Daripada 26 unsur transuranium yang diketahui sekarang, 24 tidak dijumpai di planet kita. Mereka dicipta oleh manusia. Bagaimanakah unsur berat dan superheavy disintesis?
Senarai pertama tiga puluh tiga unsur yang diduga, A Table of Substances kepunyaan semua Kingdoms of Nature, yang mungkin dianggap sebagai Konstituen Badan Termudah, telah diterbitkan oleh Antoine Laurent Lavoisier pada tahun 1789. Bersama dengan oksigen, nitrogen, hidrogen, tujuh belas logam dan beberapa unsur sebenar lain, cahaya, kalori dan beberapa oksida muncul di dalamnya. Dan apabila 80 tahun kemudian Mendeleev muncul dengan Jadual Berkala, ahli kimia mengetahui 62 unsur. Menjelang awal abad ke-20, dipercayai bahawa 92 unsur wujud di alam semula jadi - daripada hidrogen kepada uranium, walaupun sebahagian daripadanya masih belum ditemui. Namun begitu, pada penghujung abad ke-19, saintis mengandaikan kewujudan unsur. mengikuti uranium dalam jadual berkala (transuranes), tetapi adalah mustahil untuk menemuinya. Kini diketahui bahawa kerak bumi mengandungi sejumlah kecil unsur 93 dan 94 - neptunium dan plutonium. Tetapi dari segi sejarah, unsur-unsur ini mula-mula diperoleh secara buatan dan baru ditemui dalam komposisi mineral.
Daripada 94 unsur pertama, 83 mempunyai sama ada isotop stabil atau tahan lama, separuh hayatnya adalah setanding dengan umur Sistem Suria (ia datang ke planet kita daripada awan protoplanet). Kehidupan 11 unsur semula jadi yang tinggal adalah lebih pendek, dan oleh itu ia muncul di kerak bumi hanya akibat pereputan radioaktif untuk masa yang singkat. Tetapi bagaimana dengan semua elemen lain, dari 95 hingga 118? Tiada satu pun di planet kita. Kesemuanya diperoleh secara buatan.
Buatan pertama
Penciptaan unsur tiruan mempunyai sejarah yang panjang. Kemungkinan asas ini menjadi jelas pada tahun 1932, apabila Werner Heisenberg dan Dmitry Ivanenko membuat kesimpulan bahawa nukleus atom terdiri daripada proton dan neutron. Dua tahun kemudian, kumpulan Enrico Fermi cuba menghasilkan transuranium dengan menyinari uranium dengan neutron perlahan. Diandaikan bahawa nukleus uranium akan menangkap satu atau dua neutron, selepas itu ia akan mengalami pereputan beta untuk menghasilkan unsur 93 atau 94. Mereka juga tergesa-gesa untuk mengumumkan penemuan transurans, yang Fermi panggil ausonium dan hesperium dalam ucapan Nobelnya pada tahun 1938. Walau bagaimanapun, ahli radiokimia Jerman Otto Hahn dan Fritz Strassmann, bersama ahli fizik Austria Lise Meitner, tidak lama kemudian menunjukkan bahawa Fermi tersilap: nuklida ini adalah isotop unsur yang telah diketahui, hasil daripada pemisahan nukleus uranium kepada pasangan serpihan yang kira-kira jisim yang sama. . Penemuan inilah yang dibuat pada Disember 1938, yang memungkinkan untuk mencipta reaktor nuklear dan bom atom. Unsur pertama yang disintesis bukanlah transuranium sama sekali, tetapi ekamangan, yang diramalkan oleh Mendeleev. Mereka mencarinya dalam pelbagai bijih, tetapi tidak berjaya. Dan pada tahun 1937, ecamanganese, yang kemudiannya dipanggil technetium (dari bahasa Yunani ??? - tiruan) diperoleh dengan menembak nukleus deuterium pada sasaran molibdenum, dipercepatkan dalam siklotron di Makmal Kebangsaan Lawrence Berkeley.
Peluru ringan
Unsur 93 hingga 101 diperoleh melalui interaksi nukleus uranium atau nukleus transuranium berikutnya dengan neutron, deuteron (nukleus deuterium) atau zarah alfa (nukleus helium). Kejayaan pertama di sini dicapai oleh orang Amerika Edwin McMillan dan Philip Abelson, yang pada tahun 1940 mensintesis neptunium-239, mengusahakan idea Fermi: penangkapan neutron perlahan oleh uranium-238 dan pereputan beta seterusnya uranium-239. Seterusnya, Unsur ke-94 - plutonium - ditemui buat kali pertama semasa mengkaji pereputan beta neptunium-238 yang diperolehi oleh pengeboman deuteron uranium di siklotron Universiti California di Berkeley pada awal tahun 1941. Dan tidak lama kemudian menjadi jelas bahawa plutonium-239, di bawah pengaruh neutron perlahan, adalah fisil tidak lebih buruk daripada uranium-235 dan boleh berfungsi sebagai pengisian bom atom. Oleh itu, semua maklumat tentang pengeluaran dan sifat unsur ini telah diklasifikasikan, dan artikel oleh MacMillan, Glenn Seaborg (untuk penemuan mereka, mereka berkongsi Hadiah Nobel 1951) dan rakan sekerja mereka dengan mesej mengenai transuranium kedua muncul dalam cetakan hanya pada tahun 1946. Pihak berkuasa Amerika selama hampir enam tahun Penerbitan penemuan unsur ke-95, americium, yang pada akhir tahun 1944 telah diasingkan oleh kumpulan Seaborg daripada produk pengeboman neutron plutonium dalam reaktor nuklear, juga ditangguhkan. Beberapa bulan sebelum itu, ahli fizik dari pasukan yang sama memperoleh isotop pertama unsur 96 dengan berat atom 242, disintesis dengan mengebom uranium-239 dengan zarah alfa dipercepatkan. Ia dinamakan kurium sebagai mengiktiraf pencapaian saintifik Pierre dan Marie Curie, sekali gus membuka tradisi penamaan transuran sebagai penghormatan kepada fizik dan kimia klasik. Siklotron 60 inci di Universiti California menjadi tapak penciptaan tiga lagi elemen, 97, 98 dan 101 . Dua yang pertama dinamakan sempena tempat kelahiran mereka - berkelium dan californium. Berkeley telah disintesis pada Disember 1949 dengan mengebom sasaran americium dengan zarah alfa, dan californium dua bulan kemudian oleh pengeboman kurium yang sama. Unsur ke-99 dan ke-100, einsteinium dan fermium, ditemui semasa analisis radiokimia sampel yang dikumpulkan di kawasan Eniwetak Atoll, di mana pada 1 November 1952, Amerika meletupkan cas termonuklear sepuluh megaton "Mike", cangkerangnya diperbuat daripada uranium-238. Semasa letupan, nukleus uranium menyerap sehingga lima belas neutron, selepas itu mereka mengalami rantaian pereputan beta, yang membawa kepada pembentukan unsur-unsur ini. Elemen 101, mendelevium, ditemui pada awal tahun 1955. Seaborg, Albert Ghiorso, Bernard Harvey, Gregory Choppin dan Stanley Thomson mengalami pengeboman zarah alfa kepada kira-kira satu bilion (ini sangat kecil, tetapi tidak ada lagi) atom einsteinium yang didepositkan secara elektrolitik pada kerajang emas. Walaupun ketumpatan rasuk sangat tinggi (60 trilion zarah alfa sesaat), hanya 17 atom mendelevium diperoleh, tetapi sinaran dan sifat kimianya ditentukan.
