Ассовская А.С. Гелий на Земле и во Вселенной. – Л.: Недра, 1984. – 136 с.

[:ua]Гелій на Землі і у Всесвіті[:ru]Гелий на Земле и во Вселенной[:en]Helium on Earth and in the Universe

[:ua]Перше століття гелію[:ru]Первый век гелия[:en]First century helium

В процессе работы над книгой автору приходилось мучительно решать для себя, а нужна ли сегодняшнему читателю, пересыщенному информацией, желающему получить конкретный ответ на вынесен­ный в заглавии книги вопрос о роли гелия в нашем мире, историческая прелюдия, так ли интересен ему далеко не безболезненный процесс перехода от состоя­ния «не знаю» к победному «Эврика!».

Краткое содержание этой главы, ее «сухой оста­ток», можно было бы сформулировать так: элемент, за­нимающий вторую клеточку в периодической системе, представлен двумя стабильными и двумя радио­активными изотопами. Этот информационный экст­ракт едва ли удовлетворит читателя, который вслед за А. Эйнштейном видит в развитии науки не только накопление фактов, но и «драму идей». Поэтому нам трудно обойтись без небольших экскурсий в историю рассматриваемых проблем.

В «гелиевом веке», началом которого следует счи­тать 1868 год, первые 27 лет, которые заняло откры­тие гелия, тянулись невероятно медленно. Но затем охватившая мир цепная реакция открытий, превра­тившая мертво-классическую физику в область зна­ния, называемую с тех пор современной физикой, во­влекла в свою орбиту и проблемы, связанные с ге­лием, а также привела к значительному уплотнению, сжатию, временной шкалы.

Визитная карточка элемента X

Солнечного затмения, которое должно было про­изойти 18 августа 1868 года, с нетерпением ждали. Предстояло решить очень важный вопрос, касавший­ся природы солнечных факелов или, как их тогда на­зывали, протуберанцев. Что это такое? Однозначного ответа не существовало. Предполагали, что протубе­ранцы — это видимые на фоне скрытого Луной сол­нечного диска «лунные горы», а может быть, «сол­нечные горы». Но почему же тогда их очертания ме­нялись так быстро, что астрономы, их наблюдавшие, не успевали зарисовать картину?

Интерес к предстоящему солнечному затмению подогревался еще и тем, что впервые после откры­тия спектрального анализа этот метод надеялись применить и для изучения солнечной короны. Спек­тральный анализ уже дал науке блестящие результа­ты: новые элементы — рубидий, цезий, таллий, ин­дий — были открыты с его помощью. Именно спект­ральному анализу отводилась важнейшая роль в оп­ределении природы солнечных факелов.

Солнечную корону, как полагали в то время, мож­но было наблюдать только во время полных солнеч­ных затмений, когда на внезапно потемневшем небе вокруг Солнца, закрытого Луной, появляется жем­чужно-белый ореол, по яркости примерно вдвое ус­тупающий полной Луне (рис. 1).

Лондонское королевское общество и Парижская академия наук снарядили ряд экспедиций в те райо­ны земного шара, где условия наблюдений предсто­ящего затмения были наиболее благоприятны. Участ­ником одной из экспедиций, которая разбила лагерь у подножия Гималаев, стал французский астроном Жюль Жансен. Посланная им через несколько дней после солнечного затмения телеграмма, зачитанная на заседании Парижской академии наук, гласила: «Наблюдалось затмение, замечательный и неожидан­ный спектр. Протуберанцы состоят из газов».

Но, как отметят впоследствии историки науки, са­мым интересным и далеко идущим результатом на­блюдений оказались не сведения о природе протубе­ранцев, а то обстоятельство, что Ж. Жансену удалось наблюдать солнечную корону не только в период за­тмения, но и во время, когда солнечный диск не был закрыт. И не только ему одному. Английскому уче­ному Джозефу Норману Локьеру, как и Ж. Жансену, удалось усовершенствовать спектрограф и сделать его пригодным для наблюдения за протуберанцами в любое время.

Оказалось, что вокруг Солнца существует одно­родная оболочка из раскаленных газов, названная Дж. Локьером хромосферой. Протуберанцы пред­ставляют собой гигантские скопления газов. Ж. Жан-сен описал их, как «колоссальные столбы раскален­ного газа, состоящего главным образом из водорода». Об этом свидетельствовали хорошо знакомые иссле­дователям по «земным экспериментам» спектраль­ные линии водорода.

А вот ярко-желтая линия, которая не наблюда­лась в спектрах ни одного из известных в то время химических элементов, заставила ученых задуматься. С чем связано ее происхождение? С веществом но­вым или давно известным, но находящимся в необыч­ных условиях? Полагали, что эту линию в спектре солнечной короны может давать какой-либо металл или тяжелый водород состава ⁴Н. Д. И. Менделеев считал, что неизвестная линия может принадлежать одному из известных элементов, потому что с пере­меной температуры меняются яркость и положение видимых линий.

А может быть, на Солнце присутствует новый хи­мический элемент — некий X? Одним из первых к та­кому выводу пришел, по-видимому, Дж. Локьер. Спустя три года так и не найденный на Земле элемент X назвали гелием, что в переводе с греческого значит солнечный.

Гипотетический гелий привлекал внимание уче­ных. Предполагали, что он связан с первичной мате­рией, которая служит исходным материалом для по­строения химических элементов. В таком случае этот таинственный элемент действительно может сущест­вовать только на Солнце и ни о каком материальном выделении его на Земле не может быть и речи.

Кусочек Солнца

Спустя 13 лет после открытия Ж. Жансена и Дж. Локьера итальянский физик Л. Пальмиери, под­вергнув спектральному анализу пробы газа из вул­кана Везувий, обнаружил ту самую ярко-желтую ли­нию, которая представляла собой загадку солнечного спектра. Работу ученого встретили с недоверием: его эксперименты выглядели недостаточно строгими, подтвердить результаты Л. Пальмиери не удалось, точнее, не удалось его современникам. А много лет спустя, когда методика исследований была значитель­но усовершенствована и когда существование гелия уже не вызывало сомнений, оказалось, что в этих про­бах гелия настолько мало, что едва ли итальянский ученый мог его наблюдать. Но тем не менее считать абсолютно ошибочными опыты Пальмиери все же нет оснований.

В 1895 году в английском журнале «Nature» («Природа») с недельным интервалом появились две статьи с одинаковым названием «Земной гелий». Ав­тором одной из них был известный экспериментатор Уильям Рамзай, открывший к тому времени химичес­кий элемент аргон; автором другой — Уильям Крукс, получивший известность благодаря исследованиям катодных лучей. Гелий, до сих пор наблюдавшийся только в спектре Солнца, обнаружили при анализе радиоактивного минерала клевеита. О том, что этот минерал содержит гелий, естественно, не знали.

У. Рамзай изучал газы, которые выделяются из урановых минералов под действием азотной и серной кислот. Клевеит — достаточно редкий минерал. В рас­поряжении У. Рамзая было всего 30 г минерала. После кипячения клевеита в разбавленной серной кислоте исследователю удалось собрать небольшое количество — около 20 см³ — выделившегося в этой реакции бесцветного газа. Газ был запаян в стеклян­ную трубку, в которую ввели тонкие платиновые элек­троды. При пропускании электрического тока через трубку газ начинал светиться, поскольку его атомы возбуждались. Это означало, что можно приступать к исследованию спектра газа. Среди спектральных ли­ний, характерных для аргона, также открытого У. Рамзаем, четко выделялась ярко-желтая линия, принадлежащая гипотетическому гелию.

В распоряжении У. Рамзая была недостаточно совершенная аппаратура для спектральных исследо­ваний. Поэтому трубка с первым «кусочком» солнеч­ного вещества была отослана У. Круксу с просьбой провести более детальный анализ. Крукс подтвердил: в трубке действительно гелий. Первый земной гелий»

Вскоре гелий обнаружили в ряде других минералов и горных пород, чаще всего в тех, где, как и в клевеите, присутствовали уран и торий.

А вот в атмосферном воздухе гелий пока не нашли. Но это обстоятельство никого особенно не удивило. Полагали, что благодаря своей легкости гелий, как и водород, давно уже улетучился в мировое прост­ранство.

В том же 1895 году У. Рамзаю удалось выделить гелий из смеси газов. Он оказался, подобно аргону, инертным.

Гелий и радиоактивность

Едва научная общественность успела осознать значение открытия солнечного элемента на Земле, как мир потрясла новая сенсация. В марте 1896 года французский физик Анри Беккерель обнаружил ин­тересное явление. Оказалось, что соли урана — са­мого тяжелого элемента в периодической таблице — служат источником излучения, ранее неизвестного науке, невидимого невооруженным глазом, но, подоб­но свету, заставляющего темнеть фотопластинку.

Молодая исследовательница Мария Склодовская-Кюри высказала предположение, что излучение урана является свойством его атомов. Вскоре выяснилось, что подобным свойством — испускать невидимое излуче­ние — обладают не только уран, но и другие химичес­кие элементы. Семейство радиоактивных или, как их стали называть, радиоэлементов вскоре пополнилось торием, полонием, радием, радоном.

Появились и первые теории, объясняющие сущ­ность явления радиоактивности. Согласно теории, предложенной английскими учеными Эрнестом Резерфордом и Фредериком Содди, радиоактивность — следствие атомного распада, причем атомы радиоак­тивного вещества в процессе этого распада превра­щаются в атомы более легкого химического элемента. Впоследствии выяснилось, что вообще все химичес­кие элементы, обладающие естественной радиоактив­ностью, можно отнести к одному из трех радиоактив­ных семейств, каждое из которых представляет собой цепочку превращений.

Когда само радиоактивное излучение подвергли де­тальному анализу, решив посмотреть, как оно ведет себя в электрическом и магнитном полях, оказалось, что излучение, испускаемое радиоактивными атома­ми, не одинаково по своей природе, а состоит из трех, совершенно различных компонентов. Часть излуче­ния хорошо отклонялась в электрическом и магнит­ном полях, а значит, имела корпускулярную природу, В магнитном поле могут отклоняться только заряжен­ные частицы. Эти частицы отождествили с обычны­ми электронами и назвали бета-частицами. На дру­гую часть заряженных частиц магнитное поле дей­ствовало слабее, чем на бета-частицы. Их назвали альфа-частицами. И наконец, на часть излучения, имевшего электромагнитную природу, так называе­мое гамма-излучение, магнитное и электрическое по­ля вообще не действовали.

Характер отклонений альфа-частиц в магнитном поле свидетельствовал о том, что они заряжены по­ложительно. В 1903 году Э. Резерфорд и Ф. Содди, проанализировав генетические связи урана и тория, пришли к выводу, что продуктом радиоактивного распада должен быть элемент гелий. Правда, потре­бовалось еще около семи лет, чтобы доказать, что альфа-частицы представляют собой полностью иони­зованные атомы гелия.

Э. Резерфорд в последующей серии экспериментов измерил отношение электрического заряда альфа-ча­стиц к их массе. Оказалось, что оно такое же, как и у дважды ионизованного атома гелия.

В одном из опытов, проведенных в 1909 году Э. Резерфордом и Т. Ройдсом, альфа-частицы из ра­диоактивного источника направлялись в стеклянную трубку, откуда был выкачан воздух. Содержимое трубки подвергли спектральному анализу. В спектре газа, заключенного в стеклянную трубку, опять по­явилась та самая ярко-желтая линия, которую ранее видели все причастные к открытию гелия ученые: Ж. Жансен, Дж. Локьер, У. Рамзай, У. Крукс. Сом­неваться не приходилось: в процессе радиоактивного распада рождались атомы гелия, впервые на глазах ученых. Начинало казаться, что материя напоминает жидкость, «растекающуюся» по клеточкам периоди­ческой системы химических элементов. Вставал более общий вопрос: как вообще образуются химические элементы? «Может быть, в основе их лежит некая «праматерия» и каждый элемент превращается в природу другого элемента», — писал еще Р. Бэкон. По мнению У. Крукса, «из всех известных элементов в первую очередь должен начать существовать тот, который обладает простейшим строением и низшим атомным весом (Относительная атомная масса)». С ним соглашался Э. Резерфорд: «Более тяжелые атомы возникли из более легких и элементарных, веществ — водорода и гелия». Правда, была и другая точка зрения на происхождение эле­ментов. Ее высказывал, в частности, голландский фи­зик Т. Вульф, утверждавший, что не синтез, а рас­пад более тяжелых элементов дает всю их систему, из которой и построен мир.

Простейшим элементом, безусловно, следовало счи­тать водород — элемент № 1. Но в цепочке радиоактив­ных превращений упорно появлялся не водород, а бо­лее тяжелый и, следовательно, более сложный гелий.

А может быть, в качестве «праматерии» выступа­ют не водород или гелий, а какой-то другой, пока не найденный на Земле элемент? Кстати, лавры перво­открывателей гелия побуждали многих исследовате­лей искать элементы, которых нет на Земле, но ко­торые якобы присутствуют в спектрах отдаленных звезд, в космической пыли и туманностях, в солнеч­ной короне. Но гипотетические элементы подобного рода — геокороний, небулий, архоний, протофтор — в отличие от гелия не выдержали проверки экспе­риментом. Из многочисленной плеяды «звездных» элементов остался только гелий.

Без радиоактивных ступенек

Долгое время гелий, вопреки своему положению в периодической системе Менделеева, как ни странно, казался простым элементом, даже проще водорода. Что означала эта простота?

Мысль о возможности существования вокруг ста­бильного химического элемента неустойчивых атом­ных группировок, высказанная впервые У. Круксом еще в 1900 году, получила свое развитие в трудах известного английского радиохимика Ф. Содди. «Три естественных радиоактивных ряда включают в себя около тридцати пяти отдельных превращений и столь­ко же различных видов атомов. По мере того как они открывались, оказывалось, что новые члены рядов были не новыми химическими элементами, по­добно полонию, радию и актинию, а изотопами общих элементов. Так, радиосвинец или радий-D, прямой предшественник полония, является, как говорит его название, химически подобным свинцу; ионий — не­посредственный предшественник радия — подобен то­рию и т. д.»,— писал он в книге «История атомной энергии».

Попытки химическим путем разделить атомные группировки, названные Ф. Содди изотопами, не увен­чались успехом. «Ни один из химиков не может от­делить радиоторий от тория, так как эти радиоэле­менты химически идентичны, хотя атомные их массы различаются на четыре единицы», — писал он.

Изучение естественной радиоактивности позволи­ло Ф. Содди ответить на вопросы: что же происходит с атомами радиоактивных веществ, когда они теряют альфа- или бета-частицу; что представляют собой радиоэлементы: являются ли они обычными химичес­кими элементами с необычными свойствами, или это совершенно новый вид материи? Закон радиоактив­ных смещений, открытый Ф. Содди, гласил: испус­кание бета-частицы ведет к смещению радиоэлемен­та в периодической системе на одно место вправо, а испускание альфа-частицы — к смещению его на два места влево. И эти новые элементы, образовавшиеся в процессе радиоактивного распада, оказываются по химическим свойствам сходными с теми, в чьи ячейки они попали. Химические элементы, занимающие в периодической системе одно место, но различающиеся атомными массами и способностью к радиоактивному распаду, Ф. Содди и назвал изотопами.

В 1919 году появилась возможность проверить, существуют ли изотопы только у тяжелых радиоак­тивных элементов, замыкающих периодическую си­стему, или же изотопия — это универсальное свойст­во всех химических элементов независимо от их мес­тоположения в системе Менделеева.

Для поиска изотопов английским ученым Фрэнси­сом Астоном был сконструирован прибор — масс-спектрометр. В этом приборе заряженные частицы движутся в электрическом и магнитном полях, что приводит к отклонению их траекторий. Место попа­дания частицы в детектор (например, на фотоплас­тинку) определяется зарядом, массой частицы и ее скоростью. Первыми были открыты изотопы неона с массовыми числами 20 и 22. Затем масс-спектро­скопическому анализу были подвергнуты ртуть и хлор. В 1920 году, когда наряду с другими элемента­ми был впервые исследован и гелий, ученых ждало разочарование. Гелий, в отличие от других предста­вителей периодической системы, был представлен только одним изотопом с массовым числом четыре. Искали же в основном изотопы гелия с массовыми числами 3 и 5.

Постепенно элемент за элементом была исследо­вана вся периодическая система. В 30-е годы обна­ружили тяжелый изотоп водорода — дейтерий, а вскоре в международную таблицу изотопов попал и тритий — еще более тяжелый изотоп водорода, ока­завшийся радиоактивным. А на подступах к гелию не было никаких радиоактивных ступенек. В природ­ном гелии упрямо присутствовал лишь один-единст­венный изотоп.

Изотоп-изгнанник

Когда проводился первый эксперимент Ф. Астона по поиску изотопов в природном гелии, никто еще не знал, сколько изотопов может быть у того или иного элемента. Концепция изотопов обрела свою физическую наглядность лишь после открытия в 1932 году английским ученым Джеймсом Чедвиком нейтрона — элементарной частицы с зарядом, равным нулю, и массой, приблизительно равной массе про­тона.

С открытием нейтрона атомное ядро обрело свой «строительный материал». Советский ученый Дмит­рий Дмитриевич Иваненко в том же 1932 году пред­ложил протонно-нейтронную модель атомного ядра вместо электронно-протонной, которой оперировала донейтронная физика и которая противоречила мно­гим положениям физики. Согласно протонно-нейтрон­ной модели число протонов в ядре определяет поряд­ковый номер химического элемента, т. е. его химичес­кое лицо. Нейтроны же нужны для «цементирования» протонов, которые под действием сил кулоновского отталкивания должны были бы разлететься. И если число протонов для каждого химического элемента должно быть строго заданным, то число нейтронов может колебаться. Изотопы химических элементов различались именно по числу нейтронов.

Если природа почему-то не допускает существо­вания других, кроме гелия-4, изотопов этого элемента, то, может быть, они образуются в искусственных радиоактивных превращениях? Правда, в каких имен­но, никто не знал. Но в 1933 году М. Олифант, В. Кинсей и Э. Резерфорд при изучении взаимодей­ствия протонов с ядрами лития обнаружили, что в ядерной реакции наряду с обычным гелием возникает его ранее не­известный изотоп — гелий-3.

Вставал вопрос и о возможном существовании другого, более тяжелого изотопа гелия с массовым числом 5. Для него тоже «придумали» реакцию — литиевую мишень (из лития-7) бомбардировали сна­рядами из дейтерия:

Но гелия-5 среди продуктов реакции не обнару­жили. Правда, предполагали, что он мог оказаться нестабильным и не успеть долететь до детектора.

Французские физики Ф. Жолио-Кюри и И. Зло­товски искали гелий-5 среди продуктов реакции

И тоже безуспешно. К гелию-5 мы еще вернемся. А в физике 30-х годов вопрос о его существовании ос­тавался открытым.

В природных же образцах до сих пор наблюдали только гелий-4. И лишь в 1939 году американские физики Л. Альварес и Р. Корног, используя в качест­ве масс-спектрометра циклотрон, доказали, что ге­лий-3 все же присутствует в гелии как в атмосфер­ном, так и в добытом из скважин. Только его очень и очень мало. В среднем 1/10 000 000 часть природ­ного гелия приходилась на долю более легкого изо­топа. В пробах гелия, полученных из радиоактивных руд, гелия-3 бывало настолько мало, что отношение ³Не/⁴Не не всегда поддавалось оценке. Природа по­чему-то не любила этот изотоп.

Несуществующие изотопы гелия

Итак, по современным представлениям атомы ядер всех химических элементов состоят из комбинаций протонов и нейтронов, объединенных общим назва­нием нуклоны. Исключение составляет протий — са­мый легкий изотоп водорода, ядро атома которого состоит из одного протона.

А всего в природе может существовать около 6000 комбинаций протонов и нейтронов, т. е. около 6000 изотопов, большую часть которых еще предсто­ит открыть. В настоящее время известно около 2100 изотопов. Но лишь 280 из них лежат на узкой, как лезвие бритвы, «дорожке стабильности». И стоит хотя бы немного отойти от нее, изменив соотношение между протонами и нейтронами, как сгустки мате­рии будут испытывать радиоактивный распад. Прос­тейший пример — массовое число 3. Два протона и нейтрон дают начало стабильному изотопу гелий-3. Протон и два нейтрона образуют тяжелый изотоп водорода — тритий, период полураспада которого около 12 лет... Три протона, равно как и три нейт­рона, ядрами назвать уже нельзя, поскольку они мгновенно разваливаются.

Возникает вопрос: сколько изотопов отвела при­рода элементу с порядковым номером 2? С двумя из них — гелием-4 и гелием-3 — мы уже познакомились. Первый появляется в основном при радиоактивных превращениях, второй — в ядерных реакциях.

На роль самого легкого изотопа гелия мог бы претендовать бипротон (гелий-2), ядро которого пол­ностью лишено нейтронов. Однако долгое время воп­рос о существовании бипротона даже не вставал: само собой предполагалось, что частица, обладающая двойными по сравнению с протоном зарядом и мас­сой, не прошла бы незамеченной экспериментатора­ми (Прохождение заряженной частицы через вещество сопрово­ждается, как известно, его ионизацией. Ионизация пропорциональна квадрату электрического заряда частицы. Таким образом, ионизационный эффект альфа-частиц в 4 раза выше, чем в слу­чае протонов). Более того. Еще в 1944 году советские физики Л. Д. Ландау и Я. И. Смородинский показали, что система, состоящая из двух протонов, не может быть стабильной. Она будет «жить» приблизительно 10^-22—10^-23 с. Интересно, что теория ядерных сил в принципе не протестует против существования та­кой системы.

Дело в том, что ядерные силы зарядово-незави­симы. Это означает, что чисто ядерные компоненты силы взаимодействия между двумя протонами, дву­мя нейтронами или протоном и нейтроном одинако­вы. Однако жизнеспособной оказывается только ком­бинация протон — нейтрон, дающая начало ядру атома дейтерия. В случае бипротона с ядерными си­лами начинают конкурировать кулоновские (посколь­ку протоны заряжены положительно), и ядро гелия-2, если бы только природа допустила его существова­ние, не успев родиться, было бы буквально «разодра­но» силами электрического отталкивания.

Говорить о прямом наблюдении гелия-2 в ядер­ных реакциях даже не приходится. Ведь за столь ма­лое время, отведенное ему природой, бипротоны едва успеют покинуть ядро-мишень, в которой они обра­зовались, и, естественно, никакого следа в детекторе не оставят. Однако в физике огромную роль играют косвенные источники информации. Известно, что би-протон должен мгновенно развалиться на два прото­на, которые согласно законам сохранения энергии и импульса имеют одинаковую энергию и разлетаются под очень малым углом друг к другу, если скорость гипотетического бипротона достаточно велика. Если удастся измерить этот угол и оценить энергию прото­нов, то можно вычислить и массу, которой обладала бы частица, распавшаяся на два протона. Оказалось, что в. результате анализа довольно большого числа протонных пар, разлетающихся под малыми углами, можно говорить о рождении бипротона. Во всяком случае в последние полтора-два десятилетия различ­ные исследовательские группы сообщали о подобном эффекте.

А вот массовому числу 5 вообще не повезло. Ни среди стабильных, ни среди радиоактивных ядер нет обладателя пяти нуклонов. Но в 30—40-е годы, когда еще не было известно, что гелий-5 с полным правом можно отнести к несуществующим изотопам, его интенсивно искали. Однако масс-спектрометрические исследования природного гелия из скважин показали, что в естественном состоянии этот изотоп практически отсутствует. Не смогли найти его, в отличие от гелия-3, и в ядерных реакциях. В безуспешных поис­ках участвовали многие крупные физики-ядерщики: Э. Резерфорд, Ф. Жолио-Кюри, Г. Штауб, В. Гейтлер, И. X. Д. Йенсен, С. Ф. Пауэлл, М. Г. Мещеря­ков.

Временами проблема гелия-5 всплывает. Однако, как и в случае с бипротоном, удается только мыслен­но восстановить картину события: рождение и мгно­венный распад этого мифического изотопа. Та же судьба постигла и более тяжелые, с нечетным числом нейтронов ядра гелия-7 и гелия-9. Если они и фигу­рируют в научной литературе, то в основном как про­дукт теоретической мысли.

Современные представления о ядерных силах по­зволяют понять, почему эти ядра не могут сущест­вовать. В атомном ядре действует так называемый принцип Паули, согласно которому две одинаковые частицы, находящиеся в одном и том же состоянии в ядре, должны иметь противоположно направлен­ные спины (Спином называется механический момент количества дви­жения нуклона или ядра).

Рассмотрим ядро гелия-4, состоящее из двух про­тонов и двух нейтронов, имеющих согласно принципу Паули противоположно направленные спины. Это — низшее энергетическое состояние, и следующий нук­лон может занять только более высокое энергетичес­кое состояние. Но этот добавочный нуклон будет на­столько слабо связан с остальными четырьмя, обра­зующими укомплектованное состояние, что ядра с массовым числом пять обязательно окажутся неста­бильными. Это — гелий-5 (⁴Не₂ + n) или литий-5 (⁵Li₃ + p). Такое ограничение природа накладывает только на массовое число пять. Существование же более тяжелых изотопов гелия с четным числом ну­клонов с точки зрения современной физики представ­ляется возможным.

