важно знать, существуют ли звезды, содержащие меньше 25% гелия по массе. Из космологической теории следует, что гелий в основном образуется на начальном этапе в Горячей Вселенной, в первые минуты после Большого Взрыва.
    В настоящее время известно, что существуют звезды, у которых содержание тяжелых элементов во много раз больше, чем на Солнце (у некоторых звезд - в тысячи раз). Существуют также звезды, у которых содержание тяжелых элементов существенно ниже, чем на Солнце.
    Оказывается, что химический состав звезды зависит от места её образования. Звезды, сформировавшиеся ближе к центру Галактики, содержат тяжелых элементов больше, чем те, что возникли в отдаленных частях Галактики. Самые старые звезды, члены шаровых скоплений, отличаются самым низким содержанием тяжелых элементов. Предполагается, что для большинства звезд главной последовательности химический состав атмосферы близок к первоначальному составу межзвездной среды, из которой они образовались. Изучение звезд различного возраста, звезд, образующихся в различных местах, дает возможность судить об эволюции химического состава Галактики. Космическое межзвездное пространство не является пустым. Скопления мелкой пыли и газа затемняют свет находящихся за ними звезд. Полную массу межзвездных облаков можно оценить, анализируя движение отдельных звезд в окрестности Солнца. Общая плотность материи в окрестности Солнца составляет 6·10^-24 г/см³. На звезды приходится половина этой величины. Плотность 3·10^-24 г/см³ характеризует плотность межзвездной материи (средняя плотность Вселенной за счет межгалактических областей намного порядков ниже этой величины). Характерной особенностью межзвездной среды является значительная неоднородность.
    По химическому составу межзвездная среда состоит преимущественно из водорода и гелия. Оценки содержания этих элементов, проведенные для нескольких галактик, показывают, что отношение содержания водорода к гелию примерно постоянно и составляет 10:1, т.е. на один атом гелия приходится 10 атомов водорода.
    Огромная протяженность газовых облаков была обнаружена по линиям поглощения излучения звезды при прохождении через газовое облако. Одним из первых элементов, обнаруженных в межзвездном пространстве, был ионизованный кальций, затем были обнаружены линии межзвездного натрия и ряда других элементов. Обычно выделяют две области межзвездной среды:
    1. Холодная (T ≈10² K). Её называют HI, так как в ней водород не ионизован.
    2. Область HII - область ионизованного водорода. Она возникает в результате нагревания газового облака горячей звездой (T ≈10⁴ K). Холодный водород исследуется по линии излучения и поглощения радиоволн с длиной волны 21.1 см. Механизм образования этой линии следующий. В основном состоянии атома водорода спины электрона и протона направлены в противоположные стороны (суммарный спин J = 0). Возбужденное состояние с параллельно направленными спинами (J = 1) находится выше по энергии на 5.9 ·10^-6 эВ. Столкновения между атомами водорода могут переводить их в возбужденное состояние с последующим испусканием фотона. Фотон с энергией 5.9·10^-6 эВ, испускаемый в процессе переворота спина, имеет длину волны λ ≈ 21.1 см. Благодаря таким переходам можно обнаружить присутствие водорода и определить его количество в межзвездном и межгалактическом пространстве.
    В рентгеновских спектрах межгалактического газа была обнаружена характерная эмиссионная линия сильно ионизованных атомов железа. По содержанию железа межгалактический газ скоплений галактик лишь незначительно уступает Солнцу. Анализ межзвездной среды показывает, что химический состав газовых туманностей аналогичен составу горячих недавно образовавшихся звезд.
    Поток космических лучей у поверхности Земли ≈ 1 частица/см²·с. Более 90% частиц первичного космического излучения всех энергий составляют протоны, 7% - α-частицы и лишь небольшая доля (≈1%) приходится на более тяжелые элементы. Такой состав в основном соответствует средней распространенности элементов во Вселенной. Более детально распространенность элементов в составе космического излучения приведена на рис. 7. Характерная особенность - существенно большее содержание в космических лучах лития, бериллия и бора.

Рис. 7. Распространенность элементов во Вселенной. Тонкая линия - распространенность элементов в составе космического излучения; толстая - средняя распространенность элементов во Вселенной (эффект спаривания нуклонов приводит к тому, что у ядер с четными значениями Z и N распространенность, как правило, выше, чем у соседних ядер с нечетными Z и N).

    Отношение содержания изотопов одного и того же элемента практически постоянно не только для различных участков земной поверхности, но и для метеоритов и для лунного грунта. Это может служить подтверждением общности происхождения тел Солнечной системы. Это особенно существенно, так как различные изотопы одного и того же элемента образуются в различных ядерных процессах (табл.17).

Рис. 8. Распространенность нуклидов относительно Si в зависимости от массового числа (выбраны такие единицы, в которых распространенность Si равна 106)

    Распространенность элементов как функция массового числа, построенная на основе анализа информации о распространенности элементов на Земле, в метеоритах, на Солнце и в звездах, схематически показана на рис. 8. Указаны процессы, ответственные за формирование различных участков кривой распространенности.
    Среди наиболее существенных особенностей распространенности элементов можно выделить следующие:
    1. Вещество во Вселенной в основном состоит из водорода - 90% всех атомов.
    2. По распространенности гелий занимает второе место, составляя ~ 10% от числа атомов водорода.
    3. Существует глубокий минимум, соответствующий литию, бериллию и бору.
    4. Сразу за этим глубоким минимумом следует максимум, обусловленный повышенной распространенностью углерода и кислорода.
    5. Вслед за кислородным максимумом идет скачкообразное падение вплоть до скандия (Z=21, A=45).
    6. Наблюдается резкое повышение распространенности элементов в районе железа (“железный пик”).
    7. После A ~ 60 уменьшение распространенности происходит более плавно.
    8. Наблюдается заметное различие между элементами с четным и нечетным Z. Как правило, элементы с четным Z являются более распространенными (рис.7).
    9. Ряд ядер, так называемые обойденные ядра - ⁷⁴Se, ⁷⁸Kr, ⁹²Mo, ⁹⁶Ru и др., имеют распространенность на два порядка меньшую, чем соседние ядра. Эти особенности распространенности элементов и должны быть объяснены в теории образования элементов.