3 роки тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Любопытно, что на нашей железо-кремниевой планете гелий занимает далеко не первое место, пропуская вперед множество химических эле­ментов. Более того, относительное содержание гелия во внешних оболочках Земли, включая атмосферу, гидросферу и литосферу, в десятки миллиардов раз меньше, чем во Вселенной в целом. Предполагают, что тот гелий, который был захвачен Землей при ее обра­зовании, постепенно улетучился, ушел в мировое про­странство, как, впрочем, и свободный водород.

Однако и водород, и гелий полностью покинуть Землю не могли. Первый присутствует на Земле в хи­мически связанном состоянии, второй постоянно воз­никает в процессе радиоактивного распада. И хотя гелий в свободном состоянии не встречается, геологи утверждают, что невозможно найти природную газо­вую смесь, совершенно лишенную гелия. Концентра­ция гелия в природных газах, естественно, невелика и варьирует в широчайших пределах: от десятитысяч­ных долей процента до нескольких процентов. И хотя на Земле нет таких областей, о которых можно ска­зать, что они насыщены гелием, этот элемент присут­ствует повсюду. Он рассеян по планете.

Гелий в атмосфере

Вскоре после открытия У. Рамзая, когда гелий об­рел права гражданства на нашей планете, начались усиленные поиски его на Земле. Довольно скоро выяс­нилось, что гелий все же входит в состав земной ат­мосферы. Впервые это было установлено при взятии проб воздуха над Бонном в 1904 году, а спустя 9 лет присутствие этого элемента в земном воздухе получи­ло окончательное подтверждение. Правда, в земной атмосфере его оказалось чрезвычайно мало: около 0,0005 об %. Впоследствии эти данные неоднократно проверялись. Оказалось, что содержание гелия в зем­ной атмосфере отличается постоянством. Согласно уточненным данным, на каждую 1000 м3 воздуха при­ходится 5,24 л гелия. Позднее, когда возник промыш­ленный интерес к гелию, стало ясно, что источником гелия воздух быть не может.

Сначала предполагали, что обедненность гелием характерна лишь для прилегающего к Земле атмо­сферного слоя. Ожидалось, что верхние слои атмосфе­ры более насыщены им. Однако исследование этих слоев, начатое еще в 30-е годы при помощи радиозон­дов и стратостатов, а после второй мировой войны с помощью ракет и искусственных спутников Земли, показало, что это не так. Состав атмосферы остается удивительно постоянным, т. е в основном азотно-кис­лородная атмосфера сохраняется на протяжении 100 км от поверхности Земли. Лишь в экзосфере, внешней, постепенно переходящей в космическое пространство оболочке Земли, концентрация свободного гелия заметно увеличивается.

Водное пространство планеты, как заметил в свое время В. И. Вернадский, так же как и атмосфера, не может быть местом сосредоточения гелия. Дело в том, что он плохо растворяется в воде. В 1 л морской воды содержится около одной-двух десятитысячных долей гелия и других инертных газов, хотя не исключено, что на больших глубинах, где давление достигает 1000 кгс/см2, растворимость гелия в воде может не­сколько увеличиться.

Хранилища гелия

Земная кора более богата гелием, чем атмосфера и гидросфера. По оценкам, сделанным еще В. И. Вер­надским, гелий столь же распространен в земной коре, как золото, теллур и платина, хотя, конечно, распро­страненность его на Земле значительно ниже, чем во Вселенной в целом. В. И. Вернадский не раз задавал­ся вопросом: «Почему так мало гелия? Куда он де­вался?».

Вскоре после открытия гелия начались его интен­сивные поиски в горных породах. Именно в составе минералов и был впервые обнаружен земной гелий. Еще У. Рамзай обратил внимание на то, что все бога­тые ураном и торием минералы содержат и гелий. Но почему это так, в 1897 году объяснить не могли. Мине­ралы вообще способны были удерживать многие газы, не только гелий.