Почти нейтронная материя

За несколько лет до открытия в природных газах гелия-3 английский физик Т. Бьердж и советский ра­диохимик А. Е. Полесицкий, независимо друг от дру­га исследовавшие взаимодействие бериллия с нейтронами, наблюдали появление в ядерной реакции радиоактивности, которая, как удалось доказать, бы­ла связана с новым изотопом гелия — гелием-6:

Этот изотоп в отличие от основного содержал че­тыре нейтрона. Период полураспада гелия-6 оказал­ся не таким уж и малым по сравнению с предельной нестабильностью окружавших его изотопов: пример­но 0,8 с. Основной схемой распада было испускание электрона с образованием ядра лития-6:

Впервые мысль о существовании более тяжелого изотопа гелия, содержавшего шесть нейтронов, была высказана Я. Б. Зельдовичем и В. И. Гольданским еще в 1960 году. Такое ядро, по их мнению, должно стать родоначальником целой цепочки радиоактив­ных превращений: гелий-8 должен испытать бета-распад с образованием ядра лития-8, тоже радиоак­тивного, который в свою очередь, испустив электрон, превратится в нестабильный изотоп бериллий-8. По­следний существует только в течение так называемого ядерного времени, т. е. он практически мгновенно «разваливается» на две альфа-частицы. Такая слож­ная цепочка распадов оказалась достаточно надеж­ным критерием для экспериментального поиска ге­лия-8.

На Земле известен только один способ получения изотопов, не встречающихся в природе: это ядерные реакции. Необходимо ускорить заряженные частицы до достаточно высоких энергий (можно использовать нейтроны или гамма-кванты) и направить их на ве­щества-мишени. Высокие энергии частиц-снарядов нужны, чтобы преодолеть силы электрического от­талкивания, возникающие при приближении положи­тельно заряженной частицы к атомному ядру. Заря­женная частица, попав в атомное ядро, вызовет ми­ниатюрный ядерный взрыв. Из ядер мишени, как из рук иллюзиониста, будут вылетать и нуклоны, и их группы, и их сгустки, и атомные ядра. Многие изото­пы впервые явились именно в образе осколков ядер­ного вещества.

Так случилось и с гелием-8. Спустя год, после того как его существование было предсказано тео­ретически, ленинградские физики О. В. Ложкин и А. А. Римский-Корсаков сообщили о наблюдении сра­зу двух частиц, рожденных в ядерных реакциях и могущих претендовать на роль самого тяжелого изо­топа гелия. Возникает вопрос: неужели двух предста­вителей нового изотопа достаточно, чтобы говорить об его открытии? Однако в современной физике эле­ментарных частиц, равно как и в физике ядра, иног­да приходится иметь дело со столь редкими событи­ями, что следующий случай наблюдать и изучать их может представиться очень нескоро, поэтому даже одно достоверное событие может стать открытием.

Две частицы, обнаруженные ленинградскими уче­ными и идентифицированные как ядра гелия с мас­совым числом восемь, были рождены именно в про­цессе взаимодействия частиц высоких энергий (их ускорили на синхрофазотроне Объединенного инсти­тута ядерных исследований в подмосковном городе Дубна) с атомными ядрами. Мишенью и детектором одновременно служила ядерная фотоэмульсия.

Однако гелий-8 в этом эксперименте был открыт случайно. Более того, эксперимент не был «нацелен» на наблюдение таких редких событий и фотоэмуль­сия, которой пользовались исследователи, не позволя­ла зарегистрировать гелий-8 и литий-8, возникающие при бета-распаде. Потребовались дополнительные опыты, прежде чем гелий с массовым числом восемь занял место в таблице изотопов.

На очереди был поиск еще более тяжелого яд­ра — гелия-10. Пока наблюдать его в ядерных реак­циях не удалось никому. Предполагают, что он может быть радиоактивным. Не исключено также, что этот изотоп, сбросив два нейтрона, способен превратиться в уже знакомый нам гелий-8. И наконец, может быть, гелий-10, как и гелий с массовыми числами пять и семь, вообще не существует? Сделать более опреде­ленные выводы физики не могли. Судьба гелия с во­семью нейтронами зависит от таких тонких деталей взаимодействия между нуклонами, которые науке пока не известны.

Для того чтобы окончательно решить вопрос о существовании гелия-10, оставался один путь: опере­жая развитие теории, искать... И гелий-10 искали во многих научных центрах мира, в том числе в Ленин­граде и в Дубне. Искали в расщеплениях атомных ядер, вызванных попаданием в них частиц высоких энергий. Искали среди продуктов деления тяжелых ядер. Во всех этих процессах можно было найти практически все известные (и множество новых) изо­топы легких ядер. Но когда дело касалось гелия, его спектр обрывался на гелии-8.

Итак, очередной мифический изотоп? Скорее все­го, да. Если, конечно, не подвела статистика и ге­лий-10 рождается, но почему-то, по неизвестным при­чинам, гораздо реже, чем ожидается на основании известной вероятности появления других изотопов. Или он предпочитает (опять-таки по неизвестным причинам) «появляться» в иных процессах? Или же он, будучи предельно нестабильным, распадается еще до своего попадания в детектор?

Однако так и необнаруженный гелий с восемью нейтронами не закрывает список возможных изото­пов этого элемента. Несмотря на неудачу с гелием-10, теоретически рассчитаны ядра гелия-12, гелия-22 и даже более тяжелые. Как ни странно, даже более вероятным полагали получение гелия-22, чем других предельно пересыщенных нейтронами изотопов ге­лия, поскольку в этом случае нейтронная оболочка оказывается заполненной. Такие изотопы напоминали бы нейтронную материю, вещество которой почти ли­шено электрических зарядов.

Может ли нейтронная материя существовать на Земле? Или, точнее, как долго она могла бы сущест­вовать, какова ее стабильность? Дело в том, что ней­трон в свободном состоянии нестабилен, время его жизни около 1000 с. А далее он испытывает хорошо известный процесс радиоактивного распада, превра­щаясь в протон, электрон и антинейтрино. Аналогич­ный процесс распада для протона, в общем-то вполне вероятный, невозможен по энергетическим соображе­ниям, поскольку протон немного легче нейтрона.

Но когда нейтрон становится составной частью атомного ядра, ситуация резко меняется. Поле дейст­вия ядерных сил каким-то образом стабилизирует, замораживает нейтрон. Атомное ядро, в которое наряду с протонами входят и нестабильные в свобод­ном состоянии нейтроны, может существовать прак­тически вечно. Речь идет, разумеется, о тех ядрах, которым не угрожает процесс радиоактивного распа­да. Конечно, вечность для физики понятие некоррект­ное. Но в данном случае «вечность» означает время около 10³⁰ лет или даже больше. Согласитесь, эту цифру даже астрономической назвать трудно. Во всяком случае считают, что возраст нашей Вселенной на двадцать порядков меньше.

Однако атомное ядро — не единственное во Все­ленной место, где нейтрону не угрожает процесс ра­диоактивного распада. Нейтронная материя сущест­вует, по-видимому, и в недавно открытых нейтронных звездах. На определенной стадии эволюции звезды по мере выгорания термоядерного горючего под дей­ствием сил тяготения звезда начинает сжиматься. Физические условия в недрах таких звезд весьма необычны. Мощное гравитационное поле звезды бук­вально «вдавливает» электроны в протоны, превра­щая их в нейтронную материю, причем стабильную. В роли стабилизатора выступает не поле ядерных сил, как это имеет место в атомном ядре, а поле тяго­тения. Вещество нейтронных звезд состоит из плотно упакованных нейтронов, а их недра, как предполага­ют, даже из гиперонов — элементарных частиц, более тяжелых, чем нуклоны, время жизни которых в тыся­чи миллиардов раз короче, чем нейтронов. Плотность вещества нейтронной звезды такая же, как и атомно­го ядра, и даже выше. Но радиус атомного ядра не превышает 10^{-13 см, а нейтронная звезда представ­ляет собой быстро вращающийся очень горячий вол­чок радиусом около 10 км. Для астрономов — это миниатюрная, хотя и очень плотная звезда, для фи­зиков — это гигантское атомное ядро. Во всяком слу­чае, нейтронные звезды — это единственные извест­ные нам (пока!) объекты во Вселенной, где сплошное ядерное вещество существует в макроскопических количествах.}

Однако все попытки промоделировать в лаборато­рии отдельные этапы эволюции звездной материи оказались неудачными. Речь идет, конечно, не о том, чтобы получить на Земле миниатюрную нейтронную звезду. Но, может быть, микроскопические «капли» нейтронной материи или просто отдельные ядра, состоящие из одних нейтронов. Очень обнадеживали предсказания теоретиков, допускающих существова­ние ядер из 6, 8 и даже 22 нейтронов. А в некоторых теоретических моделях речь шла о сверхтяжелых нейтронных ядрах с массовым числом 300. Но экспе­римент (пока) показывает, что существование подоб­ных «капель» нейтронной материи, к сожалению, ско­рее всего можно предполагать лишь теоретически. А вот ядра, сильнообогащенные нейтронами,— это реальность.

В последние годы усилиями многих лабораторий мира таблица изотопов обогатилась десятками новых легких ядер, массы которых лежат вблизи границы ядерной стабильности. Среди них литий с восемью, кислород с шестнадцатью, калий с тридцатью двумя нейтронами. Почти нейтронная материя, поскольку вкрапленные в ее вещество немногочисленные прото­ны играют роль своеобразного ядерного клея, от ко­торого при конструировании изотопов пока невозмож­но отказаться.

Однако рекордсменом среди этих нейтронно из­быточных ядер оказывается уже знакомый нам ге­лий-8. Соотношение нейтронов и протонов у него са­мое большое среди всех известных физикам ядер. Опять-таки гелий!

[:ua]Зоряне пальне[:ru]Звездное горючее[:en]Star fuel

И гелий-6, и гелий-8 оставались лишь лабораторным феноменом из-за своей нестабильности. Конечно, они рождались в процессе многочисленных ядерных превращений, происходящих в природе, но их кратковременное существование не могло приводить к принципиально новым событиям ни в микро-, ни в макромире. Возможно, эти изотопы играют далеко не последнюю роль в процессах, протекающих в нед­рах звезд, выступая лишь в качестве промежуточного звена в цепочке ядерных превращений. Поэтому при рассмотрении процессов, которые могут разыг­рываться в недрах звезд, мы ограничимся анализом стабильных изотопов гелия.

Состав звездного вещества

Оглядываясь назад с высоты наших сегодняшних знаний, можем сказать: нет ничего удивительного в том, что гелий открыли не на Земле, а на Солнце. На Земле гелия очень мало. Почему это так, мы бу­дем обсуждать в последующих главах. Что касается Солнца, то оно в основном состоит из водорода (74 % по массе) и гелия (23,5 % по массе).

Наше Солнце — весьма типичная для Галактики звезда, относящаяся к так называемым желтым кар­ликам. Таких звезд в нашей Галактике насчитыва­ется несколько миллиардов. Очевидно, для них харак­терен сходный с солнечным химический состав. А в современной Вселенной большая часть вещества со­средоточена в звездах, т. е. сцементированные грави­тацией огненные шары отражают наиболее распро­страненное состояние вещества.

Практически у всех (за небольшим исключением) звезд сходный химический состав. В среднем на 10 000 атомов водорода приходится около 1000 ато­мов гелия, 10 атомов кислорода и 1 атом железа, других химических элементов еще меньше. Правда, состав звезд определяется многими факторами: и их возрастом, и их космической предысторией, и их мес­том образования и т. д. Но вся эта информация от­носится лишь к звездным атмосферам. А что делает­ся за раскаленной непрозрачной оболочкой, никто не знал, и пессимисты предполагали, что разгадать эту тайну человечество не сможет.

«Не очень хотелось бы думать, что наша Галак­тика полна вещества, находящегося в ненаблюдае­мом состоянии, но современные данные о массе всей Галактики и ее наблюдаемых частей не исключают такой возможности»,— писал известный английский астрофизик Р. Дж. Тейлер.

Звездные недра прямому наблюдению недоступны. И о том, что происходит в них, долгое время прихо­дилось только догадываться. Правда уже более четверти века на Земле идет эксперимент, имеющий целью заглянуть в недра звезд. Но об этом чуть позже.

Почему светят звезды!

Один из основных вопросов, на который призвана ответить астрофизика, касается источников звездной энергии. Чем объяснить удивительную стабильность звезд (речь идет, конечно, не о взрывающихся объек­тах типа сверхновых звезд), подтверждаемую как наблюдениями за многими объектами Галактики, так и всей геологической историей Земли?

Еще один вопрос: имеет ли какое-либо отношение к горению Солнца и звезд их химический состав? Один из основоположников термодинамики Ю. Р. Майер предполагал, что источником солнечного излучения является непрерывная бомбардировка его поверхности метеоритами. Однако расчеты показали, что этот ис­точник энергии не может обеспечить наблюдаемое вы­деление солнечной энергии.

Другая научная попытка объяснения светимости Солнца была сделана в XIX веке Г. Гельмгольцем и У. Кельвиным, которые предположили, что столь длительное излучение Солнца объясняется его мед­ленным гравитационным сжатием. Однако этого за­паса энергии могло хватить лишь на 30 млн. лет. Та­кая оценка удивила прежде всего биологов, которые располагали данными о том, что эволюция жизни на нашей планете потребовала гораздо большего вре­мени.

После открытия явления радиоактивности источ­ник солнечной энергии стал видеться в радиоактив­ных распадах и в реакциях развала тяжелых ядер. Этой точки зрения придерживался, в частности, ан­глийский астроном Джеймс Джине — автор известной гипотезы о происхождении Солнечной системы.

В 20-х годах нашего столетия интуиция заставила другого английского астронома Артура Эддингтона обратиться в поисках источника неиссякаемой энер­гии звезд к ядерным превращениям. А. Эддингтон считал, что ответственным за выделение солнечной энергии должен быть не распад ядер, а их уничтоже­ние. Согласно созданной А. Эйнштейном теории от­носительности, масса и энергия связаны определенным соотношением: Е = тс². Все вещество, из кото­рого состоит Солнце, постепенно аннигилирует и пе­реходит в излучение. Однако этой энергии хватило бы на 150 млн. лет. Дело осложнялось тем, что та­кой аннигиляции, т. е. взаимного «съедания» или уничтожения вещества, никто не наблюдал. И не бы­ло особых оснований предполагать, что при высоких температурах, господствующих в звездных недрах, эти процессы могут протекать (Сейчас физикам известно, что реакция «аннигиляции»: пре­вращение протона р и электрона е при их соединении в энергию (р + е —> γ) — запрещена действующими в микромире законами).

Начиная с 30-х годов ученые начали склоняться к мысли, что в звездах должны происходить ядерные реакции, при которых и высвобождается энергия. Все более настойчивой становилась мысль о термоядер­ном источнике звездной энергии.

Какие же именно реакции протекают в звездах? Попытка отыскать их натолкнулась на трудности. Было ясно, что сущность ядерных процессов в звездах, во всяком случае на первом этапе, заключается в объединении четырех ядер водорода в одно ядро гелия:

При этом избыточная масса и выделяется в виде энергии Q. Но прямые реакции синтеза оказывались слишком маловероятными, а последовательный син­тез был просто невозможен из-за нестабильности промежуточных продуктов.

Протон, объединившись с протоном, должен был образовать «бипротон», тот самый, который распа­дается за предельно короткое время:

Если протон заставить объединиться не с прото­ном, а с ядром гелия, то должен получиться изотоп литий-5, а на массовое число пять природа тоже на­ложила запрет. Реакция слияния водорода с гелием не могла осуществиться.

И наконец, слияние двух альфа-частиц давало жизнь изотопу бериллий-8, который приблизительно через 10^-20 с снова превращался в альфа-частицы.

Физик Ханс Бете, приступивший в 30-х годах те­кущего столетия к решению этой проблемы, по его словам, «...перебрал всю периодическую таблицу, но всюду получил бессмыслицу, какой бы атом ни взял, будь то литий, бериллий и т. д., он обязательно раз­рушался в реакциях. К тому же согласно таблице распространенности этих элементов чрезвычайно ма­ло как на Земле, так и в звездах. Поэтому они, по-видимому, не могли дать нужного выделения энергии за промежуток времени существования Вселенной».

Термоядерные реакции казались нереальными. Может быть, термоядерный синтез требует темпера­тур гораздо выше, чем это имеет место в звездах? И гелий, который наблюдается в атмосфере звезд и который хотелось бы считать верным спутником тер­моядерного синтеза, первой его ступенькой, отражает лишь предысторию межзвездного вещества, из кото­рого звезды в свое время сконденсировались. Видимо, прав был А. Эддингтон, когда говорил: «Гелий, ко­торый мы имеем, должен быть изготовлен в какое-то время в каком-то месте... Иди и найди более горячее место!»

Звездная печь

Идея термоядерного синтеза нашла конкретное воплощение в работах физика X. Бете. Синтез водо­рода и гелия, как показал Бете, должен идти не пря­мым путем, а через целую цепочку превращений. Существуют две возможности термоядерного син­теза: протон-протонный и углеродно-азотный циклы (рис. 2, 3).

В первом цикле исходными компонентами служат ядра водорода — протоны, которые могут вступать в реакции друг с другом, когда звезда «разогреется» примерно до 10 млн. градусов (Первичный разогрев звезды, образовавшейся из холодного межзвездного вещества, происходит за счет гравитационного сжатия). При этом кинетичес­кая энергия протонов будет достаточно велика, чтобы преодолеть силы электрического отталкивания или, как говорят физики, кулоновский барьер.

Простейшая реакция между двумя протонами вы­глядит так:

где v — элементарная части­ца нейтрино, о которой дальше пойдет речь и кото­рая является обязательным участником этих процессов, a d — ядро дейтерия. Ядро дейтерия, так называемый дейтрон, охотно и быстро «подхватывает» один из протонов, населяю­щих звездные недра, образуя гелий-3:

А два ядра гелия-3 способны соединиться, что при­ведет к образованию гелия-4 — конечной цели этого цикла — и двух протонов:

Если «суммировать» все эти реакции, то действи­тельно получится обещанное превращение четырех протонов в гелий. В результате этого процесса выде­ляется энергия, равная 26,7 МэВ на один атом гелия.

Для углеродно-азотного цикла необходим угле­род, который делает вероятным присоединение прото­на к ядру углерода:

Образующийся при этом изотоп азота будет радиоак­тивным. Он превращается в изотоп углерода ¹³С₆, ко­торый в свою очередь тоже имеет шанс присоединить протон и, если это произойдет, преобразоваться в стабильный изотоп азота:

Последующее присоединение протона к азоту приве­дет к возникновению изотопа кислорода:

который испытывает бета-распад:

Еще одно столкновение с протоном — и среди продук­тов распада появляется долгожданный гелий-4:

Как видно из рассматриваемых реакций, число ядер изотопа углерода ¹²С₆ в итоге остается постоян­ным, углерод как бы выступает в роли катализатора.

Может ли эта гипотеза быть проверена экспери­ментальным путем? Еще со времен Огюста Конта утвердилось мнение, что проникнуть в недра звезд не­возможно. А спектральный анализ давал сведения только о поверхности звезд.

Но, может быть, барьер непознаваемости чисто психологический? Ведь в ядро атома — объект чудо­вищной плотности и ничтожно малых размеров — «заглянуть» все же удалось. Правда, для этого приш­лось разрушить атом. Но ведь звезду просто так не сломаешь. Да и экспериментировать со своим собст­венным светилом опасно. А, может быть, и ломать совсем необязательно? Если бы удалось просветить звезду лучами, подобными рентгеновским... И, как ни странно, такое излучение в природе нашлось.

Погоня за призраком

Это произошло почти полвека назад. «Я сделал сегодня что-то ужасное,— сказал молодой швейцар­ский физик Вольфганг Паули своему другу астроно­му В. Бааде.— Физику-теоретику не следует делать такого. Я предсказал нечто, что никогда нельзя бу­дет проверить экспериментально».

Речь шла о нейтрино. Эта частица была предложе­на В. Паули, чтобы спасти закон сохранения энергии, казалось бы нарушаемый при бета-распаде. Дейст­вительно, тщательный кинематический анализ радио­активных превращений, которые усиленно изучались в 20-е и 30-е годы, показал, что при распадах какая-то часть энергии радиоактивного ядра не передается ни дочернему продукту распада, ни бета-электрону. Она бесследно исчезает в пространстве. Эта энергия могла уноситься неизвестной частицей, которую не «чувствуют» приборы. Дилемма «закон сохранения энергии» или «неизвестная частица» была решена В. Паули в пользу последней.

Пессимизм ученого относительно эксперименталь­ной проверки его гипотезы станет понятным, если учесть, что гипотетические частицы должны быть ли­шены электрического заряда, иметь массу покоя, равную нулю, следовательно, двигаться, подобно фотонам, только со скоростью света и практически не взаимодействовать с материей. Впрочем, послед­няя особенность нейтрино выяснилась позднее. Перво­начально В. Паули считал, что предложенная им час­тица должна иметь проникающую способность, та­кую же (или на порядок выше), как и гамма-кванты, рождающиеся при радиоактивных распадах ядер.

Долгое время нейтрино считали совершенно не­уловимой частицей. Если, например, для нуклонов и мезонов, летящих со скоростями, близкими к свето­вой, средний пробег в веществе до взаимодействия с атомными ядрами исчисляется сантиметрами (в за­висимости от плотности вещества), то нейтрино, на­пример, беспрепятственно проскочили бы заполнен­ную железом сферу диаметром, равным расстоянию от Земли до Солнца (около 150 млн. км). Более того, Вселенная радиусом 10 млрд. световых лет (Напомним, что световым годом в астрономии называют рас­стояние, которое световой луч проходит в течение года. Световой год равен 9,463•10¹² км) практически прозрачна для нейтрино.

Нейтрино нашли спустя четверть века после пред­сказания В. Паули. В эксперименте, поставленном американскими физиками Ф. Райнесом и К. Коуэ­ном, источником нейтрино служил мощный ядер­ный реактор. Нейтрино зарегистрировали, «заставив» участвовать в процессе, обратном бета-распаду нейт­рона:

Читатель уже догадался, что речь о нейтрино за­шла неслучайно, ибо своеобразным «рентгеном» для звезд могло бы служить именно нейтрино. Только нейтрино, нейтринное излучение, способно беспрепят­ственно проникнуть через толщу звездного вещества.

Однако подвергать Солнце просвечиванию ней­трино не пришлось. Не потому, что технически это пока совершенно нереально. Просто в подобной про­цедуре нет необходимости. Дело в том, что гигант­ские термоядерные реакторы, а именно таковыми фи­зики представляют себе звезды, являются очень мощ­ными природными источниками нейтрино. От Солнца, например, каждый квадратный сантиметр земной по­верхности получает 100 млрд. нейтрино. Земля как бы погружена в невидимое, неосязаемое нейтринное море. И если мы хотим заглянуть в недра звезд, сделать это можно только с помощью нейтрино.

Иголка в стоге сена

Итак, достижения современной физики позволили поставить на повестку дня вопрос об эксперименталь­ной проверке гипотезы термоядерных источников сол­нечной энергии. Эксперимент, который уже более двух десятилетий проводит американский физик Рай­монд Дэвис, удивительно прост. Во всяком случае, так считает сам профессор Р. Дэвис. И в то же время эксперимент настолько сложен, что нередко его назы­вали научной авантюрой XX века. В опытах Дэвиса нейтрино заставляют взаимодействовать с обычным земным веществом, причем ничтожно малая вероят­ность этого взаимодействия компенсируется огромным потоком нейтрино от Солнца, большим объемом де­тектора и... терпеливым ожиданием.

Наиболее удобной для регистрации нейтрино ока­залась реакция, предложенная около 30 лет назад Б. М. Понтекорво:

Образующиеся при этом изотопы аргона-37 радиоак­тивны. Его период полураспада около 35 дней, что и позволяет регистрировать изотопы.

Однако простота опытов Р. Дэвиса кажущаяся, хотя сам он считает, что «главное — измерения», а не используемые им методы, которые достаточно стан­дартны. Коллеги Р. Дэвиса отмечают, что отыскать иголку в стоге сена значительно легче, чем зарегист­рировать нейтрино.

