Історія продовжується
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
Каждый химический элемент с полным правом мог бы претендовать на какую-то исключительную роль в природе. Водород, например, — самый распространенный элемент во Вселенной. Кислород и углерод лежат в основе органической жизни (хотя не исключены и другие формы жизни). Германий и кремний вводят нас в мир полупроводников. На железе обрывается естественный термоядерный синтез элементов в звездах. Уран и торий — свидетели истории Земли. Но исключительность гелия признают даже ученые: «Дайте нам гелий, и мы построим Вселенную».
Необычность гелия проявилась уже в самой истории его открытия. То, что впервые этот химический элемент был обнаружен в спектре Солнца, давало основание думать, будто найдено протовещество, из которого построены звезды. Впоследствии оказалось, что это не так, но гелий действительно является строительным материалом звезд.
1868 год вошел в историю как год открытия гелия. Однако на Земле в это время гелий пока не нашли. Его видели лишь в линиях солнечного спектра.
Лишь спустя 27 лет английскому физику У. Рамзаю, к тому времени уже открывшему инертный газ аргон, удалось выделить из клевеита небольшое количество бесцветного газа. Спектральный анализ показал, что получен тот самый гелий, который впервые наблюдался в спектре солнечной короны. Итак, солнечный гелий был найден на Земле.
Следующую сенсацию, связанную с гелием, принесло открытие радиоактивности. Оказалось, что альфа-излучение, возникающее в процессе радиоактивного распада, представляет собой дважды ионизованные атомы гелия. Вот откуда взялся на Земле солнечный гелий! У. Крукс писал: «Если я решаюсь утверждать, что элементы — не простые тела и что они не вечно существуют, что они возникли не случайно и создались не механически, скачками, но что они развились из какой-то единой формы материи, то я лишь высказываю мысль, которая с некоторых пор носится в воздухе».
Появление гелия в процессах радиоактивного распада объясняло многое. Например, присутствие этого элемента, хотя и очень незначительное, в земной коре, атмосфере, океане. Гелий постоянно генерируется за счет радиоактивного распада. А того первичного гелия который был захвачен Землей при ее образовании, как считали, на планете уже давно не было. Вследствие своей летучести он давно уже ушел в межпланетное пространство. Наша Земля постоянно излучает гелий в окружающее пространство. Академик В. И. Вернадский назвал это явление «гелиевым дыханием Земли».
В 20-х годах XX века основной интерес представляли следующие проблемы, связанные с гелием. Одна из них касалась поиска гелия на Земле, другая — образования гелия на Солнце. Оказалось, что в свободном состоянии гелия на Земле нет. Химических соединений с другими элементами в силу своей инертности гелий тоже не образует. Он может лишь растворяться в природных газах, подземных водах и нефти. В США были открыты газовые месторождения, где содержание гелия в газах достигало 8—10%. Европа была менее богата гелием. Интерес к поискам гелиевых месторождений подогревался тем, что взрывобезопасный газ гелий, нужен был для воздухоплавания, для наполнения аэростатов и дирижаблей.
Но гелий нашли не только на Солнце и затем на Земле. Его обнаружили и в спектрах других звезд. По распространенности в звездном веществе гелий занимает второе (после водорода) место. С гелием связывали источники звездной энергии. Единственным процессом, обеспечивающим длительное горение звезд, мог быть происходящий в их недрах термоядерный синтез, на первом этапе которого водород превращался в гелий. Однако так ли это на самом деле, ответ мог дать только эксперимент. В 30-е годы проблема источника звездной энергии могла решаться только теоретически. Только спустя четыре десятилетия, когда были сделаны попытки определить нейтринное излучение Солнца, термоядерные процессы в звездах получили свое экспериментальное подтверждение.
Макроскопические свойства гелия до сих пор вызывают удивление ученых. Гелий с большим трудом удалось охладить до жидкого состояния (в твердом состоянии при нормальном атмосферном давлении гелий вообще не существует). И тогда выяснилось, что гелий — самая холодная в мире жидкость, обладает уникальными физическими свойствами. Одно из них — сверхтекучесть, открытая советским физиком П. Л. Капицей. Жидкий гелий дал возможность получить сверхнизкие температуры. При температуре жидкого гелия многие вещества ведут себя необычно. В частности, у некоторых металлов при температуре жидкого гелия исчезает электрическое сопротивление. Это — так называемая сверхпроводимость, нашедшая свое применение в современной электронной технике.
Еще одна группа открытий относилась к изотопии гелия. В 30-е годы был открыт стабильный легкий изотоп гелий-3 и тяжелый радиоактивный изотоп гелий-6. Поиски других изотопов гелия, ведущиеся до сих пор, позволили обнаружить гелий-8. И здесь гелий оправдал определение «самый, самый…». Открытый советскими физиками гелий-8 оказался самым обогащенным нейтронами изотопом в природе.
Судьба легкого изотопа гелия тоже привлекала внимание ученых. Выяснилось, что гелия-3 в природе очень мало; в атмосферном воздухе его в миллионы раз меньше, чем гелия-4, а в некоторых минералах изотопное отношение гелия составляет 10-10. Но гелий-3 был обнаружен во всех природных объектах: в земной коре, в океанических водах, в составе метеоритов, лунной пыли и космического излучения. И во внеземных объектах гелий-3 составлял заметную долю от гелия-4. «В природе нет другого элемента, изотопное отношение которого менялось бы в столь широких пределах», — писал В. В. Чердынцев.
Успехи масс-спектрометрической техники позволили советским ученым решить загадку гелия-3. И второй век гелия знаменовался открытием в недрах Земли первозданного гелия (с характерным для космоса изотопным соотношением), захваченного Землей при ее образовании 4,5 млрд. лет назад. В мантии Земли сохранился тот самый первозданный гелий, который, как Предполагалось раньше, должен был давно уйти в космическое пространство.
Проблема гелия уводит нас к тем отдаленным от нашего века временам, когда, по предположению ученых, наша Вселенная представляла собой сверхплотную и сверхгорячую материю. На ранних стадиях эволюции она состояла только из водорода и гелия. И небольшая часть первозданного вещества приходилась на долю гелия-3. Свидетелями первых мгновений Вселенной были электромагнитное и нейтринное излучения. По мере расширения Вселенной их температура падала и до нашего времени «дожили» реликтовое электромагнитное излучение с температурой минус 270°С и реликтовое нейтринное излучение с энергией 10-5 эВ.
Что касается нейтринного излучения, нейтринного моря Вселенной, как его называют, то пока нет надежды на его обнаружение. А вот реликтовое электромагнитное излучение — свидетеля того времени, когда во Вселенной не было ни звезд, ни галактик, а все вещество было представлено горячей плазмой, обнаружили.
И еще один свидетель первых мгновений Вселенной — о нем и шла речь в этой книге — гелий… История гелия не окончена. По-видимому, человечеству еще предстоят новые встречи с этим элементом в лаборатории, при попытках заглянуть в глубь Земли и звезд, при освоении других планет.
Современная наука о гелии — это коллективный труд многих поколений ученых: физиков, химиков, геохимиков, геологов, астрономов. Но вклад, который внесли ленинградские ученые в мировую сокровищницу знаний о гелии, явился непосредственным поводом для написания этой книги.