Содержание гелия в урановых минералах, в част­ности в 1 г торианита, достигает 10,5 см3. Это озна­чает, что парциальное давление гелия внутри кри­сталлической решетки минерала могло составлять примерно 10 кгс/см2. В 1 г знакомого нам клевеита содержится 0,8—3,5 см3 гелия.

Когда была установлена генетическая связь гелия с радиоактивными веществами, присутствие его в со­держащих уран и торий минералах стало понятным: гелий должен был постоянно образовываться в ре­зультате радиоактивного распада. Это обстоятельство показалось очень перспективным для определения аб­солютного возраста горных пород. Но о проблемах геохронологии мы будем более подробно говорить в главе VII. Здесь же нас интересует другое: колебания содержания гелия в минералах были столь велики и, как оказалось, далеко не всегда пропорциональны воз­расту минералов, что определяемый с помощью гелия возраст оказывался в десятки и даже в сотни раз за­ниженным или завышенным. Минералы не были са­мым надежным хранилищем гелия.

Но, пожалуй, самым интересным было то, что на­ряду с минералами, содержащими гелий, накопивший­ся в результате радиоактивного распада, нашлись и такие, где радиоактивный распад не происходил или же концентрация радиоактивных веществ была нич­тожной, но гелий наблюдался в повышенном количе­стве. Впервые с этим явлением столкнулся в 1908 году английский ученый Р. Стретт, который систематически исследовал очень многие минералы на предмет содер­жания в них гелия. Особенно богаты гелием оказались бериллы. Но обнаруженный в них гелий никак не свя­зывался с радиоактивностью элементов, входящих в их состав. Содержание гелия в бериллах из различных месторождений колебалось, но Р. Стретт установил, что, чем древнее минерал, тем больше в нем гелия. Возраст таких минералов, определенный по гелиевому методу, достигал десятков миллиардов лет и значи­тельно превышал возраст самой Земли.

Объяснение этому явлению дал в 40-х годах теку­щего столетия советский ученый Э. К. Герлинг, кото­рый в результате специально поставленных экспери­ментов показал, что в расплавленных породах рас­творимость гелия, заметно возрастает. Таким образом, избыточный гелий, очевидно, не имеет никакого отно­шения к собственной радиоактивности минерала. Он попал в эти минералы еще в то время, когда на по­верхности Земли господствовали достаточно высокие температуры и многие породы находились в расплав­ленном состоянии. Минералы, содержащие избыточ­ный гелий, очевидно, представляют интерес не для определения возраста горных пород, а для получения сведений о тепловой истории Земли.

Долгое время, во всяком случае до первой мировой войны, минералы служили единственным источником свободного гелия. При нагревании минералов до 1000 °С можно было заставить их расстаться с гелием, попавшим в поровое пространство. Однако таким спо­собом удалось получить незначительное количество гелия: его хватило лишь для научных исследований. Кстати, именно таким путем добыл гелий для своих ставших классическими опытов по обращению гелия в жидкое состояние голландский ученый X. Камер­линг-Оннес.

«Пузыри Земли»

«Земля, как и вода, содержит газы, и это были пу­зыри Земли». Эти слова вложил В. Шекспир в уста одного из своих героев.

Природные газы, как их понимает современная наука,— это часть естественного природного вещества, находящегося в газообразном состоянии. В понятие «природные газы» атмосфера не входит. Природные газы — это сравнительно небольшие объемы газа, спрятанного в порах горных пород. Размеры пор и пустот в недрах могут колебаться в широчайших пре­делах: от долей микрометра до сотен кубических мет­ров. В природных газах немало компонентов: азот и двуокись углерода, сероводород, широчайшая гамма углеводородов, начиная от метана и кончая более сложными соединениями, инертные газы ксенон, крип­тон и неон и, как правило, гелий с аргоном.