Требовались сотни тонн вещества-детектора. Им служил четыреххлористый углерод, к счастью для экспериментаторов, — вещество дешевое. В результате взаимодействия антинейтрино v с хлором-37 обра­зовывался аргон-37, который благодаря своей хими­ческой нейтральности выводился за пределы детекто­ра. Легко регистрировался его радиоактивный рас­пад. Кстати, последняя задача далеко не из простых: из 10³⁶ атомов хлора-37 нужно было выбрать всего несколько десятков атомов и точно сосчитать их чис­ло (точнее, число распадов в единицу времени). Да­лее необходимо было полностью освободиться от фона, который имитировал слабые нейтринные эф­фекты. С этой целью эксперимент проводился в за­брошенной шахте, глубоко под землей, полуторакило­метровый слой которой задерживал любое излучение, кроме, разумеется, нейтринного.

Результат этого эксперимента вошел в физику под названием нейтринного парадокса. Поток ней­трино от Солнца оказался значительно меньше ожи­даемого.

Суета вокруг нейтрино

Солнечные нейтрино были зарегистрированы в столь малом количестве, что под ударом оказалась гипотеза термоядерного происхождения солнечной, да и, по-видимому, звездной энергии. Никакого дру­гого механизма, объясняющего столь длительное го­рение Солнца (астрофизики оценивают возраст Сол­нечной системы в 4,5 млрд. лет), наука предложить не могла.

Нейтринная неудача обострила и другую пробле­му: образование химических элементов, ибо одним из процессов, ответственных за многообразие ядер окружающего нас мира, до сих пор считался термо­ядерный синтез. А гелий — непосредственный продукт этого синтеза — был обнаружен не только в спектре Солнца, но и в атмосферах других планет. Кстати, анализ нейтринного эксперимента показал, что в нед­рах Солнца гелий присутствует. Его доля составля­ет 20—24 %. Но, может быть, этот гелий образовался не в результате термоядерного синтеза, а лишь от­ражает предысторию межзвездного вещества, из ко­торого в свое время сконденсировалось Солнце? В сов­ременных моделях Вселенной, обсуждать которые мы будем далее, допускается, что дозвездная материя состояла из смеси водорода и гелия.

И наконец, именно с нейтрино, точнее с нейтрин­ной астрономией, связываются надежды «заглянуть» в недра звезд, откуда не может выбраться ни одна элементарная частица, за исключением нейтрино. Впрочем, гамма-кванты, рожденные в недрах звезды, могут достигнуть ее поверхности, но их «путешествие» займет миллионы лет и «постаревшие» кванты уже «не помнят» о своем происхождении. На первый взгляд это выглядит парадоксальным, если вспом­нить, что скорость света, в том числе и гамма-кван­тов, составляет 300 000 км/с. «Задержка» в пути про­исходит из-за многократного взаимодействия гамма-квантов с веществом звезды.

Итак, что же происходит на Солнце? Если термо­ядерные реакции протекают недостаточно активно, о чем свидетельствуют наблюдения нейтрино, то за счет чего же горит Солнце? А что если в его центре есть миниатюрная «черная дыра» и именно она питает энергией наше светило? Большинство астрофизиков считает эту гипотезу маловероятной. Тем более что проверить ее труднее, чем зарегистрировать нейтрино.

А если предположить, что мы мало знаем о свой­ствах нейтрино? Эти частицы могут быть неста­бильными и распадаться на пути к Земле. За счет распада поток солнечных нейтрино окажется умень­шенным. Эта гипотеза требует пересмотра многих фундаментальных представлений современной фи­зики.

Однако только лишь перечисление проблем, по­рожденных нейтринным парадоксом, далеко уводит нас от гелия. Кстати, и первая реакция в цепочке тер­моядерного синтеза (р + р —> d + е⁺ + v) на Земле не наблюдалась из-за очень низкой вероятности ее осуществления. Реакция ³Не + ³Не—> ⁴Не + 2р тоже недостаточно изучена в лаборатории.

Попытка примирения

Одним из самых рациональных решений было бы попытаться примирить результаты эксперимента Р. Дэвиса и теорию, не ломая фундамента, на котором она стоит.

Лаборатория астрофизика — звезда, и она, конеч­но, не может не отличаться от земной лаборатории. Дело в том, что все данные о ядерных реакциях, по­лученные физиками в «стерильных» условиях лабо­раторий, не отражают всего многообразия явлений, которые могут разыгрываться в недрах звезд. В звез­де, вещество которой находится в экстремальных ус­ловиях (сверхвысокие плотности, огромное количест­во вещества, неограниченность, с позиций земного ис­следователя, времени), реализуется все богатство возможных в природе процессов, в том числе и са­мых экзотических или маловероятных. Не исключено также, что и ядерные реакции в звездах могут проте­кать с иными скоростями, чем на Земле.

Хотя термоядерные реакции, происходящие, как предполагается, в недрах Солнца, и выглядят на бу­маге, по выражению американского физика Дж. Ба­кала, «физикой первого курса», то невероятное коли­чество факторов, которые трудно, а иногда просто и невозможно учесть (температура внутри звезды, плот­ность, химический состав и т. д. и т. д.), может свести на нет многие теоретические построения. А всегда ли мы вправе экстраполировать данные, полученные «дома»?

Однако рассмотрим более подробно термоядер­ные реакции, происходящие в недрах Солнца. Во-пер­вых, нейтрино образуются не на каждом этапе этих процессов. Во-вторых, нейтрино, возникая на различ­ных стадиях протон-протонного или углеродно-азот­ного циклов, заметно различаются по энергии. В-третьих, установка Р. Дэвиса, к сожалению, не чув­ствительна к нейтрино всех энергий. Если энергия нейтрино меньше 0,814 МэВ, нейтрино не может всту­пить в реакцию Понтекорво. Таким образом, нейтри­но, возникающие при образовании дейтронов (первый этап протон-протонного цикла), оказываются за бор­том эксперимента, что приводит к уменьшению обще­го измеряемого потока нейтрино от Солнца. Анализ эксперимента показал также, что углеродно-азотный цикл не вносит существенного вклада в энергетику Солнца. В этом процессе может возникнуть только около 7 % от общей интенсивности нейтрино. Однако все это не объясняет до конца отрицательных резуль­татов эксперимента Р. Дэвиса.

Намечаются другие варианты выхода из тупика. Нейтринная светимость Солнца — это своеобразный индикатор температуры в его недрах. Нейтрино тре­буется всего 8 мин, чтобы передать на Землю инфор­мацию о том, что делается в глубинных областях Солнца. И если по каким-то причинам деятельность этого гигантского термоядерного реактора стала ме­нее активной, то это обстоятельство, безусловно, ска­жется и на общем потоке излучения, приходящего от Солнца. Но не сразу, а через миллионы лет, в тече­ние которых гамма-кванты, тоже возникающие при термоядерных процессах, будут добираться до поверх­ности звезды.

Как полагает американский физик У. Фаулер, в солнечных недрах может происходить перемешивание вещества, в результате чего температура в центре Солнца уменьшается в среднем на несколько милли­онов градусов и, как следствие, падает нейтринная светимость Солнца. А вот его яркость в оптическом диапазоне «среагирует» на изменение условий в термо­ядерной «печи» только через несколько десятков миллионов лет. Предполагается, что наша Солнеч­ная система переживает именно период спада солнеч­ной активности.

Шутники утверждают, что Р. Дэвис несколько по­спешил со своим знаменитым экспериментом. Или просто опоздал...

И все-таки гелий!

Одна из интерпретаций эксперимента Р. Дэвиса — ее развивают ленинградские физики под руководст­вом профессора Г. Е. Кочарова — тоже не отвергает термоядерный синтез в недрах звезд. Но в качестве термоядерного горючего предполагается использовать не только водород, но и гелий-3. Ведь синтез гелия-4 из гелия-3 (это происходит на одной из ступенек про­тон-протонного цикла) не сопровождается образова­нием нейтрино. Значит, нужно искать косвенные до­казательства этого превращения.

Если в недрах Солнца сгорает гелий-3, значит, этот изотоп присутствует и в солнечной атмосфере, и в околосолнечном пространстве. Стоит прислушать­ся к «дыханию» Солнца, как можно обнаружить ге­лий-3.

Наша Земля постоянно ощущает влияние процес­сов, происходящих на Солнце. На Землю приходят не только солнечные свет и тепло, но и так называемый солнечный ветер — корпускулярное излучение солнеч­ной поверхности: потоки ядер водорода, дейтерия, трития, изотопов гелия, а также более тяжелых хи­мических элементов. Особый интерес представляет излучение, возникающее во время солнечных вспы­шек, когда на сравнительно небольших участках по­верхности Солнца отмечается кратковременное уве­личение яркости. Вспышки сопровождаются огромным выделением энергии не только в оптическом, но и в радио- и рентгеновском диапазонах, а также выбро­сом корпускулярного излучения.

Оказалось, что во время вспышек в околосолнеч­ное пространство наряду с другими частицами попа­дает аномально большое количество гелия-3. Напри­мер, во время вспышки, зарегистрированной 28 мая 1969 года, гелия-3 было обнаружено в 500—600 раз больше, чем тяжелых изотопов водорода. А в отдель­ных случаях его количество превышало даже концен­трацию гелия-4.

С помощью ядерных реакций, протекающих на поверхности Солнца, трудно объяснить такое изоби­лие гелия-3. Это означало, что солнечное вещество, по крайней мере вблизи поверхности, тоже должно быть обогащено этим изотопом.

Участие гелия-3 в энергетике Солнца можно было бы представить следующим образом. Как пишет профессор Г. Е. Кочаров, «вначале происходит горе­ние водорода и постепенное накапливание (особенно в удаленных от центра областях) гелия-3. Далее за счет перемешивания в центр поступает гелий-3, про­исходит перестройка структуры Солнца и основным источником энергии становится гелий-3. После его сгорания температура в центре возрастает и энергия Солнца обеспечивается горением водорода с одновре­менной генерацией гелия-3. Далее опять скачкообраз­ное перемешивание и т. д.».

Идея о принципиально новом термоядерном горю­чем в известной степени сняла напряжение, связан­ное с отрицательным результатом эксперимента Р. Дэвиса. Но у этой гипотезы были свои «подводные камни». Гелий-3 должен был присутствовать в до­звездной материи, из которой образовалось наше светило.

Дальнейшая судьба звездного гелия

Проследим эволюцию звезд. В недрах звезд типа нашего Солнца, где температура достигает 15 млн. градусов, происходит интенсивное горение водорода. В результате протон-протонного и углеродно-азотного циклов возникают не только гелий, но и ядра легких элементов: водорода (протия, дейтерия), гелия-3, ли­тия-7, бериллия-7, бора-8, и т. д. Что же произойдет, когда весь водород сгорит? Если позволит темпера­тура звезды, а к тому времени она достигнет 100— 200 млн. градусов, начнется реакция горения гелия:

Эта реакция, где три альфа-частицы гелия-4 сли­ваются в ядро углерода, протекает в две стадии. Сна­чала две альфа-частицы образуют крайне нестабиль­ное ядро бериллия-8, время жизни которого оценива­ют примерно в 10^-20 с, но если плотность гелия в нед­рах звезды достаточно велика, ядро, не успев рас­пасться, присоединяет к себе еще одну альфа-частицу и превращается в изотоп углерода ¹²С.

При гелиевой вспышке, когда основным видом термоядерного горючего становится уже не водород, а гелий-4, возможно образование в результате термо­ядерных реакций изотопа кислорода и некоторого ко­личества изотопа неона:

Когда весь запас гелия в звезде будет исчерпан, а температура ее поднимется еще выше, до 500 млн. и далее 1 млрд. градусов, происходит так называемая углеродная вспышка, когда в термоядерную реакцию вступят ядра углерода. Далее будут гореть кислород и более тяжелые элементы.

Звездный термоядерный синтез остановится на железе. При температуре в миллиарды градусов атом­ные ядра просто не могут существовать: они распа­даются на альфа-частицы и нейтроны. Дальнейшее повышение температуры ведет к гибели и альфа-час­тиц. Они распадутся на составляющие их нейтроны и протоны.

К судьбе звезд, полностью исчерпавших запасы гелия, мы еще вернемся. Сейчас нас интересует дру­гое. Гелий, как мы видели, представляет собой и про­дукт ядерного синтеза, и непосредственно звездное горючее, т. е. исходный материал для построения бо­лее тяжелых химических элементов. Несмотря на то что он эффективно сгорает в звездах, равно как и энергично накапливается в протон-протонном и угле­родно-азотном циклах, наблюдаемое количество его значительно превышает то, которое может быть об­разовано на первой ступени термоядерного синтеза. Есть все основания думать, что гелий возник не толь­ко в звездах, он должен был присутствовать и рань­ше, на стадии дозвездного вещества. Проблема гелия уводит нас в те времена, когда во Вселенной еще не было звезд.

[:ua]Гелій у Всесвіті[:ru]Гелий во Вселенной[:en]Helium in the Universe

Гелий в звездах

Звезды с полным правом могут претен­довать на роль основной формы вещества во Вселен­ной. Во всяком случае это утверждение справедливо для данного этапа эволюции нашего мира... В том, что так было не всегда, мы очень скоро убедимся.

В звездах сосредоточено свыше 97 % вещества Вселенной. Как отмечает известный советский астро­физик И. С. Шкловский, «...основная эволюция веще­ства происходила и происходит в недрах звезд. Именно там находился (находится) тот плавильный «тигль», который обусловил химическую эволюцию вещества во Вселенной, обогатив его тяжелыми эле­ментами».

О том, какие процессы протекают в звездах, мы можем судить по звездным спектрам, которые весьма разнообразны. Однако их различие обусловлено в большей степени температурными условиями на по­верхности звезд, нежели химическим составом их внешних оболочек. Химический же состав атмосферы звезд характеризуется преобладанием водорода, на втором месте стоит гелий (его приблизительно в 10 раз меньше, чем водорода), на долю остальных хи­мических элементов приходится, как правило, менее 1 % (по числу атомов). В случае нашего Солнца во­дород и гелий составляют около 97—98 % вещества.

Конечно, химический состав звезды определяется, прежде всего, температурой, которая свидетельству­ет о термоядерном выгорании водорода и гелия, а также плотностью, возрастом и местом образования звезды. Те звезды, где гелия обнаружено относитель­но мало, относятся, по-видимому, к самым старым в масштабах Галактики объектам.

Время от времени в научной литературе появля­ются сообщения об открытии звезд, совершенно ли­шенных гелия. Возможно, гелий на них имеется, но он находится в ненаблюдаемом с земной поверхнос­ти состоянии. Земная атмосфера прозрачна лишь в узком диапазоне электромагнитных волн. Практичес­ки мы можем наблюдать гелий только в достаточно горячих звездах, где он ионизирован. В относительно холодных звездах он не всегда оказывается наблю­даемым, так как земная атмосфера поглощает соот­ветствующую часть спектра.

Среди звездного «населения» встречаются объек­ты с аномально высоким содержанием гелия. Обна­ружены звезды, содержащие до 30 вес. % гелия. Од­на из самых загадочных звезд — это 3 Центавра А. Эта звезда аномально обогащена легким изотопом ге­лия — гелием-3, которого на Земле, да и во Вселен­ной в миллионы раз меньше, чем гелия-4. В 3 Цен­тавра А гелий-3 составляет 84% от общего содержа­ния гелия. Но интересно другое. В этой звезде самого гелия наблюдается очень мало: всего 1,3 % от общего количества водорода.

Как предполагают астрофизики, звезды конденси­руются из туманностей, состоящих в основном из во­дорода и гелия. Но гелий непрерывно возникает и в процессе термоядерного синтеза. Далее он, как и во­дород, является промежуточным продуктом в жизне­деятельности звезды. Вновь гелий возникает при ра­диоактивном распаде тяжелых элементов. В сложной цепочке ядерных превращений умирают одни и воз­никают другие элементы. Химический состав Вселен­ной непостоянен во времени. Однако, насколько мож­но судить по нашему Солнцу, протекающие в его недрах процессы превращения вещества не в состоя­нии объяснить наблюдаемое количество гелия. В сред­нем гелия в звездах больше, чем следует из теории термоядерного синтеза. Причем этот избыток касает­ся только гелия-3.

И вот еще одна загадка. Гелий наряду с водоро­дом является строительным элементом Вселенной. Ядро атома водорода, действительно, простое. Речь идет о самом легком изотопе водорода — протии, яд­ро которого представляет собой элементарную части­цу — протон. Следующий изотоп водорода — дейте­рий, ядро которого содержит кроме протона и нейт­рон, не играет столь значительной роли в эволюции Вселенной, поскольку его содержание составляет сто­тысячные доли от количества легкого водорода. Са­мый тяжелый изотоп водорода — тритий (в его ядре протон и два нейтрона) — в силу своей радиоактив­ности не накапливается. Ядра изотопов гелия (гелия-3 и гелия-4), равно как и ядра всех остальных хими­ческих элементов, имеют более сложное строение. Но если это так, то почему же природа отдает предпоч­тение именно гелию?

Было ли «начало» мира!

Итак, подавляющая часть вещества во Вселенной заключена в звездах, а звезды не могут существовать без гелия. Проблема звездного гелия (его избыток в звездных недрах) заставляет нас обратиться к тем временам, когда вещество Вселенной было сосредоточено в так называемом дозвездном состоянии. Но что известно науке о том поистине «доисторическом» пе­риоде эволюции материи? И если что-то известно, то каким образом эту информацию можно получить?

Возраст нашей Солнечной системы оценивают в 4,5—4,7 млрд. лет. Значит, чтобы узнать, каким было по составу то вещество, которое легло в основу Сол­нечной системы, нужно мысленно проникнуть в еще более отдаленные времена.

Попробуем совершить такое путешествие. Прежде всего заметим, что звездные спектры несут информа­цию не только о составе звездных атмосфер. В начале XX века их интенсивное изучение привело к открытию одного из самых грандиозных явлений во Вселенной — разбегания галактик.

Еще в XVII веке знаменитый английский астроном Уильям Гершель, наблюдая звездное небо в им же самим сконструированный телескоп, обнаружил стран­ное явление: на небесной сфере имелись объекты, со­вершенно не похожие на звезды. Астроном назвал их туманностями. Некоторые из них напоминали облака светящегося газа. Другие, возможно, представляли со­бой скопления звезд. Но чтобы убедиться в этом, была необходима более сильная оптика.

Когда такая оптика появилась, оказалось, что мно­гие объекты, воспринимаемые невооруженным глазом как довольно слабые звездочки, на самом деле имеют сложную структуру. Эти своеобразные острова во Все­ленной включали в себя миллиарды звезд, подобных нашему Солнцу. Теперь эти гигантские звездные «мо­лекулы», если условно принять звезду за атом, сдер­живаемые силами тяготения, называют галактиками,

В современных астрономических каталогах можно насчитать миллиарды галактик. Расстояния между ними составляют миллионы световых лет. Наше Солн­це находится на периферии той галактики, которая всем известна под названием Млечный путь.

Первым галактическими спектрами заинтересовал­ся американский астроном Весто Мелвин Слайфер в 1912 году. В общих чертах спектры галактик напо­минают спектры отдельных звезд, и в частности наше­го Солнца. Но галактический спектр — это суперпози­ция спектров очень многих звезд, хотя и не всех, вхо­дящих в данную галактику, поскольку часть излучения, экранируется галактическим ядром. Замечено, что у га­лактических спектров есть одно существенное отличив от звездных спектров: все они были смещены в сторо­ну более длинных волн, иными словами, в красную часть спектра. Возможным объяснением этого явления мог быть известный читателям из общего курса фи­зики эффект Доплера: если источник света движется, то его излучение, попадая в детектор, будет иметь ли­бо большую, либо меньшую длину волны в зависимо­сти от того, удаляется или приближается источник света по отношению к приемнику.

В результате более чем десятилетних исследований В. Слайфер пришел к выводу, что галактики удаля­ются от нас, от нашей Солнечной системы. Скорости разлета галактик, по измерениям В. Слайфера, состав­ляли сотни километров в секунду (рис. 4). Более позд­ние измерения позволили выявить галактики, которые удаляются от Солнечной системы со скоростями, до­стигающими 1/8 скорости света. А один из недавно открытых квазаров «убегает» со скоростью, лишь на 10 % отличающейся от световой.

Проанализировав скорости удаления галактик, другой американский астроном — Эдвин Хаббл — в конце 20-х годов нашего столетия пришел к выводу, что они возрастают пропорционально расстоянию, на котором эти галактики находятся от Земли. Установ­ленная астрономом в 1929 году зависимость получила название закона Хаббла. Этот закон означал, что га­лактики удаляются не потому, что каждая из них дви­жется в отдельности, а потому, что расширяется Все­ленная.

Несколько раньше к аналогичному выводу пришли и астрофизики-теоретики. Если общая теория относи­тельности, созданная А. Эйнштейном, определяла наш мир, «как неевклидовый, замкнутый (трехмер­ная сфера), в среднем однородный и неизменный во времени» (цитируется по В. Л. Гинзбургу. — А. А.), то дальнейшее развитие общей теории относительно­сти подвергло сомнению концепцию стационарной Вселенной.

Впервые мысль о нестационарности Вселенной бы­ла выражена в 1922—1924 годах (еще до открытия закона Хаббла) советским ученым А. А. Фридманом. Мир, в котором мы живем, расширяется. Это теорети­чески на основе общей теории относительности и пока­зал А. А. Фридман. Подобный вывод следовал из из­мерений В. Слайфера, обобщением которых явился закон Хаббла.

Но если Вселенная расширяется, то вполне естест­вен вопрос: как давно этот процесс начался и сколь долго он будет продолжаться? Так к началу Вселен­ной привели нас поиски дозвездного гелия.

Хроника первых мгновений

Если принять расширение Вселенной как факт или как постулат и если экстраполировать ее развитие во времени назад, то, как показывают расчеты, начало расширения Вселенной произошло 10—20 млрд. лет назад. Как это произошло? И что было «в начале»? Первые предположения были высказаны еще в 1927 го­ду. Бельгийский ученый Жорж Леметр допускал, что в момент начала расширения В.селенная представ­ляла собой некий «сверхатом» — плотно спрессован­ное гигантское «космическое яйцо». Произошел взрыв, положивший начало нашей Вселенной, и галактики-осколки, образовавшиеся при взрыве, разлетаются до сих пор.

Высказывались различные предположения и о со­ставе «космического яйца». По Ж. Леметру, в основе вещества Вселенной должны лежать тяжелые элемен­ты — висмут и свинец. Но как же в таком случае объяснить наблюдаемое в нем преобладание водорода?

Согласно гипотезе американского физика Г. Гамо­ва, «космическое яйцо» должно было состоять из плотно спрессованных нейтронов. В момент взрыва при радиоактивном распаде отдельных нейтронов об­разовались протоны и электроны. Протоны, вступая во взаимодействие с нейтронами, не успевшими испы­тать радиоактивный распад, дают начало другим изо­топам. Таким образом, синтез химических элементов — это последовательный захват нейтронов ядрами, а вы­сокие температуры в момент взрыва сделали реальны­ми процессы термоядерного синтеза. Для создания всех химических элементов природе «потребовалось» всего 30 мин. Однако более точные расчеты показали, что модель Гамова в состоянии объяснить только син­тез самых легких изотопов. И этот синтез обрывался на гелии-4.

Все современные космологические модели исходят из того, что в начальном состоянии Вселенная долж­на была быть сверхплотной, сверхгорячей и однород­ной. По-видимому, в таком состоянии она должна напоминать гигантскую элементарную частицу, плот­ность вещества которой 10⁹³ г/см³. Ничего определенного о веществе, находящемся в таком состоянии, современная физика сказать не может. Достоверно известная нам максимальная плотность — это плот­ность ядерного вещества: 10¹⁴ г/см³.

Как долго существовала Вселенная в виде «сверх­атома» и почему началось ее расширение? На эти воп­росы современная физика дать ответа не может. Но экстраполяция современного состояния Вселенной на­зад во времени позволяет считать, что момент начала, или, как его называют, момент Большого взрыва, все же имел место.

Через миллионные доли секунды после начала это­го процесса температура Вселенной составляла 10¹³ градусов; через сотую долю секунды она «упала» до 10¹¹ градусов. Спустя 100 с плотность вещества была примерно в 100 раз выше плотности воды, т. е. составляла около 100 г/см³, а температура 10⁹ градусов. Спустя 1 млн. лет температура достигла 2700— 3700 °С при средней плотности вещества 10^-21 г/см^3. В наши дни средняя температура Вселенной состав­ляет около минус 270 °С, а средняя плотность вещест­ва 10-²⁸ — 10-³⁰ г/см³.

На первом этапе расширения за 0,0001 с вещество, представленное в основном адронами (Адроны — класс элементарных частиц), и излучение находились в термодинамическом равновесии. На сле­дующем (по мере остывания) этапе вещество состояло из протонов, нейтронов и электронов. На первой сотне секунд оно исчерпывалось нуклонами и антинукло­нами, электронами и позитронами, нейтрино и гам­ма-квантами. При дальнейшем остывании нуклоны и антинуклоны, электроны и позитроны аннигили­ровали, в результате возникло электромагнитное из­лучение.