Ion berat
Mendelevium ialah transuranium terakhir yang dihasilkan menggunakan neutron, deuteron atau zarah alfa. Untuk mendapatkan unsur-unsur berikut, sasaran diperlukan daripada unsur nombor 100 - fermium, yang kemudiannya mustahil untuk dihasilkan (walaupun sekarang dalam reaktor nuklear fermium diperoleh dalam kuantiti nanogram). Para saintis mengambil laluan yang berbeza: mereka menggunakan atom terion, yang nukleusnya mengandungi lebih daripada dua proton, untuk mengebom sasaran. ia dipanggil ion berat). Untuk mempercepatkan pancaran ion, pemecut khusus diperlukan. Mesin pertama seumpama itu, HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator), telah dilancarkan di Berkeley pada tahun 1957, yang kedua, siklotron U-300, telah dilancarkan di Makmal Tindak Balas Nuklear Institut Bersama untuk Penyelidikan Nuklear di Dubna pada tahun 1960. Kemudian, unit U-400 dan U-400M yang lebih berkuasa telah mula beroperasi di Dubna. Satu lagi pemecut UNILAC (Universal Linear Accelerator) telah beroperasi di Pusat Helmholtz Jerman untuk Penyelidikan Ion Berat di Wickhausen, salah satu daerah Darmstadt, sejak akhir tahun 1975. Semasa pengeboman sasaran yang diperbuat daripada plumbum, bismut, uranium atau transuranium dengan ion berat, nukleus sangat teruja (panas) yang sama ada runtuh atau membebaskan tenaga berlebihan melalui pelepasan (penyejatan) neutron. Kadang-kadang nukleus ini mengeluarkan satu atau dua neutron, selepas itu mereka menjalani transformasi lain - contohnya, pereputan alfa. Sintesis jenis ini dipanggil sejuk. Di Darmstadt, dengan bantuannya, unsur-unsur dengan nombor dari 107 (borium) hingga 112 (copernicium) diperolehi. Dengan cara yang sama, pada tahun 2004, ahli fizik Jepun mencipta satu atom unsur ke-113 (setahun sebelumnya ia diperoleh di Dubna). Semasa pelakuran panas, nukleus yang baru lahir kehilangan lebih banyak neutron - daripada tiga hingga lima. Dengan cara ini, Berkeley dan Dubna mensintesis unsur-unsur daripada 102 (nobelium) kepada 106 (seaborgium, sebagai penghormatan kepada Glenn Seaborg, di bawah pimpinannya sembilan elemen baharu telah dicipta). Kemudian, di Dubna, enam daripada super-heavyweight yang paling besar telah dibuat dengan cara ini - dari ke-113 hingga ke-118. Kesatuan Kimia Tulen dan Gunaan Antarabangsa (IUPAC) setakat ini hanya meluluskan nama unsur ke-114 (flerovium) dan ke-116 (livermorium).
Hanya tiga atom
Unsur ke-118 dengan nama sementara ununoctium dan simbol Uuo (mengikut peraturan IUPAC, nama sementara unsur terbentuk daripada akar Latin dan Yunani bagi nama digit nombor atomnya, un-un-oct (ium) - 118) telah dicipta oleh usaha bersama dua kumpulan saintifik: Dubna di bawah pimpinan Yuri Oganesyan dan Makmal Kebangsaan Livermore di bawah pimpinan Kenton Moody, seorang pelajar Seaborg. Ununoctium terletak di bawah radon dalam jadual berkala dan oleh itu boleh menjadi gas mulia. Walau bagaimanapun, sifat kimianya masih belum ditentukan, kerana ahli fizik telah mencipta hanya tiga atom unsur ini dengan nombor jisim 294 (118 proton, 176 neutron) dan separuh hayat kira-kira milisaat: dua pada tahun 2002 dan satu dalam 2005. Ia diperoleh dengan mengebom sasaran yang diperbuat daripada California-249 (98 proton, 151 neutron) dengan ion isotop berat kalsium dengan jisim atom 48 (20 proton dan 28 neutron), dipercepatkan dalam pemecut U-400. Jumlah bilangan "peluru" kalsium ialah 4.1x1019, jadi produktiviti "penjana unnoctium" Dubna adalah sangat rendah. Bagaimanapun, menurut Kenton Moody, U-400 adalah satu-satunya mesin di dunia yang memungkinkan untuk mensintesis unsur ke-118. “Setiap siri eksperimen tentang sintesis transuranium menambah maklumat baharu tentang struktur bahan nuklear, yang digunakan untuk memodelkan sifat nukleus superheavy. Khususnya, kerja pada sintesis elemen ke-118 memungkinkan untuk membuang beberapa model sebelumnya, ingat Kenton Moody. - Kami membuat sasaran daripada californium, kerana unsur yang lebih berat tidak tersedia dalam kuantiti yang diperlukan. Kalsium-48 mengandungi lapan neutron tambahan berbanding dengan isotop utama kalsium-40. Apabila nukleusnya bergabung dengan nukleus californium, nukleus dengan 179 neutron telah terbentuk. Mereka berada dalam keadaan yang sangat teruja dan oleh itu sangat tidak stabil, dari mana mereka muncul dengan cepat, menumpahkan neutron. Hasilnya, kami memperoleh isotop unsur 118 dengan 176 neutron. Dan ini adalah atom neutral sebenar dengan set lengkap elektron! Sekiranya mereka hidup lebih lama, ia mungkin untuk menilai sifat kimia mereka.
Metusalah nombor 117
Elemen 117, juga dikenali sebagai ununseptium, diperoleh kemudian - pada Mac 2010. Unsur ini dicipta pada mesin U-400 yang sama, di mana, seperti sebelumnya, ion kalsium-48 ditembak pada sasaran yang diperbuat daripada berkelium-249, yang disintesis di Makmal Kebangsaan Oak Ridge. Apabila nukleus berkelium dan kalsium bertembung, nukleus ununseptium-297 yang sangat teruja (117 proton dan 180 neutron) muncul. Penguji berjaya memperoleh enam nukleus, lima daripadanya menguap empat neutron setiap satu dan bertukar menjadi ununseptium-293, dan selebihnya mengeluarkan tiga neutron dan menimbulkan ununseptium-294. Berbanding dengan ununoctium, ununseptium ternyata Methuselah sebenar. Separuh hayat isotop yang lebih ringan ialah 14 milisaat, dan yang lebih berat ialah sebanyak 78 milisaat! Pada tahun 2012, ahli fizik Dubna memperoleh lima lagi atom ununseptium-293, dan kemudian beberapa atom kedua-dua isotop. Pada musim bunga tahun 2014, saintis dari Darmstadt melaporkan sintesis empat nukleus unsur 117, dua daripadanya mempunyai jisim atom 294. Separuh hayat ununseptium "berat" ini, diukur oleh saintis Jerman, adalah kira-kira 51 milisaat ( ini bersetuju dengan baik dengan anggaran saintis dari Dubna) Kini di Darmstadt mereka sedang menyediakan projek untuk pemecut linear baru ion berat pada magnet superkonduktor, yang akan membolehkan sintesis unsur 119 dan 120. Pelan serupa sedang dilaksanakan di Dubna, di mana siklotron DS-280 baharu sedang dibina. Ada kemungkinan bahawa dalam beberapa tahun sahaja sintesis transuranium superheavy baru akan menjadi mungkin. Dan penciptaan unsur ke-120, atau bahkan ke-126 dengan 184 neutron dan penemuan pulau kestabilan akan menjadi kenyataan.