Поскольку гелий генетически связан с радиоактив­ными элементами, которые рассеяны в земной коре, то и он, как правило, образуется всюду. Частично, как мы уже знаем, накапливается в минералах, а частично растворяется в том веществе, которое его окружает: в первую очередь в воде, а также в природных газах и в нефти. Вместе с природными газами, нефтью, под­земными водами гелий мигрирует по трещинам и по­рам, которыми изобилуют горные породы, и, как ска­зала известный советский геолог В. П. Якуцени, «соз­дает там некоторый, пусть небольшой, но заметный фон собственного присутствия».

На отдельных участках содержание гелия может быть даже весьма большим. Из всех компонентов максимально обогащенными гелием оказываются именно природные газы. Рекордсменом в этом отно­шении стал горячий источник в Танзании, где содер­жание гелия в газах, растворенных в водах, достигло 17,7 %.

Исследование «ископаемого гелия» началось еще в конце прошлого века: впервые его обнаружили в вулканических газах Италии, затем в гейзерах Исландии. Постепенно выяснилось, что в том или ином количестве он наряду с другими благородными газами присутствует в природных газах различного проис­хождения: вулканического (сопровождающих изверже­ние вулканов и являющихся результатом химических реакций, протекающих при высоких температурах), тектонического (такие газовые струи возникают там, где имеются нарушения залегания горных пород; вы­водящими путями для них служат тектонические тре­щины) и, наконец, осадочного. Нашли гелий и в со­ставе рудничных газов.

Конечно, степень насыщенности естественных газов гелием зависит от многих факторов, в частности от интенсивности поступающего гелия из окружающих пород. Но ни вода, ни нефть по степени накопления гелия не могут конкурировать с природными газами. И с практической точки зрения, как потенциальный источник гелия, наибольший интерес представляют именно «пузыри Земли», т. е. газовые месторождения,

Гелий-3 на Земле

Если радиоактивным изотопам гелия из-за кратко­временности их существования так и не удалось покинуть лабораторию и сыграть сколько-нибудь значи­тельную роль в эволюции вещества, то поиски второго после гелия-4 стабильного изотопа — гелия-3 — пред­ставляют определенный интерес. Здесь ученым приш­лось столкнуться с очередной загадкой гелия: лег­кий изотоп встречался в земном веществе в сотни тысяч, миллионы и даже миллиарды раз реже, чем гелий-4.

На изотопное отношение природного гелия (Под изотопным понимается отношение количества легкого изотопа гелия-3 к тяжелому гелию-4 в тех или иных образцах) обра­тили внимание еще в 1939 году, после открытия изо­топа гелия с массовым числом 3. Первые оценки содержания гелия-3 в атмосфере и некоторых природ­ных газах, сделанные Л. Альваресом и Р. Корногом, показали, что его в 106— 108 раз меньше, чем гелия-4. То, что этот изотоп не был обнаружен в свое время Ф. Астоном, казалось неудивительным: чтобы опреде­лить присутствие таких малых количеств изотопа ге­лия-3, нужна была более чувствительная аппаратура. Самым же странным было не крайне низкое содержа­ние гелия-3, изотопа стабильного в земном веществе, а необычайные вариации изотопного отношения гелия. «В природе нет другого элемента, изотопное отноше­ние которого менялось бы в столь широких пределах (отношение 3Не/4Не меняется более, чем на девять порядков)»,— писал в 1956 году известный советский физик В. В. Чердынцев.

Исследование изотопного отношения гелия в природе знаменовало собой начало второго гелиевого ве­ка. Оказалось, что в различных местах земного шара оно различно. Наиболее высокая концентрация гелия-3 характерна для вулканических газов, где отношение 3Не/4Не примерно в 10 раз превышает атмосферное. Меньше всего гелия-3 обнаружили в радиоактивных минералах, где отношение 3Не/4Не приблизительно равно 10-10. Это становится понятным, если учесть, что радиоактивные минералы содержат до 10 % урана и тория, при альфа-распаде которых постоянно попол­няются запасы только тяжелого изотопа гелия. А вот литиевые минералы оказались в десятки и сотни ты­сяч раз более богатыми гелием-3, чем урановые и то­риевые.