Ядра дейтерия, гелия-3 и гелия-4 образовались в первые 100 с. Но только ядра. Первые атомы смогли появиться через миллионы лет, когда вещество «осты­ло» настолько, что средняя энергия, приходящаяся на частицу, стала сравнимой с энергией электрона в атоме.

Расширяясь, Вселенная стремительно остывала, именно поэтому синтез химических элементов, требо­вавший высоких температур, остановился на гелии-4. Более тяжелые элементы появились уже через миллиарды лет, когда вещество сгруппировалось в звезды и галактики.

Первый этап синтеза химических элементов в до-звездной и догалактической Вселенной выглядел сле­дующим образом:

Более точные расчеты показали, что на этом этапе должно было образовываться около 70 % водорода (в том числе дейтерия, его доля составляла 10^-3 — 10^-4 от легкого изотопа водорода, и самого тяжело­го изотопа водорода трития, доля которого была еще меньше: 10^-5— 10^-7) и около 30 % гелия (в том числе 10^-6— 10^-7 гелия-3). Итак, вот он дозвездный гелий.

В самой модели горячей Вселенной, какой бы аб­страктной она ни представлялась, были заложены воз­можности для ее экспериментальной проверки. Оста­лись ли свидетели этого гигантского взрыва? На ранних стадиях эволюции Вселенной образовались электромагнитное и нейтринное излучения. По мере расширения Вселенной их температура падала, но до нашего времени, как показали расчеты, должны были «дожить» электромагнитное излучение, «остывшее» до минус 270—269 °С, и реликтовое нейтринное излучение с энергией 10^-5 эВ. Что касается нейтринного излуче­ния, нейтринного моря Вселенной, то пока надежды на его обнаружение нет из-за ничтожно малой вероят­ности взаимодействия нейтрино с веществом. А вот реликтовое электромагнитное излучение — свидетель тех времен, когда во Вселенной не было еще ни звезд, ни галактик, а все вещество было представлено плаз­мой,— обнаружили в 60-х годах.

Третьим свидетелем может быть гелий. Недаром, перефразируя известное изречение Архимеда, физики утверждают: «Дайте нам гелий, и мы построим Все­ленную». Будет ли этот гелий найден?

[:ua]Гелій на планеті Земля[:ru]Гелий на планете Земля[:en]Helium on planet Earth

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 2 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?

[:ua]«Гелієве дихання» Землі[:ru]«Гелиевое дыхание» Земли[:en]Helium Breath of the Earth

У гелия есть одно замечательное свой­ство: его непрерывное, проходящее не только через всю историю Земли, но и через всю историю Вселенной образование, как, впрочем, и исчезновение. Вообще, из­вестное непостоянство свойственно любому химическо­му элементу: распад ли радиоактивных изотопов (кото­рых, кстати, в нашем мире большинство), постоянное ли рождение новых ядер под действием космического излучения, накопление ли дочерних продуктов ядер­ных процессов. Но гелий и здесь выходит на первое ме­сто, во всяком случае по темпам своего образования.

В основе современных гипотез о происхождении Земли лежит выдвинутое еще академиком О. Ю. Шмид­том предположение об образовании Земли из пылево­го протопланетного облака. Значит, на ранних стадиях Земли высокие концентрации гелия в ее веществе бы­ли вполне допустимы.

Доказано, что гелий и водород являются единст­венными химическими элементами, способными прео­долеть «гравитационные тиски» Земли и выйти из атмосферы в околоземное пространство. Поэтому и водорода, и гелия так мало в атмосфере. Но если во­дород остается на Земле в виде химически связанных соединений, то летучему и легкому инертному гелию оставался один путь — в космос. Гелий не участвует в круговороте природных веществ. Поток гелия идет только в одном направлении: из глубинных частей планеты в атмосферу, а затем в космическое прост­ранство.

Изотопное отношение гелия (3/4)•10^-4, которое наблюдается и в солнечном ветре, и в составе лунного грунта, и в веществе метеоритов, можно считать ха­рактерным для первичного гелия, своеобразным те­стом для его обнаружения. На Земле же такого отно­сительного обогащения легким изотопом гелия никто не наблюдал. Могло ли это означать, что первичный гелий был действительно полностью потерян Землей, как считали многие исследователи?

Источники гелия на Земле

Кроме первичного гелия, который на Земле пока не обнаружили, можно было бы назвать еще два источ­ника гелия на нашей планете. Это, во-первых, радио­генный гелий, образующийся при альфа-распаде ра­диоактивных элементов. И, во-вторых, гелий космо­генный, за происхождение которого ответственны ядерные реакции, протекающие в атмосфере Земли и земной коре под действием космического излучения.

Постоянная генерация гелия происходит при ра­диоактивном распаде тяжелых элементов: урана, то­рия и других представителей радиоактивных семейств. Один грамм радия, например, ежесекундно рождает 37 млрд. атомов гелия. Земная кора и мантия генери­руют 5•10⁹ г гелия-4 в год.

По расчетам академика А. П. Виноградова, за всю историю Земли в ее недрах должно было накопиться 3,1•10¹³ т гелия. Этот радиогенный гелий мог застрять в кристаллических решетках минералов. Растворяясь в нефти, подземных водах и газах, он должен был за­полнить поровые пространства в земной коре и найти через ее разломы выход на поверхность; 10 % радио­генного гелия должно было выделиться в атмосферу в результате дегазации. Если бы это случилось, то на одну тысячную долю наша атмосфера должна была бы состоять из гелия. На самом же деле в атмосфере Земли гелия гораздо меньше: всего 3,6•10⁹ т, а общая масса воздушной оболочки Земли составляет 5•10¹⁵ т. Следовательно, попадающий в атмосферу гелий, не задерживается в ней.

Космогенный, или, как его называют, спалогенный гелий возникает в результате взаимодействия жест­кого галактического космического излучения, а также вторичных нейтронов с веществом. Кроме того, он по­падает на Землю вместе с метеоритами и космической пылью. Ежегодно на поверхность Земли выпадают тонны космического вещества. Небольшое количество гелия (примерно в 1000 раз меньше, чем выпадает с метеоритами) приносит космическое излучение. Этот гелий попадает в верхние слои атмосферы. И наконец, еще один источник гелия — ядерные реакции между нейтронами космического происхождения и веществом литосферы. Но все это дает ничтожно малое количе­ство гелия по сравнению с его генерацией в результате альфа-распада.

Снова о легком изотопе

Все сказанное относится в основном к гелию-4. Рассмотрение возможных источников генерации лег­кого изотопа заставляет нас сразу же убедиться, что гелия-3 на Земле должно быть гораздо меньше, чем гелия-4.

Основным источником гелия-3 служит тяжелый изотоп водорода — тритий, при бета-распаде которого и возникает гелий-3:

Однако тритий, содержащийся в атмосфере Земли, имеет вторичное происхождение, В основном — это продукт ядерных реакций, протекающих под дейст­вием нейтронов. В атмосфере Земли трития примерно в 10¹⁸ раз меньше, чем основного изотопа водорода, Максимально обогащен гелием-3 минерал сподумен (алюмосиликат лития), где изотопное отношение гелия достигает рекордной для земных образцов цифры: 10^-5—10^-6. Предполагают, что образование гелия в этих минералах происходит за счет реакции лития с нейтронами:

Нейтроны, инициировавшие эти реакции, могут иметь космическое происхождение (вторичные нейтро­ны из космического излучения), а могут возникать не­посредственно в литосфере в результате спонтанного деления урана.

Некоторое количество гелия-3 попадает на Землю из космического пространства вместе с обогащенным гелием-3 космическим излучением, космической пылью и метеоритами, однако большинство ученых считает, что, несмотря на постоянное пополнение запасов легко­го изотопа гелия, преобладающим для него процессом является непрерывный уход гелия-3 в космическое пространство.

Гелиевое излучение

Термин «газовое дыхание» Земли был введен в науку в 1912 году академиком В. И. Вернадским, который понимал этот процесс как выделение в ат­мосферу из недр планеты газов: гелия, неона, водоро­да. Сейчас показано, что газовое дыхание Земли — явление настолько грандиозное, что в нем участвуют и атмосфера, и гидросфера, и биосфера. По расчетам академика А. П. Виноградова, за время существова­ния Земли из мантии было вынесено до 10 % воды, натрия, аргона, хлора и около 1,5% существующего во внешних геосферах углерода.

При газовом дыхании Земли из глубин выделяются очень многие газы: метан, окись и двуокись углерода и т. д. Но особую роль в этом процессе играют оба изотопа гелия: легкий и тяжелый. В современной ат­мосфере Земли на каждые 10 млн. атомов гелия-4 приходится всего 14 атомов легкого изотопа. Известно, что из атмосферы гелий способен двигаться только в одном направлении: уходить в космическое прост­ранство.

Но в атмосфере Земли происходят таинственные вещи. Если предположить, что весь гелий из земной коры поступает в атмосферу и далее в космическое пространство, т. е. атмосфера является как бы трассой гелия (а исходя из всего, что мы знаем о свойствах гелия, это единственно возможное и разумное предпо­ложение), то изотопное отношение гелия для атмо­сферы должно быть таким же, как и для земной коры. Однако согласно наблюдениям в атмосферном воз­духе относительное содержание гелия-3 значительно больше, чем в земной коре. Каким же образом этот избыточный гелий-3 накапливался в атмосфере? Эта загадка усугублялась тем, что собранные воедино все­возможные источники гелия-3 не могли дать столь вы­сокого изотопного отношения.

Предполагали, что избыток гелия-3 можно объяс­нить его космическим происхождением. В верхних слоях атмосферы протекают ядерные реакции, приво­дящие к добавочному появлению и трития, и гелия-3 непосредственно. Но эксперименты показали, что космогенного гелия образуется примерно в 20 раз мень­ше, чем нужно для объяснения высокого изотопного отношения атмосферного гелия. Космогенного гелия, поступающего в верхние слои атмосферы с метеори­тами, космической пылью и космическим излучением, тоже оказалось недостаточно.

В 50-е годы текущего столетия было замечено по­ступление в атмосферу трития, несомненно антропоген­ного происхождения (следствие ядерных взрывов) — дополнительный источник гелия-3. Этот тритий мог бы изменить в нужную сторону изотопное отношение атмосферного гелия. Однако разгадки гелия-3 не по­следовало. Во-первых, потому что появление техноген­ного трития в количествах, даже, предположим, в сот­ни раз больших, чем природное его содержание, су­щественно не могло изменить концентрацию гелия-3, поскольку трития в атмосферном воздухе намного меньше, чем основного изотопа водорода. А во-вторых, и это главное, изотопное отношение для атмосферного гелия, равное 1,4•10^-6, оставалось таким же и до на­чала атомных испытаний.

Итак, в атмосфере относительное содержание лег­кого изотопа гелия больше, чем может выделить земная кора. Почему? Ответить на этот вопрос удалось лишь во втором гелиевом веке.

Попытки экспериментально обнаружить гелиевое дыхание Земли начались еще несколько десятилетий назад. Для того чтобы уловить поток гелия, идущий из земной коры, над исследуемыми участками поверх­ности ставились металлические колпаки. Однако, когда исследовали состав скапливающихся под кол­паками газов, избытка гелия обнаружить не удава­лось. Он непостижимым образом ускользал.

Один из первых удачных экспериментов по обнару­жению гелиевых потоков из недр был сделан в 1938 году советским ученым Э. К. Герлингом. Изучая состав надпочвенного воздуха в районе одного из ге­лиевых месторождений, ученый обнаружил там избы­ток легких инертных газов: неона и гелия.

В 60-х годах текущего столетия советским ученым удалось найти способ обнаружения гелия. Оказалось, что более эффективным будет поиск гелия не над почвой, а в подземных водах. Подземные воды в ка­кой-то мере растворяют гелий. Они заполняют свобод­ное трещинно-поровое пространство горных пород, и там, где имеется восходящий поток гелия, его концент­рация в подземных водах может быть более высокой. Так родилась водно-гелиевая съемка, оказавшаяся до­статочно доступной.

Земная кора проницаема для гелия. Однако глав­ный и наиболее быстрый путь для него из недр лежит через трещины и разломы коры. Потоки гелия пере­носятся вместе с водами, насыщенными газами. Уче­ные выяснили очень интересное обстоятельство: рас­пределение концентраций гелия в подземных водах, иными словами, поля гелия четко отражали элементы глубинной неоднородности земной коры. По словам советских геологов А. Н. Еремеева и И. Н. Яницкого, «в региональном поле гелия отразилась глубинная структура земной коры, напоминающая марсианские каналы».

В настоящее время существование гелиевого дыха­ния Земли доказано. Необъясненным до последнего времени оставалось изотопное отношение гелия в ат­мосфере.

[:ua]Гелій в земних надрах[:ru]Гелий в земных недрах[:en]Helium in the bowels of the earth

Спустя 100 лет после открытия гелия в атмосфере Солнца, после того как стала в общих чер­тах понятна роль, которую играет этот элемент в ра­диоактивных превращениях и космологических процес­сах, после того как были получены сведения о его рас­пространенности в различных объектах, внимание уче­ных сфокусировалось на стабильных изотопах гелия. Как известно, и во Вселенной, и особенно на Зем­ле в составе природного гелия легкий изотоп встре­чается весьма редко. Однако детальная количествен­ная картина распределения изотопов гелия во всех доступных наблюдению природных объектах отсутст­вовала. Изотопная метка по гелию была бы, несом­ненно, полезна геологам при поисках полезных иско­паемых, в частности урановых руд, поисковым приз­наком которых послужило бы чрезвычайно низкое отношение ³Не/⁴Не. Но исчезающе малые количества легкого изотопа на подавляющем фоне гелия-4 с тру­дом поддавались количественным оценкам.

Перед второй мировой войной и в первое после­военное десятилетие были получены данные об изо­топном отношении гелия в ряде природных образцов: в атмосферном воздухе, в некоторых образцах при­родных газов, в минералах и метеоритах. И оказа­лось, что распространенность легкого и тяжелого изо­топов гелия различна. О том, что гелий-3 встречается в природе гораздо реже, чем гелий-4, знали. Удивля­ло другое: необычайная, несвойственная другим эле­ментам вариация изотопного отношения. В метеори­тах, например, около 10 % гелия приходилось на до­лю легкого изотопа, в атмосфере — миллионная часть, в ряде минералов — миллиардная. Почему? Для того чтобы ответить на этот вопрос, нужны были новые ис­следования. Но в тех природных образцах, где доля гелия-3 была особенно невелика, изотопное отношение гелия с трудом поддавалось измерению. Ограничен­ные возможности экспериментальной техники в те­чение 20 послевоенных лет не позволяли получить новой информации о распространенности гелия в природе.

Несколько слов о технике эксперимента

Среди методов, которыми современная физика обогатила технику, особое место занимает масс-спек­трометрия. Возможность проанализировать микро­скопические количества вещества, обнаружить в нем малораспространенные изотопы или примеси всегда привлекала внимание не только физиков, но и пред­ставителей самых разных научных дисциплин: хими­ков, биологов, медиков, геохимиков, металлургов.

Мощным толчком к созданию прибора, названного масс-спектрографом, послужили эксперименты ан­глийского физика Дж. Томсона, поставленные еще в начале XX века. Воздействовав на так называемые каналовые лучи неона (т. е. говоря современным языком, на ионизованные атомы этого элемента) элек­трическим и магнитным полями, Дж. Томсон обнару­жил, что ионы неона по своим свойствам неодинаковы. Они представляют собой смесь, комбинацию двух хи­мически идентичных частиц с массовыми числами 20 и 22. Структура материи оказалась, по словам Ф. Содди, «...вообще существенно сложнее, чем это проявляется в одном лишь периодическом законе». Попытки разделить эти составляющие неона какими-либо физическими методами не дали результата. Ни диффузия, ни возгонка, ни центрифугирование не по­зволили разделить ионы неона. Однако проблема не­она не вызывала особого удивления у физиков-хими­ков того времени. Дело в том, что концепция изото­пов, с которой физики столкнулись при исследовании радиоактивных превращений, уже укоренилась в на­уке. Химически тождественные составляющие инерт­ного неона, по-видимому, и представляли собой раз­личные его изотопы.

Теоретический анализ этой ситуации, выполненный учеником Томсона молодым физиком Ф. Астоном, предсказывал один путь разделения изотопов — элек­тромагнитный. Первый масс-спектрограф был скон­струирован Ф. Астоном в 1919 году (рис. 5). Физичес­кие принципы, лежащие в основе работы этого при­бора, таковы. Ионы исследуемого вещества, проходя последовательно через электрическое, а затем маг­нитное поля, отклоняются от своей первоначальной траектории. Это отклонение зависит от отношения электрического заряда иона к его массе: е/т. Детек­тором ионов в первом масс-спектрографе служила фотопластинка. Попадающие на нее изотопы остав­ляли в определенном месте пятно. Поскольку сущест­вовал неизбежный незначительный первичный раз­брос частиц по энергиям, то каждое пятно превра­щалось в линию. Таким образом, каждому отношению е/т соответствовала своя линия на детекторе. Плотность почернения фотопластинки, т. е. яркость линии, определялась интенсивностью потока частиц.

При помощи масс-спектрометра Ф. Астон устано­вил, что неон действительно состоит из смеси двух изотопов. И не только неон. Сложную структуру име­ли очень многие химические элементы, но, к огорче­нию и недоумению исследователей, к их числу не от­носился гелий. Об этом мы уже говорили в главе I.

Масс-спектрометрия получила широкое примене­ние. Во многих лабораториях мира появились масс-спектрографы и масс-спектрометры «собственной кон­струкции». Однако только через два десятилетия после начала исследований Ф. Астона выяснилось, что гелий представлен двумя стабильными изотопами. Работа американских физиков Л. Олдрича и А. Нира, которым удалось при исследовании изотопного отно­шения природного гелия достичь относительно высо­кой чувствительности (приблизительно 2•10^-7), по праву считалась одной из лучших работ своего вре­мени. Ф. Содди говорил о масс-спектрометрах: «Эти инструменты можно поставить в один ряд с наиболее удивительными точными приборами, которые когда-либо изобретал человеческий ум».

Трудности на подступах к гелию

После исследований Л. Олдрича и А. Нира в те­чение последующих 15—20 лет принципиально новых результатов об изотопных отношениях гелия не по­ступало. Более точные результаты требовали более совершенной экспериментальной техники. А иссле­дование изотопного отношения гелия оказалось одной из труднейших задач масс-спектрометрии. И вот по­чему.

Для того чтобы зарегистрировать в масс-спектро­метрах потоки гелия-3, интенсивность которых порой в миллиарды раз меньше, чем интенсивность основно­го изотопа гелия-4, нужны были высокочувствитель­ные приборы. Чувствительность масс-спектрометра — это минимальное количество изотопа, которое может быть зарегистрировано прибором. В случае гелия прибор должен реагировать на присутствие в пробе всего лишь 10⁵—10⁶ атомов гелия-3.

Была и другая трудность: в пробах, предназначен­ных для исследования гелия, неизбежно присутство­вали ионы молекул Н₃ и HD, состоящие из смеси изо­топов (рис. 6). Массы Н₃₎ гелия-3 и молекулы HD очень близки. Избавиться от фона, создаваемого мо­лекулами Н₃ и HD, оказалось очень трудно. Для того чтобы отделить их от линий гелия-3, необходимо бы­ло одновременно с увеличением чувствительности при­бора повысить его разрешающую способность. Но при этом неизбежно возрастала интенсивность соответ­ствующих линий.

Еще одна проблема. Ионы гелия-4, молекул Н₃ и HD во время своего движения в камере масс-спект­рометра неизбежно должны были испытывать рассе­яние на молекулах оставшегося в камере газа. А это приводило к увеличению разброса направлений частиц и к возникновению на детекторе, когда на него по­падут испытавшие рассеяние частицы, так называе­мых «хвостов» соответствующих линий, на фоне ко­торых слабая линия гелия-3 рискует остаться практи­чески незамеченной. Этот фон также необходимо по­давить.

Немаловажным требованием является и быстро­действие прибора: для выяснения многих закономер­ностей необходимо сделать сотни и тысячи анализов природного гелия, которые надо провести в «разумное время».

Совместить эти и многие другие требования, вы­двигаемые «гелиевой проблемой», в одном приборе — масс-спектрометре с постоянным магнитным полем (так называемом статическом масс-спектрометре) — было практически невозможно.

Гелий мешает гелию

Именно такая картина в области масс-спектрометрии гелия предстала перед глазами исследователей в 60-е годы текущего столетия. Для того чтобы ра­зорвать цепочку трудностей, необходимо было найти новые методы разделения изотопов. Одно из удачных решений было предложено учеными ленинградского Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе. «А если попытаться разделить изотопы гелия не за счет их различного отклонения в магнитном поле, как это делалось в статических масс-спектрометрах, а за счет различного времени их пролета по замкнутой круговой орбите в магнитном поле?» — подумали они. Это удалось осуществить в результате использования в приборе дополнительного высокочастотного элек­трического поля. Разработанные ими приборы, на­званные магнитными резонансными масс-спектромет­рами (МРМС), позволяют получить и большую раз­решающую способность, и высокую чувствительность одновременно (рис. 7).

Однако вездесущий, всюду проникающий гелий-3 оказался очень трудным для измерения объектом. И даже не потому, что во многих образцах его было в сотни миллионов и даже в миллиарды раз меньше, чем гелия-4, а потому, что в окружающем нас атмо­сферном воздухе тот же гелий-3 присутствовал порой в сотни и тысячи раз больших концентрациях. И если в пробу попадал хотя бы 1 % атмосферного гелия, результаты измерений могли бы исказиться на сотни процентов.

Необходимо было исключить попадание атмосфер­ного воздуха в пробу как в процессе ее отбора, так и во время хранения пробы, когда возможным было улетучивание гелия, что тоже неизбежно вело к иска­жению результатов измерения. Такие же меры пред­осторожности были необходимы и при анализе мине­ралов, из кристаллических решеток которых приходи­лось перед измерениями извлекать гелий. Образцы минералов дробились и нагревались примерно до 1300 °С без контакта с атмосферным воздухом.

И еще одна проблема. Работать приходилось с невероятно малыми, почти микроскопическими коли­чествами гелия. Дело в том, что в любых пробах гелия вообще очень мало: сотые и тысячные доли процента от общей массы исследуемого вещества. И перед изотопным анализом гелий необходимо было очищать от сопутствующих газов (паров воды, хими­чески активных газовых примесей, тяжелых инертных газов), присутствие которых могло бы исказить кар­тину измерений.

При создании МРМС ленинградские ученые столк­нулись с еще одним непредвиденным свойством ге­лия, которое было названо эффектом памяти. Сколь бы идеальной ни была герметизация прибора, после откачки атмосферного воздуха в нем появлялось до­вольно заметное количество гелия. Вот что писали Б. А. Мамырин и И. Н. Толстихин: «Вопреки распро­страненному мнению о том, что гелий благодаря низ­кой химической активности может быть легко удален из системы путем откачки и непродолжительного на­грева, экспериментально доказан сильно выраженный эффект памяти и для гелия-3 и для гелия-4. Этот эф­фект обусловлен проникновением гелия в элементы конструкции при значительном давлении его и обрат­ным выделением гелия при резком снижении давле­ния в системе».

Если не удалить этот остаточный гелий, он будет свободно конкурировать с гелием, предназначенным для исследования. И это может затруднить любой анализ. Но особенно эффект памяти мешал при ана­лизе уникальных проб: например, лунного грунта, космической пыли.

Гелий в недрах планеты

Когда удалось преодолеть все эти трудности, но­вая масс-спектрометрическая техника, подобно из­вестному в истории науки микроскопу Левенгука, от­крыла новые миры. И прежде всего это коснулось изотопии гелия.

В течение последнего десятилетия ленинградские ученые проделали несколько тысяч анализов изотоп­ного отношения гелия в самых различных природных образцах. Объектами исследования служили горные породы, минералы, вулканические и природные газы, вода и нефть, взятые буквально со всего света. Посте­пенно вырисовывалась картина распределения изото­пов гелия в веществе Земли.

Удалось выявить любопытную закономерность: изотопный состав гелия связан с геологической исто­рией региона, откуда были взяты пробы. Самые вы­сокие изотопные отношения (примерно 10^-5) наблю­дались в районах, непосредственно связанных с ман­тией Земли, т. е. в районах, характеризующихся интенсивной вулканической деятельностью: там, где имеются «незалеченные» трещины и разломы в зем­ной коре, и возможен выход глубинных потоков ве­щества на поверхность. Такие данные получены для образцов, взятых на о. Исландия, который является продолжением подводного Срединно-Атлантического хребта. Высокие изотопные отношения гелия харак­терны для флюидов Тихоокеанского вулканического пояса (Курило-Камчатская вулканическая зона, Япо­ния, некоторые регионы Северной Америки). Кстати, в глубинных водах Тихого океана, куда попадает ге­лий из мантии, эти отношения достигают примерно 1,7•10^-5. Аналогичные изотопные отношения наблю­дались для многих молодых изверженных пород.