Panjang umur di pulau kestabilan
Di dalam nukleus terdapat kulit proton dan neutron, agak serupa dengan kulit elektron atom. Nukleus dengan cangkerang yang terisi sepenuhnya sangat tahan terhadap perubahan spontan. Bilangan neutron dan proton yang sepadan dengan cengkerang tersebut dipanggil sihir. Sebahagian daripadanya telah ditentukan secara eksperimen - ini ialah 2, 8, 20 dan 28.Model cangkerang memungkinkan untuk mengira "nombor ajaib" nukleus superberat secara teori - walau bagaimanapun, tanpa jaminan yang lengkap. Terdapat sebab untuk menjangkakan bahawa nombor neutron 184 akan menjadi ajaib. Ia boleh sepadan dengan nombor proton 114, 120 dan 126, dan yang terakhir, sekali lagi, mesti ajaib. Jika demikian, maka isotop unsur ke-114, ke-120 dan ke-126, yang mengandungi 184 neutron setiap satu, akan hidup lebih lama daripada jiran mereka pada jadual berkala - minit, jam, atau bahkan tahun (kawasan jadual ini adalah biasanya dipanggil pulau kestabilan). Para saintis meletakkan harapan terbesar mereka pada isotop terakhir dengan nukleus ajaib berganda.
Kaedah Dubninsky
Apabila ion berat memasuki kawasan kuasa nuklear sasaran, nukleus sebatian dalam keadaan teruja boleh terbentuk. Ia sama ada mereput menjadi serpihan yang mempunyai jisim yang lebih kurang sama, atau mengeluarkan (menyejat) beberapa neutron dan masuk ke dalam keadaan tanah (tidak teruja).
"Elemen 113 hingga 118 dicipta berdasarkan kaedah luar biasa yang dibangunkan di Dubna di bawah pimpinan Yuri Oganesyan," jelas ahli pasukan Darmstadt Alexander Yakushev. - Daripada nikel dan zink, yang digunakan untuk menembak sasaran di Darmstadt, Oganesyan mengambil isotop dengan jisim atom yang jauh lebih rendah - kalsium-48. Hakikatnya ialah penggunaan nukleus ringan meningkatkan kemungkinan gabungan mereka dengan nukleus sasaran. Nukleus kalsium-48 juga berganda ajaib, kerana ia terdiri daripada 20 proton dan 28 neutron. Oleh itu, pilihan Oganesyan banyak menyumbang kepada kemandirian nukleus kompaun yang timbul apabila sasaran ditembak. Lagipun, nukleus boleh menumpahkan beberapa neutron dan menimbulkan transuranium baru hanya jika ia tidak pecah menjadi serpihan sejurus selepas kelahiran. Untuk mensintesis unsur superheavy dengan cara ini, ahli fizik Dubna membuat sasaran daripada transuranium yang dihasilkan di Amerika Syarikat - plutonium pertama, kemudian americium, kurium, californium dan, akhirnya, berkelium. Kalsium-48 dalam alam semula jadi hanya 0.7%. Ia diekstrak menggunakan pemisah elektromagnet, yang merupakan prosedur yang mahal. Satu miligram isotop ini berharga kira-kira $200. Jumlah ini cukup untuk satu atau dua jam menembak sasaran dan percubaan berlangsung selama berbulan-bulan. Sasaran itu sendiri lebih mahal, harganya mencecah satu juta dolar. Membayar bil elektrik juga menelan kos yang lumayan - pemecut ion berat menggunakan kuasa megawatt. Secara umum, sintesis unsur superheavy bukanlah kesenangan yang murah.”
34. Struktur unsur kimia, sintesis unsur transuranium.
Pada tahun 1861, ahli kimia Rusia yang cemerlang A.M. Butlerov
mencipta dan mengesahkan teori struktur kimia jirim, menurut
di mana sifat bahan ditentukan oleh susunan ikatan atom dalam
molekul dan pengaruhnya bersama. Pada tahun 1869, D.I. Mendeleev menemui9
salah satu undang-undang asas sains semula jadi ialah undang-undang berkala
unsur kimia, rumusan modennya adalah seperti berikut:
sifat unsur kimia secara berkala bergantung pada cas elektrik nukleusnya.
35. “pembina” atom-molekul struktur jirim. Perbezaan antara pendekatan fizik dan kimia dalam mengkaji sifat jirim.
Atom ialah zarah terkecil bagi unsur kimia tertentu. Semua atom yang wujud dalam alam semula jadi diwakili dalam sistem unsur berkala Mendeleev.
Atom disambungkan ke dalam molekul melalui ikatan kimia berdasarkan interaksi elektrik. Bilangan atom dalam molekul boleh berbeza-beza. Molekul boleh terdiri daripada satu atom, dua, tiga, atau bahkan beberapa ratus atom.
Contoh molekul diatomik termasuk CO, NO, O 2, H 2, molekul triatomik - CO 2, H 2 O, SO 2, molekul tetraatomik - NH 3. Oleh itu, molekul terdiri daripada satu atau lebih atom satu atau unsur kimia yang berbeza.
Molekul boleh ditakrifkan sebagai zarah terkecil bagi bahan tertentu yang mempunyai sifat kimianya. Di antara molekul mana-mana badan terdapat daya interaksi - tarikan dan tolakan. Daya tarikan memastikan kewujudan badan secara keseluruhan. Untuk membahagikan badan kepada bahagian-bahagian, usaha yang besar mesti dibuat. Kewujudan daya tolakan antara molekul didedahkan apabila cuba memampatkan jasad.
40.Tugas utama kosmologi. Menyelesaikan persoalan asal usul Alam Semesta pada peringkat yang berbeza dalam perkembangan tamadun.
Kosmologi ialah kajian tentang sifat-sifat fizikal Alam Semesta secara keseluruhan. Khususnya, matlamatnya adalah untuk mencipta teori seluruh kawasan ruang yang diliputi oleh pemerhatian astronomi, yang biasanya dipanggil Metagalaxy.
Seperti yang diketahui, teori relativiti membawa kepada kesimpulan bahawa kehadiran jisim besar mempengaruhi sifat ruang-masa. Sifat ruang Euclidean biasa (contohnya, jumlah sudut segitiga, sifat garis selari) berubah berhampiran jisim besar atau, seperti yang mereka katakan, ruang "lengkung." Kelengkungan ruang yang dicipta oleh jisim individu (contohnya, bintang) adalah sangat kecil.
Oleh itu, perlu dijangkakan bahawa disebabkan kelengkungan ruang, sinar cahaya berhampiran Matahari harus mengubah arahnya. Pengukuran yang tepat bagi kedudukan bintang berhampiran Matahari dan masa gerhana matahari penuh membolehkan kesan ini ditangkap, walau bagaimanapun, pada had ketepatan pengukuran.