Обращало на себя внимание и такое обстоя­тельство: чем с больших глубин брались пробы газа, тем более высоким оказывалось и изотопное отношение гелия. Для вулканических и природных газов осадочной толщи оно различалось в сотни ты­сяч раз.

Возникал вопрос: имеет ли какое-либо отношение распространенность гелия-3 к проблеме происхожде­ния гелия на Земле? Для ответа на вопрос необходимо обратиться к внеземным объектам. Оказалось, что практически во всех объектах внеземного происхожде­ния: метеоритах и образцах лунного грунта, косми­ческом излучении и солнечном ветре — присутствуют стабильные изотопы гелия. В 1952 году Ф. Панет ис­следовал изотопное отношение гелия в железных ме­теоритах. Он нашел, что хотя гелий и составляет мил­лионные доли вещества метеоритов, но изотопное от­ношение его достигает рекордного по сравнению с веществом Земли значения: 0,315. Предполагали, что легкий изотоп гелия образуется в метеоритах в ре­зультате ядерных реакций, протекающих под дейст­вием космического излучения. Подсчитано, что за один год в 1 г вещества железных метеоритов может обра­зовываться 5•10-14 см3 гелия. А возраст метеоритов составляет 108— 109 лет, и все это время они подвер­гаются «обстрелу» космическим излучением.

В каменных метеоритах изотопное отношение ге­лия в десятки раз ниже, чем в железных. Такое обед­нение легким изотопом гелия объясняют, как и в слу­чае радиоактивных минералов Земли, тем, что доля радиогенного гелия, возникшего в этих телах в ре­зультате альфа-распада, выше, чем в железных метео­ритах из-за более высокого содержания в них радио­активных элементов. Кстати, такое обогащение ге­лием-3 справедливо только для поверхностных областей метеоритов, куда могло проникнуть косми­ческое излучение. Во внутренних же областях метео­ритов изотопное отношение гелия оказывается удиви­тельно постоянным: 3•10-4, т. е. на 10000 ядер гелия приходится три его легких изотопа.

Зпервые такие данные получили в 1955 году со­ветские ученые Э. К. Герлинг и Л. К. Левский, изу­чавшие состав метеорита Старое Песьяное. Они пред­положили, что в веществе метеоритов сохранился так называемый первичный, солнечный, гелий, отражаю­щий состав того вещества, из которого метеориты не­когда образовались. Гипотеза о сохранении первично­го гелия получила подтверждение, когда в руки иссле­дователей попали образцы лунного грунта, доставлен­ные советскими космическими станциями «Луна-16», «Луна-17» и американской экспедицией «Аполлон-14». В лунных породах изотопное отношение гелия было гораздо выше, чем для любого образца земного ве­щества: 10-2 — 10-4.

Гелий-3 в космосе

Однако в природе есть еще один объект (если его можно назвать объектом), богатый гелием-3. Это — космическое излучение. Несмотря на исчисляемый миллионами лет возраст, это излучение — не первое (относительно начала расширения) поколение веще­ства Вселенной. Согласно современным представле­ниям галактическое космическое излучение образуется во время взрывов сверхновых звезд, когда высокие температуры и огромная концентрация нейтронов делают за короткое время осуществимыми реакции присоединения нейтронов. И это приводит к воз­никновению практически всех мыслимых изотопов атомных ядер. В космическом излучении, как и во Все­ленной в целом, гелий занимает второе место после водорода: 85 % водорода, 14 % гелия и 1 % ядер cZ>3 (Под символом понимается электрический заряд атомного ядра).

Относительно изотопного состава космического из­лучения долго сведений не было. Дело в том, что ос­новным детектором, позволяющим судить о зарядах частиц, входящих в состав космического излучения, долгое время служила ядерная фотоэмульсия, с по­мощью которой можно было провести достаточно на­дежную идентификацию частиц в зависимости от за­рядов, но не от масс частиц. Гелий-3 и гелий-4, по­павшие в фотоэмульсию, практически неразличимы, как и гелий-6 и гелий-8. Но радиоактивные изотопы гелия можно идентифицировать по их распадам, как это, в частности, было сделано в опытах О. В. Лож­кина и А. А. Римского-Корсакова.