В стабильных районах земной коры, где тектони­ческая деятельность давно закончилась, они оказыва­лись значительно ниже: 2•10^-8. Такие данные были получены профессором Б. А. Мамыриным и его кол­легами для гелия, содержащегося в газах, водах и горных породах Русской платформы. Такие же низ­кие изотопные отношения гелия наблюдались для древних пород гранитного состава.

Районы, занимающие по геологическому строению и по тектонической активности промежуточное поло­жение, характеризуются и промежуточным изотоп­ным отношением гелия: примерно 10^-6 / 10^-7.

Итак, по мере удаления от земной поверхности в глубь Земли относительное содержание гелия-3 в гелии имеет явную тенденцию к росту. Во всяком случае, самые молодые породы вулканического про­исхождения наиболее обогащены легким изотопом гелия. И только по прошествии 1 млрд. лет постепен­но падающее за счет непрерывного накопления ра­диогенного гелия-4 изотопное отношение гелия дости­гает 10^-8.

В атмосфере в результате накопления гелия-3, вы» ходящего по трещинам земной коры, оно вновь на­чинает подниматься, достигая 10^-6, а за ее пределами, в околоземном пространстве, изотопное отношение гелия оказывается достаточно высоким и постоянным: на три атома гелия-3 приходится 10 000 атомов ге­лия-4. Такое же изотопное отношение гелия наблю­дается и для солнечного ветра, и для лунного грунта, и для глубинных частей некоторых метеоритов. Это была своеобразная константа природы, отражающая состав того первичного вещества, из которого сформировались и Солнце, и планеты, и метеориты. Свя­зано ли это каким-либо образом с глубинным гели­ем, выделяющимся из мантии Земли?

Солнечный гелий

Очередную гелиевую проблему можно было бы сформулировать так: почему в вулканических газах, появляющихся на поверхности в любом районе Зем­ли, гелия-3 в сотни и тысячи раз больше, чем в об­разцах земной коры (Исключение составляют только литиевые минералы, где ге­лий-3 образуется за счет реакций между нейтронами и изотопом дитий-6). Если учесть, что вулканические газы — естественные посланцы мантии к поверхности Земли, оставалось предположить, что избыточный гелий-3 находится именно в мантии.

Сначала думали, что этот мантийный гелий (в том числе и гелий-3) имеет радиогенное происхож­дение. Однако расчеты показали, что ни ядерные пре­вращения, ни радиоактивный распад тяжелых элемен­тов обеспечить необходимое количество гелия-3 не могли. Другая попытка объяснить избыток легкого изотопа гелия в глубоких недрах связывалась с пред­положением, что в отдаленном прошлом в недрах Земли существовал относительно интенсивный поток нейтронов. Эти нейтроны возникали при спонтанном делении трансурановых элементов, в частности наи­более подходящим оказывался изотоп плутония — плутоний-244. Сами трансурановые до наших дней не «дожили»: период их полураспада оказался значи­тельно меньше возраста Земли. Но нейтроны, сопро­вождающие процесс деления ядер, должны были ис­пытывать взаимодействие с веществом литосферы, в результате чего появлялся и гелий-3. Но и эта гипо­теза не смогла объяснить необходимое количество ге­лия-3 в мантии.

Японский физик И. Такаги пытался объяснить избыток легкого изотопа гелия за счет продуктов ядерных взаимодействий мю-мезонов космического из­лучения (так называемой жесткой, проникающей ком­поненты космического излучения) с веществом ман­тии. Но увы, специально поставленные эксперименты показали, что на глубине 3—5 км от поверхности по­ток космических мю-мезонов уменьшается в сотни тысяч раз. Необходимое количество гелия-3 не смогло бы накопиться за время существования Земли.

Высказывались предположения, что в природе существуют неизвестные пока науке процессы разде­ления изотопов. Но тогда и для других содержащихся в мантии летучих элементов должны наблюдаться от­клонения в изотопных отношениях. Однако сравнение природных изотопных отношений водорода, углерода, кислорода, неона и гелия заставило отказаться и от этой гипотезы.

Оставалось только одно предположение: тот гелий, который находится в мантии и который выходит на поверхность Земли вместе с вулканическими газами, представляет собой смесь радиогенного и первичного гелия. В недрах Земли сохранился гелий, захвачен­ный ею при образовании планеты. По-видимому, око­ло 4,5 млрд. лет назад изотопное отношение для зем­ного гелия приближалось к космическому: около 3•10^-4. Но находившиеся в мантии тяжелые элементы способствовали увеличению доли гелия-4, а дегазация недр уменьшала количество гелия-3. Кстати, в мантии сохранился не только первичный гелий. Расчеты, вы­полненные И. Н. Толстихиным, показали, что в нед­рах осталось к настоящему времени около 10 % первичных газов.

Теперь история нашей планеты представала в принципиально новом свете. Обнаружение первично­го, солнечного, гелия в мантии Земли было зарегист­рировано в конце 1981 года в государственном Ре­естре изобретений СССР как открытие.

«Суть нашего открытия,— сказал один из его ав­торов, советский физик Б. А. Мамырин, — заклю­чается в том, что мы выяснили новую особенность устройства нашей планеты. Всем известно, что земной шар имеет слоистую структуру: сверху тонкая кора (30—70 км), а далее мантия толщиной около 3000 км, внутри тяжелое ядро. Так вот, мы установили, что гелии, которыми пропитаны породы земной коры и породы мантии, резко отличны по изотопному соста­ву. В гелии мантии соотношение ³Не/⁴Не в 1000 раз больше, чем в гелии земной коры. Я не ошибся — в 1000! Это — редчайший феномен природы, так как сдвиги в изотопном отношении для различных эле­ментов на Земле не превышают обычно единиц про­центов (рис. 8).

Второй особенностью мантийного гелия является удивительное постоянство его изотопного состава на земном шаре.

Оба эти свойства нельзя было предвидеть, и мы выяснили их, когда после разработки нашего прибо­ра начали систематическое изучение гелия в земных газах и пародах.

И единственный, не противоречащий эксперимен­тальным фактам ответ заключался в том, что в ман­тии сохранился так называемый «первозданный» или «солнечный» гелий, который непрерывным пото­ком излучает наше светило до сих пор. Этим гелием с высоким изотопным отношением ³Не/⁴Не были про­питаны частицы пылевого облака, из которого обра­зовались планеты Солнечной системы 4,5 млрд. лет назад. И вот «упаковка» оказалась столь добротной, что, несмотря на высокую подвижность и химическую инертность, первозданный гелий сохранился в мантии до наших дней».

Несколько разгадок

Итак, представления о полной потере Землей пер­вичного гелия не подтвердились. Но ученым нужно было ответить на вопрос: каким образом была обес­печена сохранность на Земле самого летучего газа? Предполагали, что первичный гелий мог сохраниться до наших дней лишь в одном случае: максимальная температура Земли при ее образовании не превышала 500—700 °С. Иными словами, наша планета никогда не была в расплавленном состоянии, иначе перво­зданный гелий должен был бы испариться. Таким об­разом, проблема гелия, и в частности гелия-3, должна учитываться при обсуждении вопроса об условиях об­разования планет Солнечной системы.

Однако вернемся на Землю. Сам факт сохранно­сти первичного гелия в мантии очень многое дал для изучения нашей планеты. Через глубинные разломы в земной коре, через подводные и материковые вул­каны происходит постоянный выход гелия на поверх­ность. При этом он имеет характерную изотопную метку. А поскольку гелий — единственный на плане­те газ, для которого существует только восходящий поток (из недр через атмосферу в космическое про­странство), то он, наподобие рентгеновского излуче­ния, как бы просвечивает земную кору изнутри.

Вещество, мигрирующее из мантии к поверхности, всегда оказывается помеченным гелием-3. Но в зем­ной коре эта изотопная метка постепенно исчезает, так как там постоянно образуется радиогенный гелий, и это приводит к постепенному уменьшению изотоп­ного отношения гелия. Разумеется, это очень медлен­ный процесс. Пройдет 1 млрд. лет после завершения тектонической активности региона, прежде чем в гор­ных породах установится характерное для радиоген­ного гелия изотопное отношение 10^-8.

Дальнейший путь гелия лежит через атмосферу. Но до последнего времени изотопное отношение для атмосферного гелия тоже таило в себе загадки. Пос­ле открытия первозданного легкого гелия в мантии Земли стало ясно, что источником недостающего изотопа гелия-3 в атмосфере служит именно мантия Земли. Постоянная дегазация мантии объясняет, по­чему изотопное отношение ³Не/⁴Не в атмосфере в 100 раз выше, чем в земной коре.

Итак, земная кора является постоянной трассой для гелиевых потоков. Знание изотопного состава ге­лия в различных регионах позволяет уточнить ее стро­ение и, что очень важно, дать полезную информацию, на основании которой можно будет прогнозировать приносящие бедствия жителям разных континентов землетрясения и извержения вулканов.

[:ua]Гелієвий годинник[:ru]Гелиевые часы[:en]Helium watch

Первые научные попытки оценить воз­раст Земли относятся к XVIII веку. Если предполо­жить, как это сделал французский естествоиспытатель Жорж Бюффон, что первоначально Земля была ог­ненно-жидким шаром, то сколько же времени пона­добилось ей для остывания? Иными словами, сколько должно было пройти времени, прежде чем огненный шар превратился в современную Землю? Моделью Земли в опытах Ж. Бюффона служили нагретые ме­таллические шары. Экспериментально изучив скорость их остывания, он перенес полученные данные на земной шар и получил цифру 75—82 тыс. лет. Выводы ученого настолько противоречили религиозным пред­ставлениям, что под давлением реакционно настроен­ных кругов он вынужден был отречься от своей тео­рии. Впоследствии результаты, полученные Ж. Бюф­фоном, проверялись и уточнялись. Более детальное изучение процесса остывания Земли позволило англий­скому физику лорду Кельвину оценить ее возраст в 40 млн. лет.

Ученые понимали, что для определения возраста планеты необходимо найти такие процессы, которые протекали бы достаточно равномерно с момента воз­никновения Земли и по сей день. Современник И. Ньютона английский геофизик Эдмунд Галлей по­пытался оценить возраст Земли по содержанию со­лей в океане. Как известно, подземные и поверхност­ные воды частично растворяют почвы и вымывают горные породы. Попадая в реки, эти осадки вместе с водами рек поступают в океан. Значит, содержание солей в океане должно со временем увеличиваться. Однако этот процесс не может быть положен в основу определения возраста планеты. Во-первых, равно­мерность его во времени находилась под большим сомнением (ибо на протяжении всей истории Земли менялся климат, колебалась температура, а значит скорость растворения солей в воде не могла быть по­стоянной) . Во-вторых, сами океаны могли образовать­ся только после того, как Земля сформировалась.

Более постоянной казалась скорость образования осадочных пород. Если определить годовой прирост осадочных пород и допустить, что этот процесс явля­ется более или менее постоянным, то окажется, что возраст Земли лежит в пределах от 100 тыс. до 1 млн. лет.

Открытие радиоактивности дало в руки исследо­вателей безукоризненно идущие геологические часы. Дело в том, что скорость радиоактивного распада всегда постоянна и не зависит от внешних условий. Естественно, что каждое радиоактивное вещество ха­рактеризуется только ему присущей скоростью рас­пада. Более того, физикам неизвестны никакие спо­собы воздействий на скорость радиоактивного рас­пада. В земных условиях его нельзя замедлить и не­возможно ускорить.

Однако использование радиоактивных превраще­ний для определения длительных интервалов време­ни встречает определенные трудности. Как установить начальное количество вещества, испытавшего радио­активный распад? Иными словами, какой момент истории Земли следует принять за начальный? Как отделить радиогенные изотопы, количество которых должно расти во времени пропорционально возрасту объекта, от изотопов, находившихся в первичном ве­ществе Земли?

Радиоактивные часы

«Когда было выяснено, что конечным результатом радиоактивной цепочки является свинец, стало по­нятным, что отношение урана или тория к свинцу или гелию, содержащимся в этих минералах, является своеобразными геологическими часами, позволяющи­ми определить возраст этих минералов... Конечно, мы исходили из предположения, что на протяжении все­го периода «часы» показывали время равномерно»,— вспоминал Ф. Содди — один из первых исследовате­лей радиоактивности.

Первая попытка определить абсолютный возраст минералов принадлежит Э. Резерфорду, который оце­нил отношение родительского урана к дочернему гелию. Возраст исследованных им горных пород по сравнению с данными других методов составил ог­ромную цифру: 3 млрд. 40 млн. лет. И это близко к современным оценкам. Как писал американский физик П. Дэмон, «...минерал или порода, содержа­щие радиоактивный изотоп, становятся в полном смысле слова радиоактивными часами или геохро­нометром».

Остановимся несколько подробнее на «механизме» работы радиоактивных часов. Все радиоактивные ве­щества распадаются по одному закону: количество исходного вещества, исходного изотопа, уменьшается экспоненциально во времени:

где N₀ — число атомов радиоактивного изотопа в на­чальный момент времени; N — число атомов того же изотопа, оставшееся по прошествии отрезка времени t; λ — константа распада (она строго индивидуальна для каждого изотопа). Периодом полураспада называется время, в течение которого количество радиоактивного изотопа уменьшается в среднем вдвое.

Таким образом, если известны константа радиоак­тивного распада изотопа и характер последующих радиоактивных превращений дочерних изотопов, мож­но рассчитать содержание и начальных, и дочерних продуктов практически для любого момента времени. Однако если мы хотим использовать радиоактивный распад для определения больших промежутков вре­мени, например возраста Земли, метеоритов, горных пород, нужно, чтобы период полураспада радиоак­тивных изотопов был достаточно велик. Этому требо­ванию удовлетворяют некоторые тяжелые природные радиоактивные изотопы, входящие в так называемые радиоактивные цепочки.

Существуют три генетические цепочки или три ра­диоактивных ряда, родоначальниками которых явля­ются уран-238, уран-235 и торий-232, периоды полу­распада которых по отношению к альфа-распаду, со­ставляют 4,5•10⁹; 1,39•10¹⁰ и 7,13•10⁸ лет соответст­венно, а конечным результатом распада являются стабильные изотопы свинца. Со временем количество материнского изотопа уменьшается, но идет накопле­ние свинца. Если знать, сколько свинца образует, например, 1 г урана в год (и предположить, что уран находился в минерале «с самого начала»), можно определить время, в течение которого произошло на­копление всего находящегося в минерале свинца, и, следовательно, возраст минерала. Это так называе­мый свинцовый метод определения абсолютного воз­раста.

Все процессы распада сопровождаются также и образованием гелия. Накопление его тоже происходит с постоянной скоростью. И его количество, если, ко­нечно, весь радиогенный гелий сохраняется в мине­рале, находится в прямой связи с исходным материн­ским изотопом. Тогда по гелию, извлеченному из минерала, можно восстановить исходное количество материнского вещества и таким образом оценить воз­раст минерала. Таков гелиевый метод в теории».

Неисправность гелиевых часов

А на практике оказалось, что определить возраст пород по гелию очень затруднительно, прежде всего потому, что минералы постоянно теряют радиогенный гелий. Однако заставить их расстаться с гелием не так-то просто. В лабораторных условиях, чтобы вы­делить гелий, приходится нагревать минералы до температур, близких к 1000 °С, предварительно раз­дробив образцы. Когда клевеит превратили в поро­шок, размеры песчинок которого составляли 1—2 мкм, извлечь удалось только 1/3 накопленного в минерале радиогенного гелия.

Аналогичное действие на минерал оказывает и вакуум. Из минералов, подвергшихся действию вы­сокого вакуума, удавалось извлечь значительную часть гелия. Однако выделить его почти полностью (поскольку некоторая доля гелия переходит в рас­плав) оказалось возможным лишь после расплавле­ния клевеита.

Таким образом, если на протяжении геологической истории внезапно возникали подобные физические воздействия (тепло, вакуум, механические перегруз­ки), способствующие появлению трещин в минера­лах, то сохранность гелия уменьшалась.

Как отмечал известный советский радиохимик И. Е. Старик, накопление гелия в минералах служит определенным свидетельством их возраста, но для этого надо быть уверенным, что в течение всей гео­логической истории гелий не улетучивался из этих минералов и что за время их существования радио­активное равновесие не нарушалось.

При определении геологического возраста по гелию чаще всего возможны два случая: гелиевые часы на­чинают либо спешить, либо отставать. Когда для ря­да минералов определили возраст двумя методами одновременно: гелиевым и свинцовым, то гелиевый показал возраст в десятки и даже сотни раз меньше, чем свинцовый. Это заставило ученых заинтересовать­ся проблемой сохранности гелия в различных мине­ралах.

Работами советского ученого Э. К. Герлинга было показано, что основным механизмом потерь гелия ми­цералами является диффузия его в межкристалличе­ское пространство. Очень важным условием сохранности гелия служит плотность упаковки кристалличе­ской решетки. Любая кристаллическая решетка представляет собой жесткий каркас периодически по­вторяющихся атомных группировок. Чем больше рас­стояние между атомами, находящимися в узлах кри­сталлической решетки, тем более вероятен процесс улетучивания гелия, поскольку размеры атома гелия невелики и сравнимы с межатомными расстояниями в кристаллах. К сожалению для исследователей, свой­ственная многим минералам относительно неплотная кристаллическая упаковка заставляет эти минералы относительно легко расставаться с гелием.

Кроме того, и сама кристаллическая решетка со временем разрушается. Наиболее активными «разру­шителями» ее являются радиоактивные загрязнения, а также примеси и вкрапления инородных атомов. Пожалуй, главную роль здесь играют те радиоактив­ные изотопы, в процессе распада которых образуются гелий и другие дочерние атомы. Радиоактивное излу­чение, в том числе и сами ядра гелия, пока еще аль­фа-частицы, вызывает радиационное повреждение вещества. Атомы, находящиеся в узлах кристалличе­ской решетки, как бы расшатываются, смещаются со своих равновесных позиций. Образующиеся при рас­падах новые атомы застревают в междуузлиях. Де­фекты кристаллической решетки также облегчают диффузию гелия.

Эти капризы гелиевых часов приводили к тому, что ученые довольно часто пренебрегали ими. В 1936 го­ду американский ученый Г. Юри предложил гелиевую шкалу определения абсолютного возраста, но вскоре выяснилось, что эта шкала неточна. Полученные с ее помощью значения возраста были завышены почти вдвое. Десятью годами ранее советский ученый В. Г. Хлопин определил возраст трех образцов ура­нита. Истинный возраст этих образцов, установлен­ный по накоплению свинца, был равен 1600—1700 млн. лет, гелиевый же метод дал значения 6,1; 51,8 и 64,2 млн. лет.

Неблагоприятными для гелиевой хронологии яв­ляются также минералы с избыточным гелием: берил­лиевые, борные, литиевые. Например, в магнетите ге­лия оказалось в 18 раз больше «нормы».

Как уже говорилось, «избыточный» гелий не яв­ляется радиогенным (по крайней мере, для данного минерала). Он внедрился в кристаллическую решетку в те отдаленные времена, когда вещество земной коры находилось в иных физических условиях, чем в на­стоящее время, а в дальнейшем удерживался плотно упакованной решеткой. И только ограниченное коли­чество минералов хорошо сохранило весь накопивший­ся в них радиогенный гелий.

Однако гелиевый метод имеет свои права на суще­ствование. По словам И. Е. Старика, «...результаты гелиевого метода часто могут явиться добавочным подтверждением результатов, полученных другими ме­тодами, и позволяют установить минимальное значе­ние возраста».

Более точные ядерные часы

Постепенно выяснилось, что в природе имеются радиоактивные изотопы, распад которых мог бы про­лить свет на возраст различных объектов земной коры.

Еще в начале XX века было обнаружено, что соли калия радиоактивны. Они испускают бета-лучи. Но только в 40-х годах схемы распада калия удалось расшифровать. Оказалось, что ответственным за бета-активность калиевых солей является изотоп калий-40.

Ряд зарубежных ученых, а также сотрудники Го­сударственного радиевого института (ныне Радиевый институт им. В. Г. Хлопина) В. Г. Хлопин и Э. К. Гер­линг высказали предположение, что в древних калие­вых минералах накапливается дочерний продукт распада калия-40 — аргон-40. Количество радиогенно­го аргона соответствует возрасту минералов. Но са­мым благоприятным для экспериментаторов обстоя­тельством оказалось то, что другие изотопы аргона в этих минералах практически не содержатся. Пред­положение ученых вскоре было подтверждено спе­циальными экспериментами, поставленными на Соли­камском калийном месторождении. Выяснилось, что с увеличением возраста калиевых минералов отноше­ние ⁴⁰Аr/⁴⁰К возрастает. Это означало, что получен еще один метод определения геологического возраста.

И. Е. Старик так описывал эксперимент. «Для двух минералов (биотита и мусковита), взятых из одного района, был определен возраст по свинцовому методу. Он составил 1800—1900 млн. лет. Затем пробы этих минералов были переданы в пять различных лабора­торий на предмет определения возраста по аргоново­му методу. Полученные результаты (1840—1800 млн, лет) для биотита и (1795—1845 млн. лет) для муско­вита свидетельствовали не только о применимости этих методов, но и о более высокой точности аргоно­вого метода» [Старик И. Е. Ядерная геохронология. М., 1961].

Калий-аргоновый метод казался ученым весьма перспективным. К тому же он имел некоторые преи­мущества перед гелиевым и свинцовым методами. Ар­гон в отличие от гелия прочно удерживался и, следо­вательно, хорошо сохранялся в минералах. К тому же калиевые минералы на Земле более распространены, чем урановые и ториевые.

Однако и аргоновые часы иногда давали сбой. На­пример, когда в лаборатории Э. К. Герлинга (Инсти­тут геологии и геохронологии докембрия) исследова­лись образцы горных пород, найденные на Кольском полуострове, отношение калия и аргона в них оказа­лось аномально высоким. Оно соответствовало воз­расту минералов не менее чем 11 млрд. лет. Могли ли горные породы быть в 2—3 раза старше Земли? Од­нако многочисленные проверки не обнаружили по­грешностей в измерениях Э. К. Герлинга. Единственно возможным объяснением такого аномально большо­го возраста минералов было попадание в минералы аргона в процессах, отличных от распада калия-40. Одним из источников аргона-40 мог быть распад,, а точнее, спонтанное деление давно вымерших сверх­тяжелых трансурановых элементов. А может быть, следует поставить под сомнение наши представления о возрасте и Земли, и Солнечной системы, и даже Вселенной в целом? Эти вопросы пока не решены.

Для определения геологического возраста перспек­тивным оказался еще один радиогенный изотоп: строн-ций-87, возникающий при бета-распаде рубидия. Пе­риод полураспада рубидия-87, составляющий около 50 млрд. лет, позволил оценить возраст самых древних пород Земли. Стронциевый метод, как выяснилось, обладает рядом преимуществ и перед свинцовым, и перед аргоновым методами. Во-первых, схема распада рубидия-87 очень проста: ⁸⁷Rb —> ⁸⁷Sr + р. Во-вторых, потери дочернего стронция вследствие его нелетучести малы. Трудность была в другом. Рубидий относится к числу элементов, рассеянных в земной коре. Соб­ственных минералов у него нет. Обычно рубидий встречается в калиевых минералах. Тем не менее стронциевый метод весьма распространен в настоящее время и, как показало сравнение его по результатам с аргоновым методом, вполне надежен.

Среди других природных геохронометров следует отметить радиево-иониевый. При альфа-распаде ура­на-234 образуется изотоп — ионий — с периодом полу­распада около 8000 лет, превращающийся в радий. Как известно, уран можно найти в водах мирового океана, но ожидаемого, исходя из этой радиоактивной цепочки, количества радия в океанических водах нет. Иония, как выяснилось, тоже значительно меньше, чем требуется для радиоактивного равновесия с ураном.

Еще в конце 30-х годов было высказано предполо­жение, что растворенный в океанических водах радий накапливается в морских отложениях. Точнее, в них попадают изотопы иония, являющиеся материнскими для радия. Так возник метод определения возраста донных морских отложений, позволяющий проникнуть на 50—400 тыс. лёт назад.

Одним из самых интересных геохронологических методов является радиоуглеродный, основанный не на измерении активности горных пород, а на использова­нии космогенного изотопа углерода-14. Под действием космической радиации в верхних слоях атмосферы возникает изотоп углерод-14 с периодом полураспада около 5,5 тыс. лет. Через несколько часов после своего возникновения в атмосфере этот изотоп, как и обыч­ный стабильный углерод, окисляется и превращается в радиоактивную двуокись углерода. В процессе фото­синтеза двуокись углерода (в том числе и ее неболь­шая космогенно-радиоактивная примесь) поглощается растениями и попадает в живые организмы. В даль­нейшем в результате круговорота веществ он прони­кает в гидросферу и биосферу.

