Астрономия на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - читать онлайн книгу. Автор: Александр Никонов cтр.№ 17

Почему только до железа? И откуда тогда берутся остальные элементы, которые мы используем и из которых состоим?

Это, ребята, интересный вопрос, требующий ответа. И для ответа на него надо чуток углубиться в физику элементарных частиц. Это ничего, если я за пять минут сделаю из вас специалистов по физике элементарных части? Вот и славно!

Тогда давайте проведем мысленный эксперимент. Представьте себе две абсолютно одинаковые игрушки, собранные из деталек конструктора «Лего». Представили?

На левую чашу весов мы кладем целую игрушку, а на правую – такую же игрушку, разобранную на детальки. Какая чаша перевесит?

Да никакая! Ясно, что весы уравновесятся, поскольку в сумме все детальки по отдельности весят столько же, сколько все детальки в сборе.

Это же проще пареной репы!

Верно. В макромире это действительно так. А вот в микромире, то есть в мире элементарных частиц, это вовсе не так – там собранная конструкция весит меньше, чем отдельные детали! И эта разница называется дефектом массы. Например, четыре частицы, взятые от отдельности – два протона и два нейтрона – весят больше, чем сборная конструкция из этих частиц, сцепленных вместе сильным взаимодействием и представляющая собой ядро атома гелия.

«Лего» микромира – это совсем не то, что «Лего» нашего мира.

Ну и куда же делась лишняя масса при сборке?

Мы уже знаем ответ на этот вопрос: она выделилась в виде энергии, то есть превратилась в излучение! В то самое излучение, которым светят звезды, когда в них идет термоядерная реакция синтеза, то есть слияния простых деталек в более сложные конструкции. Потому что в микромире нет различий между массой и энергией, между веществом и волной.

Можно и так сказать, что энергия улетевшая к чертовой матери при синтезе (сборке) ядра – это характеристика прочности собранного ядра, энергия его внутренней связи. Чем больше улетело, то есть чем больше дефект массы, тем крепче связь между собранными в конструкцию детальками. Почему? Ну смотрите, если часть массы при образовании сборной конструкции улетела в виде излучения, то для того, чтобы эту конструкцию обратно разобрать, нужно эту улетевшую энергию обратно в собранное ядро добавить, энергично шарахнув по нему. Тогда добавленная при ударе энергия превратится в массу, и ядро разлетится на отдельные частички, которые снова в сумме будут весить больше, чем они весили в собранном состоянии.

То есть ядро гелия просто так не развалишь! Оно крепко сбито. Но самыми прочными, самыми стабильными являются ядра химических элементов, находящихся примерно в серединке таблицы Менделеева – в районе железа. У них максимальный дефект массы. То есть максимальная прочность на разрыв.

Для того чтобы «склеить» из двух протонов гелий, нужно сблизить всего два положительных зарядика, преодолев силу их отталкивания. А вот для того, чтобы сблизить для термоядерного слияния (синтеза) два больших ядра со множеством протонов, нужно затратить намного больше сил, поскольку их взаимное отталкивание очень велико (много положительных зарядиков сопротивляются сближению). Но чем больше ядра, тем больше в них протонов. А мы помним, что очень большие ядра неустойчивы в силу того, что ядерные силы весьма короткодействующие, и при наборе положительных зарядов (протонов) их отталкивание уже начинает преобладать над силами ядерного сцепления. То есть существуют некоторые оптимальные значения числа протонов, при которых ядра получаются наиболее устойчивыми, стабильными. Это ядра с максимальным значением дефекта масс. Их очень трудно разорвать, поскольку нужно вкладывать уже слишком большую энерго-разницу, равную дефекту масс. И при этом их еще не помогает разорвать взаимное отталкивание чересчур огромного числа протонов. Это ядра, лежащие в таблице Менделеева вокруг железа, соседние с ним. Посмотрите таблицу, найдите соседей железа в этом общежитии. Это самые крепкие жители таблицы!

Таким образом, дефект массы – второе имя крепкости связи частиц в ядре. Чем больше для ядра дефект массы, тем оно крепче.

Все, что лежит дальше от железа, имеет меньшую стабильность, меньший дефект масс, то есть расколоть здоровенные ядра легче, чем ядро железа, поскольку возможному расколу будут помогать силы отталкивания протонов в ядре.

Поэтому где-то в районе железа синтез более тяжелых элементов внутри звезд прекращается: чтобы склеивать ядра потяжелее, нужно уже потратить больше энергии на их сближение, чем мы получим в результате реакции синтеза. К слову сказать, для синтеза железа и стоящих рядом с ним в таблице Менделеева элементов нужна уже температура в 4 миллиарда градусов! А чтобы синтезировать более тяжелые ядра, столкнуть их между сбой, нужна еще бо́льшая энергия.

Откуда же она берется, если у звезд уже силенок не хватает на синтез всего, что тяжелее железа и его ближайших соседей? В рабочем режиме никакая звезда не может включить режим синтеза «зажелезистых» ядер, используя железо как топливо.

И вот там, где перестают действовать спокойные рабочие процессы, на помощь приходят процессы катастрофические. Иногда звезды взрываются! При этом выделяется столь колоссальная энергия, что ее хватает на синтез тяжелых и сверхтяжелых ядер. Частицы при взрыве получают такие ускорения, что могут начать сталкиваться, преодолевая мощные силы электроотталкивания, даже очень тяжелые ядра, содержащие многие десятки протонов. Именно во время таких взрывов и происходит во Вселенной наработка всего, что тяжелее железа – золота, платины, урана, свинца, серебра и многих прочих элементов.

Сейчас расскажу…

Эта история случилась примерно 450 лет тому назад прекрасным ноябрьским вечером, когда молодой датчанин по имени Тихо Браге вышел на улицу и по привычке посмотрел на небо. Кто такой был этот Тихо Браге? Астроном он был, астролог и неутомимый дуэлянт! В одной из дуэлей Тихо отрубили клинком нос и, чтобы не шокировать своим обезображенным лицом окружающих, Браге до самой смерти носил на лице серебряный протез в форме носа.

Так вот, выйдя на улицу тем прекрасным ноябрьским вечером 1572 года и задрав свой серебряный нос к небу, Тихо Браге застыл в полном изумлении. Он, хорошо знавший к тому времени рисунок звездного неба – все главные звезды и созвездия – вдруг увидел на небосклоне в созвездии Кассиопеи новую звезду. Которой еще вчера вечером не было.

Разве такое возможно?

Со времен великой древности всем было прекрасно известно: звезды вечны и неизменны. Столетиями и тысячелетиями одни и те же звезды, сгруппированные в одни и те же неизменные созвездия светят людям по ночам. И с начала времен не было такого, чтобы в небе вдруг зажглась новая звезда! Причем не просто звезденка какая-то там еле заметная, которую без подзорной трубы и не разглядишь, а звезда довольно большой яркости, видимая невооруженным глазом – она вдруг засияла на небе, изменив привычный рисунок созвездия.