Walau bagaimanapun, jumlah kesan graviti (iaitu, memiliki tarikan) jisim semua galaksi dan supergalaksi boleh menyebabkan kelengkungan tertentu ruang secara keseluruhan, yang akan menjejaskan sifatnya dengan ketara, dan, akibatnya, evolusi seluruh Alam Semesta.
Malah rumusan masalah menentukan (berdasarkan hukum relativiti) sifat-sifat ruang dan masa dengan pengagihan jisim yang sewenang-wenangnya adalah amat sukar. Oleh itu, beberapa skema anggaran yang dipanggil model Alam Semesta biasanya dipertimbangkan.
Yang paling mudah adalah berdasarkan andaian bahawa jirim di Alam Semesta pada skala besar diagihkan sama rata (homogeniti), dan sifat ruang adalah sama dalam semua arah (isotropi). Ruang sedemikian mesti mempunyai beberapa kelengkungan, dan model yang sepadan dipanggil
model isotropik homogen Alam Semesta.
Penyelesaian persamaan graviti Einstein untuk kes isotropik homogen
model menunjukkan bahawa jarak antara heterogeniti individu, jika
mengecualikan pergerakan kacau individu mereka (halaju pelik), tidak boleh kekal malar: Alam Semesta mesti sama ada mengecut, atau,
konsisten dengan pemerhatian, kembangkan. Jika kita mengabaikan kelajuan yang aneh
galaksi, maka kelajuan penyingkiran bersama mana-mana dua badan di Alam Semesta adalah lebih besar, semakin jauh jarak antara mereka. Untuk jarak yang agak kecil, pergantungan ini adalah linear, dan pekali perkadaran ialah pemalar Hubble. Daripada perkara di atas, ia menunjukkan bahawa jarak antara mana-mana pasangan jasad adalah fungsi masa. Bentuk fungsi ini bergantung pada tanda kelengkungan ruang. Jika kelengkungan negatif, maka "Alam Semesta" berkembang sepanjang masa. Pada kelengkungan sifar, sepadan dengan; Ruang Euclidean, pengembangan berlaku dengan kelembapan, dan kadar pengembangan cenderung kepada sifar. Akhirnya, pengembangan "Alam Semesta," yang mempunyai kelengkungan positif, mesti memberi laluan kepada pemampatan pada beberapa zaman.
Dalam kes kedua, disebabkan oleh geometri bukan Euclidean, ruang mestilah
akhir, i.e. mempunyai volum terhingga tertentu pada bila-bila masa,
bilangan bintang, galaksi, dsb. Walau bagaimanapun, "sempadan" Alam Semesta, secara semula jadi,
tidak boleh dalam apa jua keadaan.
Model dua dimensi bagi ruang tiga dimensi tertutup tersebut ialah
permukaan belon yang ditiup. Galaksi dalam model ini digambarkan sebagai rata
rajah yang dilukis pada permukaan. Apabila bola meregang, luas permukaan dan jarak antara bentuk bertambah. Walaupun pada dasarnya bola sedemikian boleh berkembang tanpa had, luas permukaannya adalah terhad pada bila-bila masa.
Namun, dalam ruang dua dimensinya (permukaan) tiada sempadan. Kelengkungan ruang dalam model isotropik homogen bergantung pada nilai ketumpatan purata bahan. Jika ketumpatan kurang daripada nilai kritikal tertentu, kelengkungan adalah negatif dan kes pertama berlaku. Kes kedua (kelengkungan sifar) berlaku pada nilai ketumpatan kritikal. Akhirnya, apabila ketumpatan lebih besar daripada kritikal ¾, kelengkungan adalah positif (kes ketiga). Semasa proses pengembangan, nilai mutlak kelengkungan mungkin berubah, tetapi tandanya
kekal malar.
Nilai ketumpatan kritikal dinyatakan melalui pemalar Hubble H dan pemalar graviti f seperti berikut: pada H = 55 km/sec × Mpc, r cr = 5 × 10-30 g/cm3 Dengan mengambil kira semua jisim yang diketahui dalam petunjuk Metagalaxy kepada anggaran ketumpatan purata kira-kira 5× 10-31 g/cm3
Walau bagaimanapun, ini jelas merupakan had yang lebih rendah, kerana jisim medium yang tidak kelihatan antara galaksi belum diketahui. Oleh itu, anggaran ketumpatan sedia ada tidak menyediakan alasan untuk menilai tanda kelengkungan ruang sebenar.
Pada dasarnya, cara lain untuk memilih model Alam Semesta yang paling realistik secara empirik adalah mungkin berdasarkan penentuan anjakan merah objek yang paling jauh (dari mana cahaya yang sampai kepada kita telah dipancarkan ratusan juta dan berbilion tahun yang lalu) dan membandingkan halaju ini. dengan jarak ke objek yang ditemui oleh kaedah lain. Malah, dengan cara ini, perubahan dalam kadar pengembangan dari semasa ke semasa ditentukan daripada pemerhatian. Pemerhatian moden belum begitu tepat sehingga seseorang boleh menilai dengan yakin tanda kelengkungan ruang. Kita hanya boleh mengatakan bahawa kelengkungan ruang di Alam Semesta hampir kepada sifar.
Pemalar Hubble, yang memainkan peranan penting dalam teori isotropik homogen
Alam semesta mempunyai makna fizikal yang ingin tahu. Untuk menjelaskannya, anda sepatutnya
beri perhatian kepada fakta bahawa kuantiti salingan 1/H mempunyai dimensi masa dan
sama dengan 1/H = 6×1017 saat atau 20 bilion tahun. Mudah untuk mengetahui apa itu
tempoh masa yang diperlukan untuk pengembangan Metagalaxy kepada keadaan sekarang, dengan syarat kadar pengembangan tidak berubah pada masa lalu. Walau bagaimanapun, persoalan tentang keteguhan kelajuan ini, tahap sebelumnya dan seterusnya (berkaitan dengan moden) pengembangan Alam Semesta masih kurang difahami.
Pengesahan bahawa Alam Semesta sememangnya pernah berada dalam keadaan istimewa ialah pancaran radio kosmik yang ditemui pada tahun 1965, dipanggil sinaran relik (iaitu, sisa). Spektrumnya adalah haba dan menghasilkan semula lengkung Planck untuk suhu kira-kira 3 °K. [Perhatikan bahawa, mengikut formula, maksimum sinaran sedemikian berlaku pada panjang gelombang kira-kira 1 mm, dekat dengan julat spektrum elektromagnet yang boleh diakses untuk pemerhatian dari Bumi.
Ciri tersendiri sinaran latar belakang gelombang mikro kosmik ialah keseragamannya
keamatan dalam semua arah (isotropi). Fakta inilah yang memungkinkan untuk mengasingkan sinaran yang lemah sehingga tidak dapat dikaitkan dengan mana-mana objek atau kawasan di langit.
Nama "radiasi relik" diberi kerana sinaran ini mestilah tinggalan
sinaran Alam Semesta, yang wujud pada era ketumpatan tingginya, apabila ia
adalah legap kepada sinarannya sendiri. Pengiraan menunjukkan bahawa ini sepatutnya
berlaku pada ketumpatan r > 10-20 g/cm3 (purata kepekatan atom
kira-kira 104 cm -3), i.e. apabila ketumpatan adalah bilion kali lebih tinggi daripada hari ini.