Оказалось, что наиболее удобными объектами для исследования содержания радиоуглерода являются деревья, которые можно считать самыми старыми представителями живого на нашей планете. С момен­та рождения деревья — свидетели тех процессов на Земле, в течение которых образуется радиоуглерод. Своеобразной памятью деревьев служат их горчичные кольца, отсчитывающие число прожитых деревом лет.

Конечно, радиоуглеродный метод не так прост: ¹⁴С составляет примерно миллионную часть от общего содержания углерода в исследуемом образце. Труд­ности метода связаны с измерением очень малых ак­тивностей, что потребовало разработки специальной аппаратуры. Объектами исследования могут служить как живые деревья (ученые разработали способ полу­чения древесных проб, не приводящий к гибели дере­ва), так и «мертвая» древесина, пролежавшая в Земле тысячи лет.

Радиоуглеродный метод интересен тем, что он по­зволяет воссоздать историю околосолнечного про­странства за последние несколько тысяч лет. Посколь­ку ответственным за образование радиоуглерода яв­ляется космическое излучение, то любая вариация его во времени неизбежно отразится на концентрации радиоуглерода, осевшего в соответствующих древес­ных кольцах. И если интенсивность космического из­лучения в прошлом, действительно, по каким-то при­чинам менялась, то и концентрация космогенного ра­диоуглерода, соответствующая тому отдаленному пе­риоду, тоже не оставалась постоянной.

Дендрохронология позволяет также получить ин­формацию и об изменениях земного магнитного поля в прошлом, о колебаниях космического излучения и даже о вспышках некоторых сверхновых звезд. Дело в том, что по современным представлениям космиче­ское излучение образуется при взрывах сверхновых звезд. Увеличение яркости звезды (т. е. саму вспышку) на небесном своде земные наблюдатели заметят через несколько лет после взрыва, когда свет преодолеет расстояние до Земли. Но только через несколько ты­сячелетий после взрыва Солнечную систему достигнет вторая «взрывная волна» — поток корпускулярного (космического) излучения. Достигнув земной атмо­сферы, оно даст жизнь космогенным изотопам, кото­рые в конце концов осядут в древесных кольцах.

Деление атомных ядер и возраст Земли

Кроме радиогенных и космогенных изотопов для определения геологического возраста можно использо­вать изотопы, появившиеся в земной коре в результате деления тяжелых ядер. Вызвать деление ядер в лаборатории можно нейтронами, но в природных условиях этот процесс может происходить и самопроизвольно. Как известно, спонтанное (самопроизвольное) деле­ние урана открыли в 1940 году молодые ленинград­ские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак. По срав­нению с альфа-распадом спонтанное деление ядер — процесс очень медленный. Постоянная распада ура-на-238, подверженного спонтанному делению, состав­ляет 10^-17 лет, т. е. альфа-распад его в миллионы раз более вероятен, чем спонтанное деление. Но тем не менее за долгие годы существования минералов в них могут накопиться продукты деления тяжелых ядер. Таким образом вполне возможно определять возраст минералов по наблюдению за продуктами деления. Наиболее часто встречающимися осколками деления урана являются селен, мышьяк, бром, криптон, руби­дий, рений, серебро, сурьма и ряд других элементов.

Советские ученые Э. К. Герлинг и В. Г. Хлопин обратили внимание на возможность определять воз­раст урановых минералов по накоплению в них ксе­нона. В небольшом количестве этот благородный газ содержится и в атмосфере (8•10^-6 %), но по изотоп­ному составу атмосферный ксенон и ксенон, возник­ший в результате деления, резко различны. Именно это и позволяет судить о его происхождении.

С помощью ксенонового метода исследовалось око­ло 100 горных пород. Оказалось, что их возраст не­много занижен: сказывается улетучивание ксенона из кристаллической решетки, хотя и менее интенсивное, чем в случае гелия. Например, возраст одного из древ­нейших уранитов, определенный по ксеноновому ме­тоду, оказался равным 1,68, а по свинцовому методу 1,85 млрд. лет.

Ксеноновый метод позволяет проникать в еще бо­лее отдаленное прошлое, чем другие радиоактивные методы, например в период, когда ядерный синтез, определивший распространенность изотопов в вещест­ве Солнечной системы, закончился и началось образо­вание планет. С помощью «ксеноновых часов» было доказано существование давно вымершего изотопа плутония-244. Период его полураспада около 83 млн. лет. Естественно, что такой изотоп к нашему времени уже распадется полностью, но изотоп ксе­нон- 129, являющийся характерным осколком деления плутония-244, останется. Изотопы ксенона были обнаружены не только в земных породах, но и в ме­теоритах.

С процессом деления ядер связан еще один не­обычный способ определения геологического возраста. Дело в том, что продукты деления могут со временем покинуть кристалл, в котором они возникли, либо их накопится недостаточно, для того чтобы произвести необходимый химический анализ. Но оказалось, что независимо от судьбы изотопов, возникших в резуль­тате деления (или каким-то иным способом попавших в минерал), в веществе останутся их следы.

Что это за следы? Дело в том, что при прохожде­нии тяжелых заряженных частиц ( а к таким части­цам относятся и осколки деления) через вещество вдоль их траектории неизбежно происходит разруше­ние вещества. Такие повреждения вещества (треки) можно увидеть, только с помощью электронного микро­скопа. Но хранятся в веществе они миллиарды лет, если только вещество не подвергалось действию очень высоких температур. Регрессия треков, т. е. их залечивание, наступает именно при высоких температурах. Если образец минерала, запечатлевшего подобные треки, обработать специальным травителем, напри­мер щелочным раствором, то на месте треков воз­никают короткие пустотелые каналы диаметром до 2 мкм и длиной несколько микрометров (в зависимо­сти от электрического заряда частицы и ее скорости). После травления треки можно увидеть и в обычный микроскоп (рис. 9).

Таким образом, выяснилось, что очень многие ми­нералы служат природными детекторами и в течение длительного времени могут хранить информацию о по­павших в них осколках деления ядер (в том числе и тех, которые, подобно плутонию-244, уже давно распа­лись), об их нахождении в уникальных ядрах, вхо­дивших в состав космического излучения. Кстати, в составе первичного космического излучения хотя и очень редко, но встречаются ядра урана. А если в ми­нерале содержится, предположим, миллионная часть урана (от общего количества вещества), то за каждый миллион лет в нем образуется около 2000 треков, оставляемых осколками деления.

Конечно, трековый метод определения возраста ми­нералов не универсален. Он имеет и достоинства, и недостатки. Прежде всего, способность к образованию треков у различных веществ носит явно выраженный пороговый характер. Это означает, что минералы мо­гут «чувствовать» треки только в том случае, если заряд частицы не меньше определенного значения. Чувствительность минералов к своему «пороговому» заряду строго индивидуальна. Но ни один природный детектор, к сожалению для экспериментаторов, не хра­нит следов гелия.

Несмотря на трудоемкость (поиск, подсчет и ана­лиз треков производится под микроскопом) трековый метод довольно прост. Он позволяет работать с пре­дельно малыми образцами. Главное достоинство ме­тода заключается в возможности охватить огромные интервалы времени, которые прошли с момента обра­зования трека (от отрезков, меньших года, до мил­лиардов лет). Причем особенно удобен этот метод для исследования тех временных промежутков, где другие радиоактивные методы теряют чувствительность.

Современные геохронометры позволили получить интересную информацию о возрасте Солнечной систе­мы. В более отдаленные от нашего времени эпохи проникнуть пока не удалось. Оказалось, что древней­шие объекты Солнечной системы имеют возраст около 4,5 млрд. лет, причем на их образование природа за­тратила несколько десятков миллионов лет. Выясни­лось, что лунные породы, которым (3,2/3)•10⁹ млрд. лет, более молоды, чем метеориты и древнейшие по­роды Земли. Самые древние земные породы по данным радиоактивных часов имели возраст, млрд. лет: 3,7 (Гренландия); 4 (Антарктида), 3,4 (Канада), 3,2 (Южная Африка). Это так называемый минимальный возраст.

Для оценки возраста Земли советский ученый И. Е. Старик предложил метод, основанный на отно­шении изотопов свинца-207 к свинцу-206, возникаю­щих в различных радиоактивных цепочках с различ­ной длительностью распада. Сравнение распространен­ности этих изотопов в различных объектах позволило оценить возраст Земли в 5,2 млрд. лет. Но поскольку в веществе Земли должен был находиться не только радиогенный свинец, но и реликтовый, учет последнего дал окончательную оценку возраста Земли 4,5 млрд. лет. Очевидно, кристаллизация горных по­род началась спустя 500—800 млн. лет после возник­новения планеты из протопланетного облака.

Радиоактивные часы открыли новую главу и в ис­тории гелия. Но оказалось, что гелий интересен не только своей пассивной ролью естественного свидетеля и спутника многих природных процессов. Элемент № 2 обладал таким букетом уникальных свойств, что мно­гие направления науки и техники сегодня уже не­мыслимы без гелия.

[:ua]Трудівник гелій[:ru]Труженик гелий[:en]Helium worker

В 1914 году произошло событие, заста­вившее мировую научную и инженерно-техническую общественность изменить свое отношение к гелию. Ра­нее интерес к гелию носил чисто научный характер. А та исключительная роль, которую играет элемент № 2 в радиоактивных превращениях, делала проблему гелия одной из интереснейших в науке.

И хотя еще в конце XIX века У. Рамзай высказы­вал предположение, что гелий мог бы применяться в воздухоплавании (им можно было бы наполнять воздушные шары и дирижабли), сама возможность какого-либо практического использования столь ред­кого газа казалась достойной пера Жюля Верна фан­тастикой. Откуда можно было взять необходимое ко­личество гелия? На этот вопрос инженерная мысль не могла дать ответа. Единственным источником гелия могли быть атмосферный воздух да, пожалуй, содер­жащие гелий минералы, но можно ли научиться из­влекать из них гелий в количестве, достаточном для удовлетворения потребностей аэронавтики? Увы, та­кой надежды не было.

Событие, о котором пойдет речь, произошло во время первой мировой войны. Немецкий дирижабль, обстрелянный воздушной эскадрильей англичан, к огорчению и недоумению последних, не загорелся. Это навело англичан на мысль, что немцы нашли не-воспламеняющийся газ, которым вместо огнеопасного водорода и наполнили баллон дирижабля.

По мнению английских ученых, к которым прави­тельство Великобритании обратилось за советом, та­ким газом мог быть только гелий. Но значило ли это, что немцы нашли ранее не известный источник при­родного гелия? Наивно было думать, что гелий, кото­рым был заполнен дирижабль, можно было добыть из воздуха. Технические средства того времени, в част­ности так называемая машина Линде, предназначен­ная для сжижения воздуха, могли дать немногим бо­лее 25 м³ гелия в год. Чтобы наполнить дирижабль, потребовалось бы вырабатывать гелий в течение почти двух тысячелетий. Тут было над чем поломать голову.

Английское правительство поручило У. Рамзаю и другим ученым рассмотреть вопрос о возможности извлечения гелия из природных газов Великобритании и Канады. Проект извлечения гелия из природных га­зов (достаточно экономичный) был разработан анг­лийским химиком Р. Трелфаллом. Забегая вперед, за­метим, что пройдет не так уж много времени и при­родные газы будут признаны единственным в мире источником промышленного получения гелия. А немцы получали гелий для наполнения дирижаблей из монацитовых песков, привозимых под видом балласта из Бразилии. Из тонны монацитов удавалось извлечь 1—2 м³ гелия.

В первые десятилетия XX века воздухоплаватель­ные аппараты (аэростаты, стратостаты, дирижабли) были основным средством воздушных сообщений. Аэ­ропланам и самолетам не были подвластны ни боль­шие высоты, ни значительные расстояния. Вопрос о замене водорода, которым еще со времени первых полетов на воздушных шарах (1783 год) заполняли оболочку аэростатов, на газ, достаточно легкий и не­воспламеняющийся, уже давно стоял перед аэронавти­кой. Водород, к сожалению, легко воспламенялся от малейшей искры, от атмосферных разрядов, что вело к гибели и воздухоплавательного аппарата, и экипажа. Но где же взять газ, который обеспечил бы наряду со взрывобезопасностью и должную подъемную силу?

Единственным подходящим кандидатом на эту роль был гелий — инертный, легкий, негорючий. Его подъ­емная сила лишь на 8 % меньше, чем у водорода. Од­нако подъемная сила аэростата, наполненного гелием, должна была бы сохраняться дольше, чем аппарата, наполненного водородом. Диффузия гелия через обо­лочку была более медленной, чем в случае водорода. Более того, смесь, состоящая из 15 °/о водорода и 85 % гелия, тоже была абсолютно взрывобезопасной, но более дешевой, чем чистый гелий.

Вопрос о промышленном производстве гелия неот­вратимо вставал. Когда в 1917 году в Соединенных Штатах Америки были открыты богатые гелием при­родные газы, стало ясно, что источник гелия найден и что этому газу действительно придется сыграть важ­ную роль в воздухоплавании. Но первое время запол­нение аэростатов и дирижаблей гелием могла позво­лить себе только Америка, обладавшая самыми зна­чительными запасами этого газа в мире. И поскольку гелий, добываемый в США, за границу не продавался, остальным странам приходилось пользоваться по ста­ринке водородом. Так, знаменитый немецкий дири­жабль «Граф Цеппеллин», совершивший в 1929 году кругосветное путешествие, а позднее достигший Се­верного полюса, был заправлен не гелием, а водо­родом.

В наше время, когда полеты на воздушных шарах и аэростатах очень редки и совершаются в основном в научных целях, в гелии нуждаются метеорологи. Ежедневно по нескольку раз в день во многих пунктах земного шара зондируют атмосферу. Это необходимо для прогноза погоды. Зондирование осуществляется при помощи воздушных шаров, к которым прикреп­лены необходимые метеорологические приборы и ра­диопередатчики, посылающие на Землю сигналы о со­стоянии атмосферы. Это так называемые радиозонды (рис. 10). Только на территории нашей страны в год запускается около 20 000 радиозондов. Радиозонды — приборы разового действия. На определенной высоте оболочка несущего баллона разрывается. Найти при­бор после приземления оказывается далеко не всегда возможным.

По-видимому, метеорология еще долго будет нуж­даться в гелии, потому что, несмотря на успехи вы­сотной авиации, на достижения ракетной техники, на создание систем метеорологических ракет различного назначения, единственным средством для регулярного исследования атмосферы до высот 30—40 км остаются радиозонды — приборы, посылаемые в атмосферу на воздушных шарах. За последние годы развернулась достаточно острая дискуссия о возрождении воздухо­плавания на новой технической основе, особенно для перевозок наиболее тяжелых и негабаритных грузов.

Искусственный воздух

Еще одно применение гелия в качестве заменителя азота в искусственно созданной атмосфере, пригодной для дыхания, стало очевидным тоже в 20-е годы. По­требность в замене естественного воздуха, состоящего из кислорода и азота, более удобной и не оказываю­щей отрицательного влияния на здоровье человека смесью была вызвана необходимостью бороться с тя­желой профессиональной болезнью — кессонной, кото­рой страдали водолазы и кессонные рабочие, когда им приходилось работать в камерах при повышенном дав­лении (так называемых кессонах).

В крови водолаза, кессонного рабочего во время длительного пребывания- в условиях повышенного дав­ления, растворяется азота больше, чем обычно. По выходе из зоны повышенного давления растворенный в крови азот начинает активно выделяться, закупори­вая своими пузырьками кровеносные сосуды. Чтобы избежать кессонной болезни, выход в среду с нор­мальным атмосферным давлением должен быть посте­пенным, с длительными остановками.

Еще в 1925 году были проведены опыты на живот­ных, показавшие, что смесь из кислорода и гелия при­годна для дыхания. И поскольку растворимость гелия в воде, а следовательно, и в крови примерно вдвое меньше, чем у азота, возникла идея применять кисло­родно-гелиевую смесь для дыхания водолазов и кес­сонных рабочих.

Оказалось, что преимущество гелия не только в меньшей, чем у азота, растворимости в жидкости, но и в гораздо более быстрой его диффузии через тка­ни. При пользовании для дыхания кислородно-гелие­вой смесью водолазы при подъеме с глубины не нуж­даются в длительной декомпрессии. И конечно, обога­щенный гелием воздух незаменим при спасательных работах, когда необходимы быстрый подъем или спуск водолаза.

Было замечено, что в условиях повышенного дав­ления азот оказывает наркотическое действие на жи­вотных и человека. Использование гелиевого воздуха не сопровождается симптомами наркоза, что позво­ляет работать на больших глубинах.

Гелиевым воздухом давно заинтересовались меди­ки. Уже в 40-х годах его стали применять при лечении болезней сердца, бронхиальной астмы, приступов удушья, заболеваний гортани, т. е. в тех случаях, ког­да нормальное дыхание по тем или иным причинам затруднительно. Оказалось, что гелиевым воздухом не только легче дышать, но он и быстрее выводит из организма углекислый газ.

Но особый интерес гелиевый воздух представляет для космической медицины. Атмосфера космического корабля должна удовлетворять целому ряду физиоло­гических, гигиенических и технических требований. Например, она должна легко обновляться, не быть взрывоопасной и т. д. Однако возникал вопрос: как долго человек может находиться в атмосфере, где нет азота? Эта проблема неоднократно обсуждалась уче­ными. И многое говорило о том, что гелий — достаточ­но надежная замена азота.

Вот один пример. В космическом корабле, долго находящемся в полете, неизбежно возникает радио­активность, наведенная космическим излучением. Ана­лиз возможных ядерных реакций показал, что нали­чие в атмосфере корабля азота может привести к об­разованию целого ряда радиоизотопов, в то время как гелий — более радиационно-устойчивое вещество, В случае длительного космического путешествия, на­пример к другим планетам Солнечной системы, это может иметь немаловажное значение.

Еще один интересный прогноз, связанный с гелие­вым воздухом: благодаря высокой теплопроводности гелия, человек, находящийся в кислородно-гелиевой атмосфере корабля, может переносить более высокие, чем в обычном воздухе, температуры (до 35 °С), не испытывая при этом теплового дискомфорта. Кисло­родно-гелиевая смесь применяется также для венти­ляции космического скафандра.

Поскольку гелиевый воздух легче обычного в 7 раз, замена азота гелием позволяет снизить и стартовый вес корабля. И наконец, наличие гелия в кабине кос­мического корабля поможет в случае разгерметиза­ции быстро обнаружить течь.

То, что человек может дышать кислородно-гелие­вой смесью, доказано. Однако важно было знать, как поведет себя человеческий организм в окружающей его газовой среде, где азот полностью заменен гелием. В 60-е годы в СССР были проведены специальные на­земные эксперименты в барокамерах. В ходе дливше­гося почти месяц эксперимента было установлено, что никаких нарушений общего самочувствия и поведения у испытуемых не наблюдалось. Но в целом выводы были очень интересными. Один из них касался тем­пературы окружающей человека среды. В условиях обычного воздуха при 18—24 °С человек испытывает так называемый тепловой комфорт. В гелиево-кисло-родной атмосфере при этой температуре возникало чувство холода. Зона теплового комфорта оказалась сдвинутой в область более высоких температур. Повы­шенный охлаждающий эффект гелиево-кислородной среды связывают с более высокой по сравнению с азо­том теплопроводностью гелия.

В гелиевой атмосфере скорость распространения звука оказалась в 1,85 раз выше, чем в обычном воз­духе. Это приводило к тому, что в ходе эксперимента спектр речи смещался в сторону более высоких частот. При этом ухудшалась и разборчивость речи.

Но самым заслуживающим внимания выводом, обсуждение которого выходит за рамки данной книги, было установление того факта, что гелиево-кислородная атмосфера способствует продлению жизни под­опытных животных. При полной замене азота гелием продолжительность жизни живых организмов возрос­ла на 42 %!

Гелий в современной технике

Когда гелий перестал быть лабораторной ред­костью, когда его научились добывать в достаточно больших количествах, этим бесцветным, не имеющим вкуса и запаха газом, по легкости уступающим только водороду, заинтересовались представители очень мно­гих направлений техники.

Гелий не горит, химически он абсолютно инертен. Это означает, что гелий может быть самым подходя­щим газом для создания неагрессивной нейтральной атмосферы. В инертной атмосфере гелия можно вести многие металлургические и сварочные процессы, в ней металл будет защищен от доступа воздуха, следо­вательно, от окисления и образования шлаковых включений, а также от нежелательных соединений с находящимися в воздухе азотом и углекислым газом. Особенно важным это оказалось при производстве та­кого металла, как титан, легкого, жаропрочного и кор­розионно-стойкого. Недаром титан считается одним из важнейших конструкционных материалов в ракетной, авиа- и судостроительной технике.

В цветной металлургии гелий может найти приме­нение. Если продувать расплавленный металл струей газа, можно извлечь растворенные в металле газы и таким образом вывести некоторые шлаки. Применяе­мый для этой цели хлор был опасен для здоровья ра­бочих. Замена хлора азотом — газом, не опасным для человека, привела к тому, что при продувании его че­рез алюминий возникали соединения азота с метал­лом — нитриды, впоследствии разрушающие отлитые из металла изделия. Самым безопасным и удобным оказался гелий. В современной технике применяют более дешевый газ — аргон.

Инертная среда, создаваемая гелием, нужна и при производстве полупроводниковых веществ, главным образом германия и кремния, при получении которых требуется особая чистота вещества, так как любое инородное включение, любая, даже микроскопически малая, примесь неизбежно ухудшают свойства полу­проводниковых кристаллов.

Как взрывобезопасный газ, гелий нашел примене­ние не только в воздухоплавании, но и в медицине: его добавляют в атмосферу операционных, благо он совер­шенно безвреден для дыхания. Гелий используется также как гаситель пламени в элеваторах и хранили­щах огнеопасных веществ, например бензина.

Аномально высокая текучесть гелия (об этом мы будем говорить ниже) сделала его индикатором уте­чек в атомных реакторах, в системах высокого или низкого давления; другое физическое свойство гелия — высокая теплопроводность — перспективным материа­лом для атомной техники. Гелий представляется удоб­ной средой для извлечения и отвода тепловой энергии, образующейся в атомном реакторе, он используется как циркулирующая охлаждающая среда. Такое же применение он нашел и в ракетной технике. На способ­ность гелия оставаться в газообразном состоянии при таких температурах, когда другие вещества переходят в жидкое и твердое состояние, обратили внимание при разработке ракетных двигателей на жидком топливе. По мере расхода топлива гелий под высоким давле­нием заполняет образующийся вакуум и тем самым сохраняет жесткость конструкции.

В конце 30-х годов, когда были открыты уникаль­ные свойства жидкого гелия, одна из смелых и опере­жающих свое время идей, касающихся его практиче­ского применения, была высказана профессором Л. Г. Лойцянским. Жидкий гелий предполагалось ис­пользовать для изучения аэродинамических свойств моделей самолетов. Дело в том, что при испытании крыльев и фюзеляжей аэропланов на обтекаемость приходилось применять аэродинамические трубы, где испытывались аэропланы в натуральную величину. При уменьшении размеров испытуемого объекта нуж­но было уменьшить и так называемую кинематиче­скую вязкость жидкости, в которой проводились испытания. Но оказалось, что это невозможно: кине­матическая вязкость почти всех текучих сред мало отличалась от воздуха. Исключение составлял жид­кий гелий.

Но, пожалуй, одно из главных применений гелия связано с возможностью получения самых низких тем­ператур, которыми располагает современная техника.

Самая холодная в мире жидкость

Как и все вещества, гелий может пребывать в жид­ком, твердом и газообразном состояниях. Но газооб­разный гелий (а именно он и встречается на Земле) интересен не только своими физическими свойствами (точнее, не столько ими), но и особенностями своего распространения и происхождения. С точки зрения физики и химии гелий — обычный газ, одноатомный, прозрачный, он почти невидим в сосудах, химически инертный. Жидкий же гелий открыл новую главу фи­зики.

Долгое время жидкий гелий не удавалось полу­чить. Сжижение газов основывалось на явлении Джоуля — Томпсона (если газ, находящийся под дав­лением, резко расширить, то его температура падает). И было замечено, что температура сжижения газов уменьшается с его плотностью, т. е. чем легче газ, тем ниже должна быть температура его превращения в жидкость. Поэтому ожидали, что самую низкую температуру сжижения должен иметь водород. И дей­ствительно, водород удалось перевести в жидкое, со­стояние при очень низкой температуре — минус 253 °С. Но гелий при этих же условиях оставался газом. Более того, при температуре около минус 259 °С во­дород затвердевал, а гелий по-прежнему оставался газообразным.

В 1908 году голландскому ученому X. Камерлинг ­Оннесу все же удалось перевести «упрямый» гелий в жидкое состояние, но температура кипения его была гораздо ниже, чем у водорода (минус 269°С). Она отстояла от абсолютного нуля всего на 4,2 градуса. Но вот заморозить гелий при его дальнейшем охлаж­дении никак не удавалось. При всех температурах, какие только можно было получить в лабораторных условиях, гелий продолжал оставаться жидким.