Было установлено, что изотопное отношение гелия в космическом излучении достаточно высоко. При энергии 8 — 350 МэВ/нуклон одно ядро гелия-3 можно встретить среди десяти ядер гелия-4. А в составе очень быстрой, галактической, части космического излучения гелий-3 может встретиться даже чаще, чем основной изотоп.

В околосолнечном пространстве есть еще один ис­точник корпускулярного, т. е. состоящего из частиц, излучения. Это — солнечный ветер, представляющий собой поток нейтральной плазмы из положительно за­ряженных частиц [в основном легких ядер: протонов, дейтронов, тритонов (ядер трития), гелия-3 и гелия-4] и электронов. Солнечный ветер отражает состав внеш­них оболочек Солнца. Интересующее нас изотопное отношение 3Не/4Не в солнечном ветре составляет (3/4)-10-4.

Солнечный ветер «дует» в нашей Солнечной систе­ме постоянно. Но энергия и интенсивность входящих в его состав частиц невелики, во всяком случае по­верхности Земли солнечный ветер достигнуть не может; атмосфера и магнитное поле нашей планеты полностью гасят его «порывы». Что же касается без­атмосферных планет земной группы (Луны, Мерку­рия), к тому же лишенных магнитного поля, откло­няющего заряженные частицы, то их поверхности находятся под непрерывным «обстрелом» солнечными частицами. И это не может не сказаться на изотоп­ном составе. Поэтому неудивительно, что в пробах лунного грунта изотопное отношение гелия было та­ким же, что и для солнечного ветра.

Однако время от времени астрономы наблюдают явления, которые называют солнечными вспышками. При помощи специальной аппаратуры, установленной на космических аппаратах, удалось выяснить, что мно­гие вспышки аномально богаты гелием-3, именно ге-лием-3, который по содержанию в несколько раз пре­вышал гелий-4, а нередко был сравним с потоками водорода. Наиболее вероятное объяснение этих фак­тов связывается с ядерными реакциями, протекающи­ми на поверхности Солнца, хотя, очевидно, имеется и некоторая связь между содержанием гелия-3 в сол­нечных недрах и энергетикой Солнца. Именно ядер­ные реакции объясняют и обогащение поверхност­ных областей метеоритов и космического излучения гелием-3.

В 40—50-х годах многими физиками, изучавшими взаимодействие достаточно энергичных частиц (про­тонов, мезонов, нейтронов, легких ядер как космиче­ского происхождения, так и искусственно ускоренных) с атомными ядрами, наблюдалось рождение новых ядер из ядерного вещества. Физики назвали этот про­цесс фрагментацией. Оказалось, что при расщеплении атомных ядер частицами высоких энергий могут обра­зовываться практически все изотопы легких ядер, ка­кие только могут быть в природе. Выяснилось, что этот процесс играет не последнюю роль и в эволюции Вселенной. Именно фрагментацией можно объяснить богатые гелием-3 солнечные вспышки. Осколки ядер, рожденных из атомных ядер, в которые попали части­цы космического излучения, меняют химический со­став метеоритов. И даже состав космического излуче­ния при его длительном путешествии через межзвезд­ную среду в известной степени определяется фрагмен­тацией. В ядерных реакциях, протекающих под действием протонов, пи-мезонов, дейтронов и других частиц высокой энергии, доля гелия-3 (по отношению к гелию-4) может достигать в среднем 40 %. причем в высокоэнергетической части спектра отношение ге­лия-3 к гелию-4 приблизительно равно 3. Таким обра­зом, неудивительно, что в тех космических объектах, где в течение длительного времени происходили ядер­ные превращения, должно накопиться гораздо больше гелия-3, чем осталось от первых, начальных, мгнове­ний Вселенной. И поскольку содержание гелия-3 й гелия-4 постоянно меняется, возникает вопрос: сохра­нилось ли первозданное изотопное отношение гелия и если сохранилось, то где его искать?