Oleh kerana ketumpatan berbeza berkadar songsang dengan kubus jejari, maka, andaikan
pengembangan Alam Semesta pada masa lalu adalah sama seperti sekarang, kita dapati itu dalam era
kelegapan, semua jarak di Alam Semesta adalah 1000 kali lebih kecil. Panjang gelombang l adalah sama bilangan kali lebih kecil. Oleh itu, quanta, yang kini mempunyai panjang gelombang 1 mm, sebelum ini mempunyai panjang gelombang kira-kira 1 μ, sepadan dengan sinaran maksimum pada suhu kira-kira 3000 °K.
Oleh itu, kewujudan sinaran latar belakang gelombang mikro kosmik bukan sahaja menunjukkan kepadatan tinggi Alam Semesta pada masa lalu, tetapi juga suhu tingginya (model "panas" Alam Semesta).
Mengenai sama ada Alam Semesta berada dalam keadaan yang lebih padat, disertai oleh
suhu yang jauh lebih tinggi, pada dasarnya seseorang boleh menilai
berdasarkan kajian serupa neutrino peninggalan. Bagi mereka, kelegapan
Alam semesta sepatutnya berlaku pada ketumpatan r " 107 g/cm3, yang hanya boleh
pada peringkat yang agak awal perkembangan Alam Semesta. Seperti dalam kes tersebut
sinaran latar belakang gelombang mikro kosmik, apabila, disebabkan pengembangan, Alam Semesta masuk ke
keadaan dengan ketumpatan yang lebih rendah, neutrino berhenti berinteraksi dengan seluruh bahan, seolah-olah "berpisah" daripadanya, dan kemudiannya hanya mengalami anjakan merah kosmologi akibat pengembangan. Malangnya, pengesanan neutrino sedemikian, yang pada masa ini mesti mempunyai tenaga hanya beberapa sepuluh perseribu volt elektron, tidak mungkin dilakukan dalam masa terdekat.
Kosmologi, pada dasarnya, membolehkan kita mendapatkan idea yang paling umum
undang-undang struktur dan perkembangan Alam Semesta. Sangat mudah untuk memahami betapa besarnya
Bahagian astronomi ini penting untuk pembentukan yang betul
pandangan dunia materialistik. Dengan mengkaji undang-undang seluruh Alam Semesta secara keseluruhan, kita memahami dengan lebih mendalam lagi sifat-sifat jirim, ruang dan masa. Sebahagian daripada mereka,
contohnya, sifat ruang dan masa fizikal sebenar secara besar-besaran
skala, hanya boleh dikaji dalam kerangka kosmologi. Oleh itu, keputusannya adalah sangat penting bukan sahaja untuk astronomi dan fizik, yang mendapat peluang untuk menjelaskan undang-undang mereka, tetapi juga untuk falsafah, yang memperoleh bahan yang luas untuk generalisasi undang-undang dunia material.
Sintesis unsur
Pada awal 40-an, mereka cuba menggunakan idea Big Bang untuk menerangkan asal usul unsur kimia. Penyelidik Amerika R. Alpher, G. Gamow dan R. Herman mencadangkan bahawa pada peringkat terawal kewujudannya, Alam Semesta adalah segumpal gas neutron super tumpat (atau, seperti yang mereka panggil, "ilema"). Walau bagaimanapun, kemudiannya, telah ditunjukkan bahawa beberapa unsur berat boleh terbentuk di bahagian dalam bintang disebabkan oleh kitaran tindak balas nuklear, jadi keperluan untuk "ilem" seolah-olah hilang.
Penjelasan komposisi kimia Cosmos tidak lama kemudian membawa kepada kontroversi. Jika kita mengira berapa banyak hidrogen dalam bintang-bintang Galaxy kita sepatutnya "terbakar" menjadi helium semasa kewujudannya (10 bilion tahun), ternyata jumlah helium yang diperhatikan adalah 20 kali lebih besar daripada yang diperoleh mengikut pengiraan teori. Ini bermakna sumber pembentukan helium seharusnya bukan sahaja sintesisnya di kedalaman bintang, tetapi juga beberapa proses lain yang sangat berkuasa. Akhirnya, kami terpaksa beralih semula kepada idea Big Bang dan mencari sumber helium yang berlebihan di dalamnya. Kali ini, kejayaan jatuh kepada bahagian ahli sains Soviet terkenal, Academician Ya. B. Zeldovich dan I. D. Novikov, yang dalam satu siri karya terperinci mengesahkan secara terperinci teori Big Bang dan Alam Semesta yang berkembang ( Ya. V. Zeldovich, I. D. Novikov. Struktur dan evolusi Alam Semesta. M., Nauka, 1975). Peruntukan utama teori ini adalah seperti berikut.
Pengembangan Alam Semesta bermula dengan ketumpatan yang sangat tinggi dan suhu yang sangat tinggi. Pada awal kewujudannya, Alam Semesta menyerupai makmal tenaga tinggi dan suhu tinggi. Tetapi ini, tentu saja, adalah makmal yang tidak mempunyai analogi duniawi.
"Permulaan" Alam Semesta, iaitu keadaannya, sepadan, mengikut pengiraan teori, dengan jejari yang hampir dengan sifar, setakat ini mengelak walaupun perwakilan teori. Hakikatnya ialah persamaan astrofizik relativistik kekal sah sehingga ketumpatan tertib 10 93 g/cm3. Alam Semesta, yang dimampatkan kepada ketumpatan sedemikian, pernah mempunyai jejari kira-kira satu persepuluh bilion sentimeter, iaitu saiznya setanding dengan proton! Suhu alam semesta mikro ini, yang, dengan cara itu, beratnya tidak kurang daripada 10 51 tan, adalah sangat tinggi dan, nampaknya, hampir 10 32 darjah. Ini adalah bagaimana Alam Semesta kelihatan seperti pecahan yang tidak ketara sesaat selepas permulaan "letupan". Pada "permulaan" itu sendiri, kedua-dua ketumpatan dan suhu bertukar kepada infiniti, iaitu "permulaan" ini menggunakan terminologi matematik, ialah titik "tunggal" khas yang mana persamaan fizik teori moden kehilangan makna fizikalnya. Tetapi ini tidak bermakna bahawa tidak ada apa-apa sebelum "permulaan": kita tidak boleh bayangkan Apa adalah sebelum "permulaan" konvensional Alam Semesta.
Dalam hidup kita, sesaat adalah selang yang tidak penting. Pada saat-saat pertama kehidupan Alam Semesta (secara konvensional dikira dari "permulaan"), banyak peristiwa berlaku dalam detik pertama. Istilah "pengembangan" di sini kelihatan terlalu lemah dan oleh itu tidak sesuai. Tidak, ia bukan pengembangan, tetapi letupan yang kuat.
Menjelang akhir seratus ribu saat selepas "permulaan", Alam Semesta dalam jilid mikronya mengandungi campuran zarah asas: nukleon dan antinukleon, elektron dan positron, serta meson, quanta cahaya (foton). Dalam campuran ini, menurut Ya. B. Zeldovich, mungkin terdapat hipotesis (buat masa ini) graviton dan kuark ( Graviton dan kuark ialah zarah hipotesis; interaksi graviti dengan zarah lain menentukan medan graviti (ini adalah kuanta medan graviti); quark ialah "blok binaan asas", gabungannya menimbulkan semua jenis zarah. Banyak usaha dan wang telah dibelanjakan untuk mengesan kuark, tetapi mereka masih belum ditemui), tetapi peranan utama masih nampaknya milik neutrino.