В конце 20-х годов эту задачу решил другой гол­ландский физик В. Кеезом, который, подвергнув жид­кий гелий давлению до 100 кгс/см² и охладив его ки­пящим гелием, получил первые кристаллы твердого гелия. Твердый гелий не особенно удивил физиков, если не считать трудностей, связанных с его получе­нием. Конечно, эти бесцветные прозрачные кристаллы гексагональной формы нельзя было взять в руки: ге­лий мгновенно испарялся. Пожалуй, самым привлека­тельным для физиков было то, что гелий в твердом состоянии представлял собой идеальное кристалличе­ское вещество, практически лишенное примесей.

Зато жидкий гелий вел себя поистине удивительно. До температуры примерно минус 271 °С это была ор­динарная жидкость, мало чем отличающаяся от дру­гих. Это состояние гелия назвали гелий I. Гелий I бурно кипел, выделяя невероятно холодные пузырь­ки газа, без специальной изоляции он немедленно ис­парился бы. Ниже минус 271 °С свойства гелия, кото­рый получил название гелия II, волшебно меня­лись. Кипение прекращалось, поверхность жидкости казалась ровной и застывшей. Необычно высокая теп­лопроводность гелия II не позволяла проявляться классическому эффекту вскипания. Кроме того, оказа­лось, что гелий II совершенно лишен вязкости. Он способен проникать через любые, сколь угодно малые отверстия. В опытах академика П. Л. Капицы, от­крывшего в 1938 г. явление сверхтекучести гелия II, этот удивительный гелий в течение нескольких секунд вытекал через отверстие размером 0,00005 см. Гелию I для этого требовалось в сотни раз больше времени, Вязкость жидкого гелия была в 1000 раз меньше, чем у воды. Как связать эти свойства с обычными физи­ческими представлениями?

Академик П. Л. Капица пишет: «Когда мы изучаем вещество при комнатной температуре, квантовая при­рода многих процессов не может обычно проявляться. Тепловое движение атомов как бы стушевывает те особенности в процессах, которые накладываются их квантовой природой, и они неощутимы... Только тогда они себя полностью проявляют, когда тепловое движе­ние атомов достаточно мало».

Назовем еще одно удивительное, не имеющее ана­логов свойство гелия II — ползти по стенкам сосуда при более высоких температурах. Налитый в сосуд гелий II способен перемещаться вверх по стенкам со­суда и переливаться через край без всяких внешних воздействий.

Сначала предполагали, что единственная сверхте­кучая жидкость в природе — это гелий-4. Гелия-3 дол­гое время было слишком мало, чтобы предпринимать исследования такого рода. Но оказалось, что свойство сверхтекучести гелия II позволяет разделять изотопы гелия. При соответствующих температурах благодаря сверхтекучести гелий-4 может быть удален из сосуда, где он находится, в то время как гелий-3 останется в этом сосуде. Это поистине уникальное свойство жид­кого гелия позволило получить гелий-3 высокой чисто­ты, в котором содержание тяжелого изотопа не пре­вышало десятитысячных долей процента.

Гелий-3 тоже оказался сверхтекучим, но переход его в сверхтекучее состояние наступал при еще более низких, чем для гелия-4, температурах. Возможность перехода гелия-3 в сверхтекучее состояние была пред­сказана советским физиком Л. П. Питаевским в 1959 году, а спустя 13 лет это явление было обна­ружено.

Жидкий гелий-3, как и гелий-4, оказалось невоз­можным перевести в твердое состояние при нормаль­ном атмосферном давлении. Для получения твердого гелия-3 было необходимо высокое давление. Однако поведение гелия-3 при сверхнизких температурах тоже было необычным. Это явление было теорети­чески исследовано известным советским физиком И. Я. Померанчуком в 1950 году. При давлении, мень­шем 29 кгс/см², гелий-3 оставался жидким вплоть до абсолютного нуля. При более высоком давлении его можно было перевести в твердое состояние. Но, когда, температура гелия-3 становилась меньше минус 272,8 °С, переход из жидкого состояния в твердое со­провождался не выделением тепла, как у «обычных» жидкостей, а его поглощением. Таким образом, если охладить гелий-3 до температуры, меньшей минус 272,8 °С, и начать его адиабатически сжимать, то по мере увеличения в жидкости доли твердого гелия тем­пература жидкого гелия будет понижаться.

Свойства жидкого гелия очень интересны. Для их объяснения разработаны физические теории, учиты­вающие квантовую природу процессов, происходящих в жидком гелии. Но наиболее далеко идущие послед­ствия, вытекающие из необычных свойств самой хо­лодной в мире жидкости,— во-первых, открывшаяся возможность получения сверхнизких температур, а во-вторых, исследование поведения многих веществ при температуре жидкого гелия.

Электроника в мире холода

Оказалось, что не только жидкий гелий необычен по своим свойствам. При сверхнизких температурах и в других веществах протекают совершенно необычные физические процессы. Один из них — сверхпроводи­мость. Сущность процесса заключается в том, что у некоторых металлов, охлажденных до весьма низ­ких температур, полностью исчезает электрическое сопротивление.

Впервые сверхпроводимость была обнаружена X. Камерлинг-Оннесом. Через три года после своих знаменитых опытов по получению жидкого гелия, экс­периментируя со ртутью, охлажденной примерно до минус 269 °С, ученый заметил, что при столь низкой температуре сопротивление ртути упало до таких низ­ких значений, что стало практически неизмеряемым.

Позднее сверхпроводимость была обнаружена у многих других металлов. Было установлено, что в кольце из сверхпроводника ток может циркулиро­вать практически вечно, будучи однажды возбужден­ным электрическим полем.

Естественно, что первое применение сверхпроводи­мость нашла в электронике. Первый электронный при­бор такого типа, названный криотроном, был сконст­руирован в 1954 году. Действие его было основано на том, что сверхпроводимостью в металле можно уп­равлять, переводя сверхпроводник из состояния с ну­левым сопротивлением в нормальное состояние. Это можно сделать при помощи магнитного поля, созда­ваемого другим сверхпроводником, через который протекает электрический ток и тем самым создает магнитное поле.

Криотрон — это миниатюрный переключательный криогенный элемент, действие которого основано на свойстве сверхпроводимости. Первые криотроны были проволочными, но уже в конце 50-х годов появились пленочные, в которых рабочее вещество наносилось на изолирующую подложку. Пленочные криотроны обладают высоким быстродействием, малыми разме­рами (на одном квадратном сантиметре помещается несколько тысяч криотронов), дешевы в изготовлении и надежны в эксплуатации.

Процесс переключения сверхпроводника из нор­мального состояния в сверхпроводящее занимает очень короткие интервалы времени: от 10^-6 до 10^-11 с. Незатухающий ток в сверхпроводнике и возможность управлять сверхпроводимостью очень привлекательны для создания систем запоминания, кодирования, ин­формации. Кодирование можно осуществить в двоич­ной системе: наличие тока — единица, его отсутствие — нуль. Первое свое применение криогенные переключа­тели нашли в качестве запоминающих устройств в ЭВМ.

Сверхпроводимость и другие физические процессы, проявляющиеся при низких температурах, открыли принципиально новые возможности для создания электронных приборов.

Одна из основных задач, встающих перед совре­менной электроникой, заключается в том, чтобы со­хранить форму сигнала, проходящего через электри­ческую цепь, без искажений. Элементами современ­ных электронных схем служат полупроводниковые приборы. Но даже незначительные примеси, дефекты кристаллической решетки могут изменить электропро­водность полупроводникового материала и, как следствие, привести к искажению формы сигнала. Борьба с этими искажениями, по-видимому, состоит в совершенствовании технологических процессов изго­товления полупроводниковых кристаллов.

Но к искажению формы сигнала приводят и так называемые собственные шумы, неизбежно сущест­вующие в любом, даже идеально сконструированном электронном приборе. Эти шумы появляются вследст­вие теплового движения электронов и ионов в мате­риалах. Особенно важным представляется снижение собственных шумов в радиоэлектронных устройствах, предназначенных для приема слабых сигналов.

Одним из способов уменьшения собственных шумов может быть снижение температуры, при которой рабо­тает аппаратура. При низких температурах, как из­вестно, тепловое движение электронов как бы зати­хает. Создание «малошумящих» усилителей, охлаж­денных до гелиевых температур, было очень важным в радиоастрономии., где часто приходилось иметь дело с предельно слабыми сигналами, в системах космиче­ской связи. В 60-х годах XX века в системах спутни­ковой связи начали активно применяться усилители, охлаждаемые до температуры жидкого азота — минус 196 °С. На этом принципе, в частности, работает си­стема «Орбита», с помощью которой передачи Цент­рального телевидения могут смотреть жители районов Сибири и Дальнего Востока.

Обращение к низким температурам очень важно в энергетике. Сверхпроводящие материалы найдут применение в создании дальних линий электропере­дач (сверхпроводимость способствует уменьшению по­терь энергии), разного рода электродвигателей, транс­форматоров.

Криоэлектроника, и в частности ее новое поколе­ние — интегральная криоэлектроника, позволит ре­шить задачу создания сверхчувствительных приемни­ков слабого излучения в ИК-Диапазоне. Это важно для приема как естественного, так и лазерного излу­чения. Создание индикаторов слабого теплового поля сделает реальным тепловидение.

И наконец, большие надежды возлагаются на крио­электронику при разработке нового класса ЭВМ со сверхбольшой памятью и малыми габаритами. Со­гласно прогнозам специалистов, первые сверхпровод­никовые вычислительные машины будут изготовлены к 1990 году. Запоминающие устройства таких машин смогут хранить сотни миллионов бит информации, за­писанной всего на 5000 пластин размером 1 см². А из­мерительные приборы, использующие криогенные устройства, будут иметь в сотни и тысячи раз боль­шую чувствительность и разрешающую способность. Кроме того, охлаждаемые и криоэлектронные приборы будут способствовать дальнейшей микроминиатюриза­ции радиотехнической аппаратуры.

Известный советский исследователь профессор В.Н.Алфеев пишет о будущем криоэлектроники: «На­до полагать, что на рубеже 1985—1995 годов осуще­ствятся разработка и выпуск многоспектральных крио-электронных приборов... для комплексного изучения природных ресурсов Земли и планет; ...широкое внед­рение криоэлектронных приборов, обеспечивающих непосредственный прием через космос многих про­грамм телевидения в любой точке Земли, прием сверх­дальнего телевидения в салонах самолетов, поездах и пароходов дальнего следования, в автомобилях... Станет возможным прием в любой точке Земли цвет­ного телевидения, передаваемого как наземными теле­центрами, так и телецентрами других объектов; созда­ние эффективных вычислительных машин (суперЭВМ) с оперативной криогенной памятью, близкой к памяти человеческого мозга; создание крупных орбитальных криогенных вычислительных центров единой системы навигации и прогноза погоды; сооружение криогенных вычислительных центров на Луне и других планетах, а также комплексов, работающих в открытом косми­ческом пространстве».

Чтобы реализовать эту программу, нужно очень много гелия. А есть ли он в достаточном количестве в распоряжении жителей Земли?

[:ua]Гелій в цифрах[:ru]Гелий в цифрах[:en]Helium in numbers

За последние десятилетия мир ощутил невероятную потребность в гелии. Производство гелия растет с каждым годом. Динамику его роста отра­жают, например, следующие цифры [Якуцени В. П. Геология гелия. Л., 1968]:

Хотя эти данные касаются только одного госу­дарства — США, они отражают тенденцию возрас­тающего потребления гелия во всем мире.

Как сказал академик А. Ф. Иоффе, «...техника бу­дущего рождается сегодня в физической лаборато­рии». А многие направления будущей техники тесно связаны с гелием. И криоэлектроника, и получение сверхнизких температур, ракетная и атомная техни­ка — все это требует гелия (рис. 11).

До какого-то момента о ресурсах гелия не заду­мывались. Долгое время все внимание было сконцен­трировано не на ограниченности ресурсов гелия на Земле, а на трудностях его добычи. Но уже в конце 50-х годов появилась тревога: надолго ли хватит зем­ного гелия? Прогнозы, хотя и переносили решение этой проблемы в другие века, все же были не очень оптимистичны.

Запасы гелия в США, одной из богатейших по ме­сторождениям гелия стран мира, оценивали в 4,3 млрд. м³ (имелись в виду извлекаемые запасы га­за). Этого гелия должно было хватить на три столе­тия, если уровень его потребления сохранится преж­ним. Заметим, что расцвет криоэлектроники наступил позднее.

Пополнение запасов природного гелия на нашей планете за счет всех известных процессов альфа-рас­пада идет со скоростью примерно 30 млн. м³ в год. Добываемый гелий после его использования в ко­нечном итоге попадает в атмосферу. И поскольку способностью накапливаться и вступать в химические соединения он не обладает, из атмосферы гелий мо­жет попасть только в космическое пространство.

Кроме того, гелий, как известно, присутствует в качестве примеси практически во всех природных га­зах. При их добыче и последующем сжигании (если специально не извлекать гелий, а для газов с низким содержанием гелия это просто не делается) гелий, не подверженный горению, тоже попадает в атмосферу и безвозвратно теряется.

Таким образом, скорость потерь гелия в космичес­кое пространство с учетом антропогенного фактора не только может сравниться со скоростью его естест­венного образования, но даже и превысить ее.

В марте 1961 года в США вступил в действие так называемый гелиевый закон, направленный на со­хранение ресурсов гелия. Согласно программе, пре­дусмотренной этим документом, предполагалось из­влекать гелий из всех газов, если содержание в них гелия делает это экономически целесообразным (со­держание гелия должно быть не менее 0,4 %), и кон­сервировать в подземных хранилищах. Для этого пра­вительство США разрешило частным компаниям стро­ить на магистралях газопроводов гелиевые заводы, чтобы извлекать гелий из транспортируемого газа, Полученный таким образом гелий правительство обя­залось закупать. Программой предусматривалось при­обретение в течение 25 лет 2,490 млрд. м³ гелия. Од­нако, законсервировав в недрах около 1 млрд. м³ ге­лия, правительство США отказалось от его дальней­шей покупки.

В настоящее время масштабы потерь земного ге­лия стали поистине космическими. По данным В. П. Якуцени, в 1980 году было добыто 1,4— 1,6 трлн. м³ природного газа, содержащего в среднем 0,04 % гелия. Следовательно, вместе с газом было извлечено и практически потеряно гелия около 600 млн. м³.

Гелий на Земле — ресурсы, добыча, прогнозы

Теперь, когда наша цивилизация не мыслит себя без гелия, когда стало ясно, что человечеству нужно гелия гораздо больше, чем может быть получено его за такой же отрезок времени всеми радиоактивными веществами Земли, возникает проблема: не где взять гелий (он присутствует повсеместно, и он пока есть), а где наиболее рентабельно его взять.

Нас окружает атмосфера — огромный естествен­ный резервуар, в котором содержится не так уж и мало (даже с учетом возросших потребностей че­ловечества) гелия — 4,5•10¹³ м³. Но это количество составляет не многим более пяти миллионных частей всего атмосферного воздуха. И чтобы добыть разум­ное количество гелия, потребуется переработать трил­лионы кубических метров воздуха. Технически в на­стоящее время это нереально, да и вряд ли разумно с точки зрения возможного нарушения экологическо­го равновесия.

Столь же нецелесообразным представляется добы­вать гелий из океана, хотя общее количество раство­ренного в его водах гелия тоже сравнительно велико. Может быть, это — источники гелия в будущем, когда все разрабатываемые сегодня месторождения гелия окажутся исчерпанными.

Минералы земной коры тоже не могут претендо­вать на роль реальных источников гелия, хотя первый гелий Земли, как уже говорилось, и первый промыш­ленный гелий были добыты именно из минералов (монацитовые пески).

Реальным источником промышленного получения гелия во все возрастающих количествах, как устано­вили путем многолетних изысканий, могут быть толь­ко природные газы.

Вскоре после открытия У. Рамзая следы гелия обнаружили в атмосфере, в минералах, в различных выходящих на поверхность Земли газовых источни­ках (в вулканических и рудничных газах, в минераль­ных источниках). И только в свободном состоянии инертный гелий на Земле не встречался.

Серьезной заявкой на возможный источник гелия было открытие в 1903 году в Канзасе (США) трещи­ны, из которой выделялся неизвестный газ. Анализ показал, что кроме углеводородов и азота, довольно распространенных составляющих газовых струй, этот газ содержал небольшое количество аргона и около 2 % гелия. В течение следующего десятилетия гелий в составе природных газов был обнаружен и на дру­гих континентах. Наиболее обогащенными гелием в те времена считались природные газы Северной Аме­рики.

Интерес к гелию подогревался событиями первой мировой войны, когда возникла потребность срочно найти относительно рентабельные источники гелия для наполнения дирижаблей. Обширное исследова­ние, проведенное молодым американским геологом Дж. Роджерсом, позволило выявить на территории США несколько газовых месторождений с концент­рацией гелия, достигающей 8—10 %.

Интенсивный и всесторонний анализ геологичес­кой ситуации заставил искать конкретные источники, поставляющие в газы гелий. Появление гелия, как известно, связывали с радиоактивным распадом. Зна­чит, газовым месторождениям, обогащенным гелием, должны сопутствовать залежи радиоактивных руд. Но расчеты показали, что для обеспечения зафикси­рованного на территории Североамериканского кон­тинента количества гелия нужна была совершенно фантастическая концентрация радиоактивных ве­ществ.

Дж. Роджерс писал в 1921 году: «Нет никаких данных, ни прямых, ни косвенных, которые бы под­твердили предположение о существовании таких ме­сторождений, кроме факта существования гелия. Но если невозможно будет доказать существование по­добных месторождений (причем эти месторождения должны быть достаточно обширны, чтобы вызвать наблюдаемый эффект) и если другие гипотезы не получат новых доказательств, то путем исклю­чения придется обратиться к теории первичного ге­лия... Гипотеза первичного гелия легко объясняет нахождение гелиеносного газа вблизи земной по­верхности».

Подобную точку зрения разделяла и М. Склодов­ская-Кюри. В своей книге «Радиоактивность» она пи­сала: «Поиски радиоактивных минералов, основыва­ющиеся на этом принципе (на выделении гелия. — А. А.), по-видимому, не имеют шансов на успех... Количество выделяющегося гелия, по-видимому, не свя­зано с активностью источника».

И действительно, когда в 1944 году была сделана попытка применить гелиевую съемку для поиска ура­новых руд, метод оказался малообнадеживающим. В главе VI говорилось, что более чувствительным для поиска тяжелых радиоактивных элементов был приз­нан метод, основанный на изотопном анализе природ­ного гелия.

Согласно современным представлениям процессы происхождения и накопления гелия в гелиеносных га­зах протекают следующим образом. Гелий накапли­вается за счет альфа-распада радиоактивных элемен­тов. Основная масса его концентрируется в наиболее древних породах, поскольку скорость и количество образовавшегося в земной коре гелия определяются не только содержанием альфа-излучающих элемен­тов, но и длительностью процессов распада. Гелий частично скапливается в кристаллических решетках минералов, частично же диффундирует в поровые и трещинные пространства, растворяясь в заполняющих их флюидах — водах, газах, нефтях.

Таким образом, содержание гелия в природных га­зах связано с количеством не только самого гелия, но и газа, с которым он смешивается, а значит, и с интенсивностью процесса газогенерации. Если путе­шествующий по подземных коллекторам газ, обога­щенный гелием, попадает в ловушку, то в результате появляются сравнительно богатые гелием газовые за­лежи, в которых его содержание чаще всего состав­ляет 0,05—0,2 %. Это характерно для наиболее древ­них участков литосферы. В районах интенсивного сов­ременного прогибания земной коры гелий не успевает накапливаться, к тому же из-за многочисленных раз­ломов земная кора его быстро теряет. Поэтому в мо­лодых геологических отложениях содержание гелия невелико; оно колеблется в интервале 0,001—0,01 %. И наконец, участки земной коры промежуточного ге­ологического возраста содержат и промежуточные концентрации гелия: 0,01—0,05 %.

Для практических целей очень важно знать, ка­кие месторождения гелия могут быть признаны рен­табельными. Разумеется, понятие рентабельности очень относительное: оно зависит и от того, чем располагает данная страна, и от технических возмож­ностей извлечения гелия из газа.

По масштабам накопления гелия, по общему его количеству месторождения делят на следующие че­тыре категории:

1) уникальные, содержащие более 100 млн. м³ ге­лия (таких месторождений на планете единицы);

2) крупные, в которых запасы гелия оцениваются в 50—100 млн. м³;

3) средние (5—50 млн. м³);

4) мелкие (до 5 млн. м³).

Вторая система классификации гелиевых место­рождений учитывает обогащенность их гелием. Здесь гоже различают четыре категории месторождений:

1) весьма богатые (содержание гелия превышает 1%);

2) богатые (0,2—1 %);

3) рядовые (0,05—0,2%);

4) бедные (меньше 0,05 %).

Как пишет В. П. Якуцени, «..не каждое газовое скопление является гелиевым месторождением, а лишь то, концентрация гелия в газах которого достаточно велика. Каждая страна определяет промышленно пригодную концентрацию в соответствии со своими ресурсными и техническими возможностями... Поэтому затруднительно назвать концентрации гелия в газах, которые были бы кондиционными для всех стран... Именно поэтому отдельные страны Западной Европы извлекают гелий из газов, содержащих всего 0,05 % гелия, а США сжигают без его извлечения газы, со­держащие 0,4 % гелия».

Высококачественными гелиевыми месторождения­ми считаются такие газовые месторождения, в кото­рых содержится 50—100 млн. м³ газа с концентрацией в нем гелия, превышающей 0,5%. Однако на Земле известно всего несколько десятков таких место­рождений, поскольку условия для образования уни­кальных месторождений с аномально высокими кон­центрациями гелия возможны лишь на ограниченных участках земной коры. Поэтому при оценке мировых запасов гелия приходится рассчитывать не на уни­кальные месторождения, а главным образом на газовые месторождения более низких категорий. По прогнозам специалистов, наиболее качественные гелиевые место­рождения будут исчерпаны уже в конце XX века.

В космос за гелием!

И все-таки ресурсы гелия на Земле могут когда-нибудь истощиться. Что же тогда? Хотя до полной выработки гелиевых месторождений еще относитель­но далеко, об этом уже задумываются. Можно было бы предложить несколько способов добычи гелия, в наше время весьма гипотетичных.

Одним из перспективных путей получения гелия, по мнению специалистов, может быть управляемый термоядерный синтез. Вспомним, что именно при тер­моядерном синтезе образуется гелий в звездах. Ге­лий-4 можно было бы получить в целом ряде реак­ций: при слиянии дейтерия и трития (t + d —> ⁴Не + n); лития-6 с дейтерием (⁶Li₃ + d —> 2⁴He) или ли­тия-7 с водородом (⁷Li₃ + р —> 2⁴Не).

Однако осуществить управляемый термоядерный синтез в лаборатории пока не удается. Ученые наде­ются, что это станет возможным в XXI веке. Но преж­де чем человек научится получать синтезированный в термоядерных реакциях гелий в промышленных масштабах, пройдет еще немало времени.

Другим источником гелия могли бы служить ядерные реакции, протекающие под действием частиц высоких энергий. Это — фрагментация, о которой мы говорили в главе I. В процессах фрагментации мо­гут образоваться не только гелий, но и с высокой вероятностью тритий, который в результате бета-рас­пада превращается в гелий-3. Физикам известны и та­кие эффективные с точки зрения получения гелия реакции, как «развал» углерода на составляющие его альфа-частицы: ¹²С₆ —> γ —> 3α. Теоретически мож­но «рассыпать» ядра и кислорода, и даже железа: ¹⁶О —> 4α; ⁵⁶Fe —> 14α.

При высоких температурах в недрах звезд именно эти реакции сдерживают термоядерный синтез тяже­лых ядер. Но в лабораторных условиях эти процессы пока нереальны. Во-первых, они очень редки и теря­ются на фоне более вероятных реакций; во-вторых, мощности современных ускорителей не позволяют осуществить превращения ядер в количествах, кото­рые диктуются современным уровнем потребления гелия.

Весьма фантастическим представляется и извлече­ние гелия из космического излучения, хотя последнее занимает видное место в процессах переноса вещест­ва во Вселенной. Оно буквально заполняет все меж­планетное и межзвездное пространство. Если поста­вить на пути космического излучения специальный по­глотитель, то его можно хотя бы частично затормозить и даже задержать. Дальнейшее выделение гелия уже не составило бы большой технической проблемы. По­добные эксперименты по изучению изотопного состава солнечного ветра (поглотителями служили специаль­ные виды фольги) уже ставились в открытом космосе.