Apabila "umur" Alam Semesta adalah sepersepuluh ribu saat, ketumpatan puratanya (10 14 g/cm3) sudah hampir dengan ketumpatan nukleus atom, dan suhu menurun kepada kira-kira beberapa bilion darjah. Pada masa ini, nukleon dan antinukleon telah berjaya memusnahkan, iaitu, saling dimusnahkan, bertukar menjadi kuanta sinaran keras. Hanya bilangan neutrino yang dihasilkan semasa interaksi zarah dikekalkan dan meningkat, kerana neutrino berinteraksi paling lemah dengan zarah lain. "Lautan" neutrino yang semakin meningkat ini mengasingkan zarah yang paling lama hidup - proton dan neutron - antara satu sama lain dan menyebabkan perubahan proton dan neutron kepada satu sama lain dan kelahiran pasangan elektron-positron. Tidak jelas apa yang menyebabkan penguasaan zarah seterusnya dan bilangan kecil antizarah di dunia kita. Mungkin atas sebab tertentu terdapat asimetri awal: bilangan antizarah sentiasa kurang daripada bilangan zarah, atau, seperti yang dipercayai oleh sesetengah saintis, terima kasih kepada mekanisme pemisahan yang belum diketahui, zarah dan antizarah disusun, tertumpu di bahagian yang berlainan Alam Semesta, dan antizarah di suatu tempat seperti ini mereka mendominasi (sebagai zarah mendominasi dunia kita), membentuk antidunia.
Menurut Ya. B. Zeldovich, “pada masa ini, terdapat quanta yang tertinggal di Alam Semesta yang kita amati, serta neutrino dan graviton, yang tidak dapat kita amati dengan cara moden dan, mungkin, tidak akan dapat diperhatikan oleh banyak orang. tahun.”
Mari kita sambung petikan:
"Jadi, dari masa ke masa, semua zarah di Alam Semesta" mati, hanya quanta yang kekal. Ini betul kepada dalam seratus juta. Tetapi pada hakikatnya terdapat satu proton atau neutron untuk setiap seratus juta quanta. Zarah-zarah ini terpelihara kerana ia - zarah yang tinggal - tidak mempunyai apa-apa untuk dimusnahkan (pada mulanya, nukleon, proton dan neutron dimusnahkan dengan antizarahnya). Terdapat sedikit daripada mereka, tetapi ia adalah daripada zarah-zarah ini, dan bukan dari quanta, bahawa Bumi dan planet-planet, Matahari dan bintang-bintang terdiri" ( Bumi dan Alam Semesta, 1969, No. 3, hlm. 8 (Ya. B. Zeldovich. Hot Universe)).
Apabila usia Alam Semesta mencapai sepertiga saat, ketumpatan menurun kepada 10 7 g/cm3, dan suhu menurun kepada 30 bilion darjah. Pada masa ini, menurut Ahli Akademik V.L. Ginzburg, neutrino dipisahkan daripada nukleon dan tidak lagi diserap olehnya. Hari ini, neutrino "utama" yang mengembara di angkasa lepas sepatutnya mempunyai tenaga hanya beberapa sepuluh perseribu elektronvolt. Kami tidak tahu bagaimana untuk mengesan neutrino sedemikian: untuk melakukan ini, sensitiviti peralatan moden mesti ditingkatkan ratusan ribu kali. Jika ini boleh dilakukan, neutrino "utama" akan membawa kita maklumat berharga tentang detik pertama kehidupan Alam Semesta.
Menjelang penghujung detik pertama, Alam Semesta telah mengembang kepada saiz kira-kira seratus kali lebih besar daripada saiz Sistem Suria moden, yang diameternya ialah 15 bilion km. Kini ketumpatan bahannya ialah 1 t/cm3, dan suhunya adalah kira-kira 10 bilion darjah. Tiada apa-apa di sini yang menyerupai ruang moden lagi. Tiada atom dan nukleus atom yang biasa kepada kita, dan tiada zarah asas yang stabil.
Hanya 0.9 saat sebelum ini, pada suhu 100 bilion darjah, terdapat bilangan proton dan neutron yang sama. Tetapi apabila suhu menurun, neutron yang lebih berat mereput menjadi proton, elektron dan neutrino. Ini bermakna bilangan proton di Alam Semesta telah meningkat secara berterusan, dan bilangan neutron telah berkurangan.
Umur Alam Semesta ialah tiga setengah minit. Pengiraan teori menetapkan suhu pada masa ini pada 1 bilion darjah dan ketumpatan sudah seratus kali kurang daripada ketumpatan air. Saiz Alam Semesta dalam hanya tiga setengah minit meningkat daripada hampir sifar kepada 40 sv. tahun ( Untuk pengembangan ruang, kelajuan cahaya bukanlah had). Keadaan telah dicipta di mana proton dan neutron mula bergabung ke dalam nukleus unsur paling ringan, terutamanya hidrogen. Beberapa penstabilan berlaku, dan pada penghujung minit keempat dari permulaan "letupan pertama," Alam Semesta terdiri daripada 70% hidrogen dan 30% helium mengikut jisim. Ini mungkin merupakan komposisi asal bintang paling purba. Unsur yang lebih berat timbul kemudiannya hasil daripada proses yang berlaku dalam bintang.
Sejarah Alam Semesta selanjutnya lebih tenang daripada permulaannya yang bergelora. Kadar pengembangan secara beransur-ansur perlahan, suhu, seperti ketumpatan purata, secara beransur-ansur berkurangan, dan apabila Alam Semesta berusia sejuta tahun, suhunya menjadi sangat rendah (3500 darjah Kelvin) sehingga proton dan nukleus atom helium sudah boleh menangkap bebas. elektron dan bertukar menjadi atom neutral. Dari saat ini, peringkat moden evolusi Alam Semesta pada dasarnya bermula. Galaksi, bintang, planet muncul. Akhirnya, selepas berbilion tahun, Alam Semesta menjadi seperti yang kita lihat.
Mungkin sesetengah pembaca, yang kagum dengan angka yang sangat besar, jauh dari realiti biasa, akan berfikir bahawa sejarah Alam Semesta, yang dilukis dalam istilah yang paling umum, hanyalah abstraksi teori, jauh dari realiti. Tetapi itu tidak benar. Teori alam semesta yang berkembang menerangkan kemelesetan galaksi. Ia disahkan oleh banyak data moden tentang ruang. Akhirnya, satu lagi pengesahan eksperimen yang sangat meyakinkan tentang keadaan super panas Alam Semesta purba ditemui baru-baru ini.
Plasma utama yang pada mulanya memenuhi Alam Semesta terdiri daripada zarah asas dan kuanta radiasi, atau foton - ia adalah gas foton yang dipanggil. Pada mulanya, ketumpatan sinaran dalam "alam semesta mikro" adalah sangat tinggi, tetapi apabila ia berkembang, "gas foton" secara beransur-ansur menyejuk. Ini akan menyejukkan udara panas di dalam beberapa volum tertutup yang terus berkembang.
Pada masa kini, hanya kesan halus yang harus kekal dari "haba" utama. Tenaga kuanta "gas foton" utama telah menurun kepada nilai yang sepadan dengan suhu hanya beberapa darjah di atas sifar mutlak. Pada masa kini, "gas foton" utama harus memancarkan paling kuat dalam julat radio sentimeter.
Ini adalah ramalan teori. Tetapi mereka disahkan oleh pemerhatian. Pada tahun 1965, ahli fizik radio Amerika menemui pancaran radio hingar pada gelombang 7.3 cm. Pancaran ini datang secara seragam dari semua titik di langit dan jelas tidak dikaitkan dengan mana-mana sumber radio kosmik diskret. Stesen radio duniawi mahupun gangguan yang dihasilkan oleh peralatan radio tidak patut dipersalahkan.
Oleh itu, sinaran latar belakang gelombang mikro kosmik Alam Semesta telah ditemui, sisa suhu asalnya yang tidak dapat dibayangkan tinggi. Oleh itu, model "panas" Alam Semesta utama, yang dikira secara teori oleh Ya. B. Zeldovich dan pelajarnya, telah disahkan.
Jadi, nampaknya, Alam Semesta dilahirkan sebagai hasil daripada "letupan pertama" yang kuat. Daripada jumlah jirim dan sinaran yang tidak ketara, tetapi sangat berat, sangat padat, sangat panas, selama beberapa bilion tahun, apa yang kini kita panggil Angkasa telah timbul.
Apabila Alam Semesta berkembang daripada gumpalan jirim yang sangat kecil tetapi tidak dapat dibayangkan kepada dimensi kosmik, bolanya yang gergasi, masih sangat panas dan sangat padat mungkin hancur menjadi banyak "serpihan". Ini boleh menjadi akibat, sebagai contoh, kepelbagaian bola dan kadar proses yang berbeza yang berlaku di dalamnya.
Setiap "serpihan", yang terdiri daripada jirim prabintang dengan rizab tenaga yang sangat besar, seterusnya hancur dari masa ke masa. Ada kemungkinan bahawa produk pereputan adalah quasar - embrio galaksi. Seperti yang diyakini oleh Ahli Akademik V.A. Ambartsumyan dan penyelidik lain, teras quasar (serta teras galaksi) mengandungi jirim prabintang, yang sifatnya belum dapat ditentukan, dan lapisan luarnya terdiri daripada plasma dan gas, yang ketumpatannya adalah hanya beberapa kali lebih tinggi daripada ketumpatan jirim dalam galaksi. Jika ini berlaku, maka kita mesti mengakui bahawa "letupan pertama" dan letupan sekunder berikutnya yang dikeluarkan ke angkasa bukan sahaja "serpihan" bahan prabintang, tetapi juga bahan meresap - plasma, gas dari mana bahan habuk terbentuk. Pada masa yang sama, seseorang mesti berfikir bahawa kandungan awal bahan gas dan debu di Alam Semesta adalah jauh lebih tinggi daripada sekarang.
Walau apa pun, mengikut idea moden kita, sehingga peringkat kemunculan galaksi, proses letupan berlaku di Alam Semesta. Tetapi seperti yang telah kita lihat, proses letupan juga merupakan ciri peringkat galaksi, walaupun keamatannya berkurangan dalam proses evolusi galaksi - daripada manifestasi tenaga yang ganas dalam galaksi Markarian dan Seyfert kepada aliran keluar bahan yang tenang dari teras galaksi. seperti kita. Oleh itu, teori Alam Semesta yang berkembang mungkin serasi dengan konsep Akademik Ambartsumyan, yang, berdasarkan penemuannya sendiri dan penemuan rakan sekerjanya, serta karya ahli astronomi asing, memperluaskan idea kreatif. letupan kepada proses pembentukan bintang. Menurut konsep ini, semua objek kosmik yang kita kenali (galaksi, bintang, nebula debu gas) dilahirkan dalam proses letupan daripada rumpun jirim prabintang yang sangat padat yang dipenuhi dengan rizab tenaga yang besar. Itulah sebabnya mengapa bintang muncul dalam bentuk kumpulan yang berkembang, pada mulanya padat yang terdiri daripada beribu-ribu atau berjuta-juta bintang. Hipotesis ini nampaknya kepada pengarang yang paling berkemungkinan daripada semua yang lain, dan oleh itu dia mencadangkan "silsilah" berikut untuk semua objek angkasa.
"Atom Primer," iaitu, Alam Semesta dalam keadaan superdense primer, dan bola api utama adalah nenek moyangnya yang paling jauh, yang, tentu saja, memberikan, sebagai tambahan kepada planet-planet, hampir tidak terkira banyaknya keturunan semua objek kosmik.
Beberapa serpihan bola api mungkin telah menjadi teras embrio Galaxy kita dan, dari masa ke masa, memperoleh populasi bintang. Teras galaksi embrio ini dan, mungkin, persatuan bintang yang berputar daripadanya, termasuk Matahari, adalah "saudara" Bumi seterusnya, lebih dekat dengan kita pada masanya.
Skim yang dicadangkan untuk evolusi kosmos daripada "atom pertama" kepada bintang hanyalah hipotesis yang tertakluk kepada pembangunan dan ujian selanjutnya. Setakat ini, tiada teori transformasi "jirim pra-bintang" hipotesis kepada objek angkasa yang boleh diperhatikan wujud, dan keadaan ini merupakan salah satu titik lemah dalam konsep V. A. Ambarsumyan.
Sebaliknya, kelahiran bintang melalui pemeluwapan gas jarang dan bahan debu tidak boleh dianggap mustahil secara mutlak; sebaliknya, kebanyakan ahli astronomi masih mematuhi hipotesis "kondensasi" sedemikian. Pengumpulan gas dan habuk gergasi mungkin timbul pada peringkat letupan "sekunder" "serpihan letupan utama." Ia boleh diandaikan bahawa taburan jirim di dalamnya pada mulanya tidak sekata. Beberapa putaran umum gugusan tersebut mungkin menghasilkan medan magnet yang kuat di dalamnya, yang menyebabkan struktur awan gas dan debu boleh menjadi berserabut. Di bawah pengaruh daya graviti dalam pengembangan (nod) "gentian" ini, kepekatan jirim boleh bermula, yang membawa kepada kemunculan seluruh keluarga bintang.
Konsep ini masih dianuti oleh kebanyakan pengkaji, walaupun ia juga mempunyai kelemahan. Adalah agak mungkin bahawa kedua-dua konsep ("meletup" dan "kondensasi") tidak mengecualikan, tetapi saling melengkapi: selepas semua, semasa pereputan bahan prabintang, bukan sahaja bintang, tetapi juga nebula muncul. Mungkin perkara nebula ini suatu hari nanti akan berfungsi (atau telah berkhidmat berkali-kali) sebagai bahan permulaan untuk pemeluwapan bintang dan planet? Hanya penyelidikan masa depan akan dapat memberikan kejelasan lengkap kepada isu ini.
Teori Big Bang, yang dibangunkan oleh Ya. B. Zeldovich dan N. D. Novikov, menerangkan dengan sempurna "kelebihan" helium di Alam Semesta. Mengikut pengiraan mereka baru-baru ini, sudah 100 saat selepas permulaan pengembangan, Alam Semesta mengandungi 70% hidrogen dan kira-kira 30% helium. Selebihnya helium dan unsur yang lebih berat muncul semasa evolusi bintang.