И наконец, несколько слов о таком неисчерпае­мом естественном резервуаре гелия в Солнечной си­стеме, каким представляется Юпитер. По составу ве­щество Юпитера достаточно близко к солнечному. Во всяком случае, как и на Солнце, гелий — второй по распространенности элемент в атмосфере этой пла­неты. Полеты американских автоматических межпла­нетных станций «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояд­жер- 1» и «Вояджер-2» доказали, что Юпитер в ос­новном водородно-гелиевая планета, температура поверхности которой около минус 113—103 °С. По-види­мому, еще более удаленные от Солнца Сатурн, Уран, Нептун близки к Юпитеру по составу вещества и внутреннему строению. Для будущих экспедиций за гелием немаловажное значение имеет то обстоятель­ство, что спутники Юпитера, могущие служить поса­дочной базой для земных космических кораблей, очень похожи на планеты земной группы Луну и Меркурий.

Но при современном уровне космической техники путешествие к планетам-гигантам займет годы. Пока только четырем космическим аппаратам удалось пе­ресечь орбиту Юпитера. По-видимому, пройдет не ме­нее 100 лет, прежде чем станет возможной промыш­ленная добыча гелия на других планетах Солнечной системы. И жителям Земли еще долго придется рас­считывать на свой земной гелий. Впрочем, прогнозы в науке всегда коварны...

[:ua]Антигелій[:ru]Антигелий[:en]Antihelium

Вспоминая слова академика А.Ф.Иоф­фе о том, что сегодняшняя физика — это техника буду­щего, хотелось бы обсудить еще одну проблему, в ре­шении которой не последнюю роль играет гелий, хотя сама проблема настолько далека от потребностей сегодняшнего дня, что носит едва ли не философский характер.

Читателю уже ясно из эпиграфа, что речь идет об антивеществе. Сначала вопрос, на первый взгляд, не­сколько неожиданный: почему из огромного множества существующих в природе элементарных частиц строи­тельным материалом нашего мира избраны про­тоны, нейтроны, электроны и нейтрино (точнее, если следовать установившейся в физике терминологии, антинейтрино) ? По-видимому, на этот вопрос ответить все же можно. Во-первых, перечисленные частицы стабильны (Нейтрон, правда, в свободном состоянии распадается на протон, электрон, нейтрино с периодом полураспада 1000 с, но атомные ядра, куда он входит, оказываются стабильными (см. главу I)). Во-вторых, они находятся в самых низ­ших энергетических состояниях.

Но вот следующие вопросы. Почему природа предпочла то состояние вещества, структурным эле­ментами которого являются частицы, а не античасти­цы (их электрические двойники)? Случайность это или же результат заранее запрограммированной за­кономерности? Эти вопросы заставляют физиков либо пожимать плечами и выдвигать достаточно туманные гипотезы о том, что где-то в глубинах Вселенной, воз­можно, и существует антивещество, либо искать ре­шение в теории Великого объединения слабых, элек­тромагнитных и сильных взаимодействий.

Окно в антимир

Что же действительно известно науке о загадоч­ном антивеществе?

В 1928 году английский физик-теоретик Поль Ди­рак предсказал, что у электрона — частицы хорошо известной — должен существовать двойник, отличаю­щийся от него только знаком электрического заряда. И поскольку электрон заряжен отрицательно, анти­электрон, или, как его назвали, позитрон, должен иметь положительный заряд, а в остальном они долж­ны быть сходны. Согласно теории П. Дирака, при столкновении друг с другом частица и античастица должны исчезнуть, превратиться в фотоны.

Некоторое время к этой идее относились довольно скептически, как к издержкам теории. Предполагали даже, что совсем необязательно вводить в физику но­вую частицу. Может быть, протон и есть тот самый положительно заряженный аналог электрона?

Но такой вывод из теории Дирака не следовал! электрон и его античастица должны были обладать совершенно одинаковой массой, а протон почти в 2000 раз тяжелее электрона. В 1933 году было дока­зано, что антиэлектрон может существовать не толь­ко на бумаге. Первую античастицу, как впоследствии и множество других, открыли в космическом излуче­нии.

Очень скоро выяснилось, что позитрон на Земле не такая уж и редкость. В 1934 году при открытии искусственной радиоактивности супруги Жолио-Кюри установили, что позитроны могут возникать при ра­диоактивном распаде некоторых вполне земных ядер. Во всяком случае, сегодняшняя техника располагает возможностью получать изотопы, испытывающие позитронный распад.

Теория Дирака оказалась справедливой не только для электрона. Любая элементарная частица должна была иметь свое отражение в зеркале электрического заряда. При встрече частица и античастица анниги­лировали, т. е. взаимно уничтожались с выделением энергии, равной сумме их масс покоя. Только фотоны (т. е. гамма-кванты) ничем не отличались от анти­гамма-квантов.

Прошло более 20 лет, прежде чем удалось открыть следующую античастицу: антипротон — электричес­кий антипод протона, входящего в состав атомных ядер. Рассчитывать на щедрость космического излу­чения, подарившего в свое время ученым позитрон, особенно не приходилось, хотя впоследствии их и на­блюдали, правда редко, в составе космического излу­чения. А для рождения античастиц в ядерных реак­циях нужны были очень высокие энергии: ведь одно­временно с античастицей возникала и сама частица, т. е. происходил процесс, обратный аннигиляции.

Открытие антипротонов связано с именами амери­канских физиков Э. Сегре и О. Чемберлена, которые в 1955 году, после запуска мощного ускорителя заряженных частиц в Беркли, осуществили такие ядерные реакции. В 1956 году были открыты искус­ственно созданные антинейтроны.

Нейтрон, как известно, лишен электрического заря­да. Не будет ли нейтрон тождествен антинейтрону, как, например, фотон антифотону? Оказалось, что нет. Дело в том, что процесс перехода частицы в античастицу, в какой-то мере подобный отражению в зеркале, меняет не только знак электрического заряда, но и знаки других квантовых чисел, в частности барион­ного заряда (Барионный заряд — квантовое число, присущее некоторой части элементарных частиц. Приближенно оно отражает количе­ство нуклонов, как бы «входящее» в данную элементарную ча­стицу) и странности (Странностью в физике микромира называют некоторое квантовое число, являющееся характеристикой определенного сор­та частиц. У протонов и нейтронов странность равна нулю). Барионный заряд про­тона и нейтрона равен единице, а антипротона и ан­тинейтрона — минус единице.

Обнаружение античастиц рассматривалось как бе­зусловная победа теоретической мысли и торжество экспериментального искусства. Но настоящее антиве­щество должно было начаться с синтеза, как мини­мум, антидейтерия.

Осколки антимиров

Могут ли существовать связанные состояния ан­тинуклонов, т. е. антиядра, обладающие теми же свойствами, что и ядра обычные? На этот вопрос должен был ответить эксперимент.

В 1965 году в Брукхейвене (США) были получе­ны ядра антидейтронов. Пороговая энергия рожде­ния тяжелого изотопа водорода составляла 15 млрд. эВ. Но оказалось, что преодолеть энергетический барьер недостаточно. Нужно было и существенно повысить точность эксперимента. Дело в том, что антидейтроны появлялись в ядерных реакциях в 10000 раз реже, чем антипротоны.

На очереди был антитритий. Хотя эксперимента­торы и располагали достаточной для его образова­ния энергией, антитритий был настолько редким гостем, что американским физикам его вообще не удалось зарегистрировать. Антитритий получили поз­днее на серпуховском ускорителе. Но тяжелый ан­тиводород, состоящий из одного антипротона и двух антинейтронов, еще не замыкает таблицу антиядер.

Следующим в таблице Менделеева стоит пока антигелий-3, открытый советскими физиками в 1970 году. Этот изотоп, состоящий из двух антипротонов и двух антинейтронов, появляется в нашем мире в 10 000 раз реже, чем антидейтрон.

Расчеты показали, что на встречу в эксперимен­тах с другими изотопами антимира, более тяжелыми, чем антигелий-3, надеяться пока не приходится. Во-первых, возрастает энергетический порог рождения более тяжелых антиядер. Во-вторых, с увеличением массы изотопа только на одну нуклонную массу ве­роятность его рождения падает в 10 000 раз. И если антидейтрон рождается в 10 000 раз реже, чем анти­протон (при соответствующих энергиях), то антиге­лий-3 рождается уже в 10 000 раз реже, чем анти­дейтрон, и в 100 млн. раз реже чем антипротон. И так далее. И хотя в серпуховском эксперименте энергии ускоренных протонов было вполне достаточ­но для образования антигелия-4 (порог 45 млрд. эВ), ни одной альфа-античастицы зарегистрировать не уда­лось.

Простейший расчет показывает, что пороговая энергия образования антиурана, например, хотя и очень велика (примерно 60000 ГэВ) (ГэВ — гигаэлектрон-вольт. 1 ГэВ = 10⁹ эВ) и для земных ускорителей пока недостижима, но в космическом излучении такие энергии встречаются. Однако веро­ятность образования антиурана в ядерных реакциях составляет 10^-950 от вероятности рождения нуклон-антинуклонных пар. Очевидно, этот процесс столь редок, что он вообще никогда не сможет реализо­ваться в природе, даже если мишенью будет слу­жить все вещество Вселенной, а снарядами все кос­мическое излучение с достаточными для образования ядра антиурана энергиями и если этот «эксперимент» будет длиться с момента возникновения Вселенной, т. е. в течение доброго десятка миллиардов лет.

Наш мир как бы не принимает антимир. Кстати, и антимир столь же «негуманно» относился бы к по­явлению представителей нашего вещества в его вла­дениях. Но означает ли это, что антимиры или, точ­нее, антивещество в макроскопических количествах не существуют в природе?

Поиски во Вселенной

Где-то в глубинах Вселенной находятся антизвез­ды, вокруг которых вращаются антипланеты, где развиваются анти... Стоп! Далее сюжетные вариации. Фантасты изучили этот вопрос достаточно подробно. Физики же делают первые шаги.

Возможны ли такие гигантские скопления антиве­щества? Может ли существовать антиматерия в ма­кроскопических количествах не как лабораторное чудо — продукт сверхдорогих и экзотических экспе­риментов, а как полноправное физическое явление? Антивещество в его естественном состоянии? Суще­ствует ли оно, и если да, то каковы надежды на его обнаружение?

Когда проблема античастиц потеряла свою акту­альность и все, что можно было открыть на Земле, открыли, на первое место выдвинулась другая про­блема — существование антиматерии в масштабах Вселенной. С точки зрения физики вещество и анти­вещество абсолютно равноправны. Но обнаружить антивещество во Вселенной прямыми методами аст­рономии едва ли возможно. А непосредственное стол­кновение его с обычным веществом приводит к унич­тожению того и другого. Достаточно же удаленный от нашего мир, состоящий из антипротонов, антиней­тронов и т. д., ничем себя не выдает. Все переходы в антивеществе сопровождаются вылетом электро­магнитного излучения, которое невозможно отличить от того, что происходило бы в нашем мире, соткан­ном из протонов, нейтронов и электронов. Фотоны, как мы уже знаем, для всех миров едины. Антизвезда светила бы так же, как и обычная звезда на нашем ночном небе. Свет, приходящий и от далеких, и от близких звезд, ничего не говорит о том, из чего эти звезды сделаны.

Однако ситуация с поисками антимиров не сов­сем уж безнадежна. И прежде всего на помощь может прийти космическое излучение, которое ака­демик В. Л. Гинзбург недаром назвал пульсом Все­ленной. По современным представлениям основная масса космического излучения образуется при взры­вах сверхновых. И если во Вселенной имеются обла­сти, занятые антивеществом, то именно среди частиц космического излучения надо искать посланников антизвезд.

Когда физики получили возможность размещать свою аппаратуру на искусственных спутниках Зем­ли и других космических аппаратах, то в первичном космическом излучении стали интенсивно искать антиядра, Аннигиляционный взрыв, вызванный попада­нием в детектор антиядра, позволит с высокой сте­пенью надежности идентифицировать его.

Однако чуда не произошло: ни один посланец ан­тимиров в земные детекторы не попал. Это, конечно, не означает, что античастиц в составе космического излучения нет вообще. Скорее, это означает, что ан­тиядер очень мало и что за время проведения экспе­риментов они просто могут не появиться в исследуе­мом участке пространства.

Наибольшая точность оценки верхнего предела антиядер в составе первичного космического излуче­ния была достигнута в экспериментах ленинградского физика Н. С. Ивановой. Фотоэмульсионные камеры путешествовали вместе со спутниками «Космос-213», «Союз-5» и автоматическими межпланетными стан­циями «Зонд-5» и «Зонд-7». Было установлено, что доля антиядер в составе первичного космического излучения должна быть меньше 0,07 %.

А вот о наблюдении антипротонов среди косми­ческого излучения сообщали многие, но, как пока­зали расчеты, эти антипротоны никакого отношения к антимирам не имеют. Они рождаются в ядерных реакциях между космическими частицами и меж­звездным веществом.

Еще один источник информации об антизвездах — это нейтрино, сопровождающие термоядерный син­тез антизвезд (нейтрино и антинейтрино — различ­ные частицы). Но трудности, связанные с регистра­цией нейтрино от Солнца, о которых говорилось в главе II, заставляют думать, что нейтринная астро­номия справится с задачей поиска антимиров еще очень и очень не скоро.

Зарядовая асимметрия Вселенной

Убийственная строгость цифр вряд ли охладила воображение фантастов, но физиков переориентиро­вала на решение других проблем. Поиски сигналов от антизвездных систем уступили место выяснению вопроса: почему же этих антизвездных систем нет, а точнее, почему наша Вселенная зарядово несим­метрична? И было ли так всегда? Ведь в первые мгновения эволюции Вселенной частицы и античас­тицы были равноправны.

Все данные, которыми располагают физики и астрономы, свидетельствуют о том, что в доступном изучению пространстве антивещества в макроскопи­ческом количестве нет. Что касается Галактики, к которой принадлежит наша Солнечная система, то, если собирать, как говорится, с миру по нитке, то во всей Галактике едва ли найдется всего-навсего 1 млн. античастиц.

Возникает вопрос: если Вселенная в целом заря­дово несимметрична и ее барионный заряд отличен от нуля, т. е. нуклонов больше, чем антинуклонов, то как это совместить с зарядовой симметрией эле­ментарных частиц в микромире? Если же с «самого начала» Вселенная была симметрична относительно вещества и антивещества которое исчезло в процес­се аннигиляции (вот почему мы его и не наблюда­ем), то каким образом остался избыток барионов, давший начало нашему миру?

Для объяснения наблюдаемой барионной асим­метрии Вселенной было выдвинуто немало гипотез. Некоторые из них не выдержали испытания време­нем, например предположение о пространственном разделении вещества и антивещества в масштабах Вселенной. Предполагалось, что за избыток барионов могут быть ответственны испаряющие их черные ды­ры — объекты пока гипотетические. Возможно, что несохранение барионного заряда и нарушение неко­торых общих принципов, называемых С-, СР- и СРТ-инвариантностью, уже имеет место и при взаимодей­ствии элементарных частиц. Но поскольку эти про­цессы редки, заметны они могут быть лишь в мас­штабах Вселенной. Все это может привести к очень незначительному различию масс и времени жизни протонов и антипротонов, что в конечном итоге даст необходимый для объяснения картины мира избыток барионов. Советские физики А. Д. Долгов и Я. Б. Зельдович писали, что «...возможно, мы близки к решению грандиозной проблемы возникновения из симметричного и взрывоопасного начального состоя­ния нашего устойчивого (относительно аннигиляции) мира».

А пока теоретики в поисках истины проводили очередную ревизию законов природы, эксперимента­торы смогли создать ядра антигелия-3, микроскопиче­ские осколки антимиров.

Гелий в странном мире

Основным строительным материалом атомных ядер служат, как известно, протоны и нейтроны. Именно их комбинации дают начало атомным ядрам химических элементов — и тех, что мы наблюдаем в природе, и тех, что получены в лаборатории. Одна­ко в природе существуют и другие элементарные частицы. Их число уже давно превысило «население» периодической системы химических элементов. Нет ли среди этих многочисленных сгустков материи других претендентов на роль кирпичиков мирозда­ния?

Оказалось, что есть. В 1952 году польские фи­зики М. Даныш и Е. Пневский обнаружили на фото­пластинке, подвергшейся воздействию космического излучения в стратосфере, след необычной частицы. Ее, по-видимому, оставило ядро, принадлежащее хи­мическому элементу с № 5. Но короткий след свиде­тельствовал о крайне малом времени жизни части­цы — примерно 10^-12 с. Анализ показал, что след на фотопластинке действительно оставило ядро бора. Но один из нейтронов в этом ядре был заменен странной частицей — Λ-гипероном, распад которого и означал окончание жизни самого ядра.

Существования таких ядер теория не запрещала. Их назвали странными или гиперфрагментами (гиперъядрами) (рис. 12). В самом деле, если исключить специфическое свойство гиперонов — странность (и их нестабильность), то в остальном они оказывались очень похожими на нуклоны. Было время, когда в физической литературе Л-гипероны называли воз­бужденным состоянием нуклонов.

Существуют ли странные миры в природе — не­известно, но сконструировать в лаборатории ядра, где гипероны частично или полностью заменили ну­клоны, оказалось вполне возможно. И действитель­но, очень скоро стали вырисовываться контуры гиперъядерного — странного — мира. Открытие польских физиков было подтверждено другими исследова­телями. Собственно гиперъядер никто не наблюдал и не мог наблюдать, ибо гиперъядерный мир суще­ствует в сильно сжатой относительно нашего мира шкале времени. Наблюдали только их следы, оставшиеся, как путешествующий по Вселенной свет дав­но погасших звезд, в цепкой памяти фотопластинок.

Таблица изотопов странного мира насчитывает 22 (пока!) представителя. Конечно, она выглядит более чем скромно, по сравнению с морем изотопов нашего обычного, сотканного из протонов и нейтронов мира, где, как предполагают специалисты, должно сущест­вовать около 6000 изотопов, половину из которых еще предстоит открыть.

На самом деле странный мир, по-видимому, столь же населен изотопами, как и протонно-нейтронный. Таблица изотопов отражает лишь то, что надежно известно. И эта таблица не ограничивается гипер­азотом. В экспериментах были получены и гипер­алюминий, и гиперцинк, и гиперпалладий, и даже гипервисмут.

При сравнении таблиц изотопов обычного и странного миров обнаруживается любопытная осо­бенность. Карта изотопов в гипермире как бы транс­формируется: в мире странности возможны необыч­ные для нашего мира изотопы, а стабильность обыч­ных и соответствующих им гиперъядер оказывается различной. Например, гипердейтрон — одну из прос­тейших систем, состоящую из протона и Л-гиперона, никто не наблюдал. Во всяком случае, эта система живет не более 10^-23 с, т. е. оказывается ядерно-нестабильной.

Водород в странном мире представлен двумя изо­топами: _Λ³Н, эквивалентным нашему тритию, и _Λ⁴Н, не имеющим аналогов среди изотопов обычного во­дорода. А вот ядро бериллия-8 в нашем мире отсут­ствует. Образованное при радиоактивном распаде лития-8 или бора-8, оно мгновенно, что на языке физи­ки означает за 10^-23 с, распадается на две альфа-частицы (вспомним протон-протонный цикл в звез­дах). В странном же мире ядро бериллия-8 — пол­ноправный член общества, т. е. оно существует, пока не распадется входящая в его структуру Λ-частица.

Не повезло в нашем мире и массовому числу пять. Ни среди стабильных, ни среди радиоактивных изо­топов нет обладателя пяти нуклонов, находящиеся в одном состоянии в ядре, должны иметь противоположные спины. Рассмотрим ядро гелия-4. В обычном мире оно состоит из двух про­тонов и двух нейтронов, имеющих противоположно направленные спины. Это состояние укомплектованно­сти. И поэтому следующий, пятый, нуклон может занять только более высокое энергетическое состоя­ние. Но этот пятый, нуклон будет слабее связан с остальными четырьмя, которые, находятся на низшем энергетическом уровне, и новое ядро (гелий-5, если к заполненному состоянию прибавить нейтрон, или литий-5, если добавить протон) обязательно окажет­ся нестабильным. Однако на Л-частицу принцип Па­ули не распространяется — это «частица другого сорта». Поэтому к заполненному энергетическому состоянию, укомплектованному двумя протонами и двумя нейтронами, всегда можно прибавить по край­ней мере еще одну частицу «другого сорта» (рис. 13). Отсюда вытекает и «стабильность» гипергелия-5, в нашем мире фигурирующего в основном как продукт теоретической мысли.

Жизнь гиперъядер длится миллиардные доли се­кунды. Можно ли говорить о существовании мира, если между его рождением и распадом лежит столь ничтожный отрезок времени? Этого мгновения явно недостаточно, чтобы выйти из плазменного состоя­ния, обрасти электронными оболочками, образовать химические соединения, не говоря уже о более слож­ных этапах эволюции. Однако в шкале ядерного вре­мени, где единицей отсчета служат уж упоминавши­еся 10^-23 с, гиперъядра оказываются своеобразными долгожителями.

Еще одна интересная особенность: в гиперъядерном мире нет радиоактивности. Будучи нестабильными по отношению к обычным ядрам, в рамках своей временной шкалы, гиперъядра стабильны. Во всяком случае, никаких явлений, свидетельствующих о ра­диоактивных распадах или процессах деления, в гиперъядерном мире не обнаружено. Скорее всего потому, что это очень медленные процессы. Все рас­пады гиперъядер инициированы, как правило, либо непосредственным распадом Λ-частицы, либо ее взаимодействием с нуклонами ядра.

Удалось сделать некоторые предсказания относи­тельно свойств гиперъядер. Одно из них касается возможного существования двойных гиперфрагмен­тов, т. е. ядер, содержащих не одну, а сразу две Λ-частицы. Конечно, это событие еще более редкое, чем появление «простых» гиперъядер.

В таблице ΛΛ-ядер (рис. 14) всего два изотопа (тоже пока!). И первый из них — ядро _ΛΛ⁶Не, откры­тое М. Денишем и Е. Пневским. Но рекордсменами странного мира окажутся ядра, состоящие из одних только гиперонов. Возможно ли это? Теоретики пред­полагают, что да. Свойства таких ядер еще более не­обычны.

Во-первых, сверхстранные ядра будут долгожи­телями, а может быть, и вообще стабильными. Зна­чит, открывается возможность их поиска в явлениях космического масштаба. Во-вторых, таблица изото­пов сверхстранных ядер представляется еще более богатой. Например, массовое число четыре представлено в протон-нейтронном мире одной только альфа-частицей; в гиперъядерном мире — двумя изотопа­ми _Λ⁴Н и _Λ⁴Не. В сверхстранном мире 28 комбинаций гиперонов претендует на роль аналога нашего гелия. На Земле такие ядра в естественных условиях не обнаружены, а найдутся ли они в космосе, пока­жет время.

Но если этот сверхстранный мир все же суще­ствует, то физикам непонятно, зачем он понадобился природе. Не для развлечения же и умственных уп­ражнений теоретиков, как резонно заметил один из них. Ведь четырех частиц: протона, нейтрона, элек­трона и антинейтрино — вполне достаточно, чтобы построить наш мир, создать молекулы и атомы, за­ставить светить Солнце и другие звезды. Ответить на этот вопрос предстоит физике будущего.

[:ua]Історія продовжується[:ru]История продолжается[:en]The story goes on

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.

[:ua]Гелій. Хроніка відкриттів[:ru]Гелий. Хроника открытий[:en]Helium. Discovery chronicle

1868 год — Ж. Жансен и Дж. Н. Локьер обнаружили в спект­ре Солнца линию, принадлежащую неизвестному на Земле элемен­ту, позднее названному гелием.

1895 год — У. Рамзай получил первый земной гелий.

1903 год — гелий обнаружили в составе природных газов в Канзасе (США).

1908 год— X. Камерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий.

1909 год — Э. Резерфорд и его коллеги доказали, что альфа-частицы представляют собой дважды ионизованные ядра гелия. С помощью гелия удалось определить возраст минералов земной коры.

1936 год — Т. Бьердж и А. Е. Полесицкий обнаружили в составе природного газа изотоп гелия с массовым числом три.

1938 год — П. Л. Капица открыл сверхтекучесть жидкого гелия.

1945 год — на циклотроне Радиевого института, используе­мом как масс-спектрометр высокого разрешения, получены данные о сильных вариациях изотопного состава гелия.

1954 год — построен первый прибор, работающий на жидком гелии, — криотрон; обнаружены первые изотопы гипергелия — гипергелий-4 и гипергелий-5.

1961 год — советские ученые открыли самый тяжелый изотоп гелия — гелий-8,

1965 год — с помощью жидкого гелия достигнута самая низкая в лабораторной практике температура, отстоящая от абсо­лютного нуля на 0,01 градуса.

1970 год — советскими учеными доказано существование антнгелия с массовым числом три.

1973 год — обнаружено явление сверхтекучести гелия-3.

1968—1981 годы — измерение отношения ³Не/⁴Не в составе природных газов Земли, солнечного корпускулярного излучения, в метеоритах и лунных породах привело к открытию в мантии Земли первозданного гелия.