Walaupun kejayaan besar ini, cakrawala untuk teori Big Bang sama sekali tidak suram. Baru-baru ini, beberapa fakta telah ditemui yang tidak sesuai dengan kerangka teori ini ( Untuk butiran lanjut, lihat buku: V. P. Chechev, Ya. M. Kramarovsky. Radioaktiviti dan evolusi alam semesta. M., Nauka, 1978). Sebagai contoh, galaksi diketahui dengan jelas berhubung secara fizikal antara satu sama lain dan terletak pada jarak yang sama dari kita, tetapi pada masa yang sama mempunyai "anjakan merah" yang berbeza dengan ketara (kadang-kadang 13 kali!). Satu lagi perkara yang tidak jelas ialah mengapa, pada jarak yang sama, galaksi lingkaran sentiasa mempunyai "anjakan merah" yang lebih besar daripada galaksi elips. Menurut beberapa data, ternyata dalam arah yang berbeza kadar pengembangan, "bengkak" Alam Semesta tidak sama, yang bercanggah dengan idea-idea yang lazim sebelum ini tentang bentuk "sfera" yang ketat dari dunia yang berkembang?
Akhirnya, baru-baru ini menjadi jelas bahawa halaju galaksi berbanding latar belakang CMB adalah sangat kecil. Mereka diukur bukan dalam ribuan dan puluhan ribu kilometer sesaat, seperti berikut dari teori Alam Semesta yang berkembang, tetapi hanya dalam ratusan kilometer sesaat. Ternyata galaksi secara praktikal dalam keadaan tenang berbanding dengan latar belakang peninggalan Alam Semesta, yang atas beberapa sebab boleh dianggap sebagai kerangka rujukan mutlak ( Untuk butiran lanjut, lihat buku: Pembangunan kaedah penyelidikan astronomi (A. A. Efimov. Astronomi dan prinsip relativiti). M., Nauka, 1979, hlm. 545).
Bagaimana untuk mengatasi kesukaran ini masih tidak jelas. Jika ternyata "anjakan merah" dalam spektrum galaksi bukan disebabkan oleh kesan Doppler, tetapi oleh beberapa proses lain yang belum diketahui oleh kita, gambar rajah yang dilukis tentang asal usul unsur kimia mungkin ternyata tidak betul. Walau bagaimanapun, kemungkinan besar Big Bang bukanlah ilusi, tetapi realiti, dan teori Alam Semesta yang "panas" berkembang adalah salah satu pencapaian sains yang paling penting pada abad ke-20.
Sebagai kesimpulan, kami perhatikan bahawa tidak kira apa pandangan tentang evolusi Alam Semesta yang dipatuhi, fakta yang tidak dapat dipertikaikan tetap tidak tergoyahkan - kita hidup dalam Dunia yang tidak stabil secara kimia, yang komposisinya sentiasa berubah.
Apabila uranium dihujani dengan neutron haba, unsur-unsur yang lebih ringan dengan nombor siri 35-65 terbentuk daripadanya: ini membawa kepada harapan bahawa isotop unsur 43 dan 61 juga akan ditemui di antara serpihan. Jika kita mengimbas kembali keadaan isu mendapatkan elemen 43, 61, serta 85 dan 87 pada tahun 1930, kemajuan yang ketara dapat dilihat. Pertama sekali, syak wasangka telah disahkan bahawa unsur 43 dan 61 adalah bahan tidak stabil yang telah "pupus." Bagi unsur 85 dan 87, ia telah lama diiktiraf sebagai bahan radioaktif yang reput.
Pada tahun 1934, ahli fizik Joseph Mattauch menemui peraturan empirikal yang membolehkan seseorang menganggarkan kestabilan nukleus isotop. Menurut peraturan Mattauch, isotop stabil kedua tidak boleh wujud jika cas nukleusnya berbeza hanya dengan satu daripada cas nukleus isotop stabil yang diketahui dengan nombor jisim yang sama. Corak ini melengkapkan peraturan Harkins, mengikut mana unsur-unsur dengan nombor siri ganjil (iaitu, bilangan proton dan elektron ganjil) adalah kurang biasa di Bumi, kerana kestabilan nukleusnya rendah.
Berhubung dengan unsur 43 dan 61, peraturan Mattauch boleh dinyatakan seperti berikut. Berdasarkan kedudukannya dalam jadual berkala, nombor jisim unsur 43 hendaklah kira-kira 98, dan untuk unsur 61 - kira-kira 147. Walau bagaimanapun, isotop stabil sudah diketahui untuk unsur 42 dan 44, serta untuk unsur 60 dan 62 dengan jisim dari 94 hingga 102 dan, dengan itu, dari 142 hingga 150. Oleh kerana isotop stabil kedua dengan nombor jisim yang sama tidak boleh wujud, unsur 43 dan 61 mesti mempunyai hanya wakil yang tidak stabil. Tidak dinafikan bahawa unsur 43 dan 61 pernah wujud di Bumi dalam kuantiti yang mencukupi. Apabila sistem suria kita timbul, semua unsur terbentuk melalui gabungan proton dan neutron. Walau bagaimanapun, semasa kewujudan Bumi - 4.6 bilion tahun - wakil mereka yang tidak stabil secara beransur-ansur hilang sepenuhnya. Satu-satunya pengecualian ialah unsur radioaktif yang boleh sentiasa diisi semula dalam siri radioaktif semula jadi, kerana bahan induknya - uranium atau torium - masih wujud di Bumi, berkat separuh hayatnya selama berbilion tahun. Elemen 43 dan 61 tidak tergolong dalam siri radioaktif semula jadi ini. Hanya jika isotop tahan lama unsur-unsur ini tersedia, seseorang boleh berharap untuk mengesan kesan radiokimia daripadanya.
Semasa beberapa saintis masih mengejar transuranium palsu, penyelidik lain berjaya menemui unsur-unsur yang diidamkan 43 dan 87. Berikut adalah kisah penemuan mereka... Pada tahun 1936, Emilio Segre meninggalkan Fermi dan rakan-rakannya selepas perkahwinannya dan pergi ke Palermo, the bekas ibu kota Sicily. Di universiti di sana dia ditawarkan kerusi fizik. Di Palermo, dengan penyesalannya yang besar, Segre tidak dapat meneruskan penyelidikan yang dimulakan dengan Fermi. Universiti itu tidak mempunyai sebarang peralatan untuk penyelidikan radioaktif. Setelah membuat keputusan dengan cepat, saintis Itali itu pergi ke Amerika untuk berkenalan dengan Universiti California di Berkeley, yang terkenal dengan peralatan terbaik. Pada masa itu, satu-satunya siklotron di dunia terletak di sana. "Sumber radioaktiviti yang saya lihat benar-benar menakjubkan bagi seseorang yang sebelum ini hanya bekerja dengan sumber Ra-Be," kata ahli fizik itu.
Segrè amat berminat dengan plat pesongan siklotron. Ia terpaksa mengarahkan aliran zarah dipercepatkan ke arah yang diperlukan. Disebabkan perlanggaran dengan zarah tenaga tinggi - deuteron dipercepatkan - plat ini menjadi sangat panas. Oleh itu, ia perlu dibuat daripada logam refraktori - molibdenum. Tetamu dari Itali mengalihkan perhatiannya kepada molibdenum logam ini, dihujani oleh deuteron. Segre mencadangkan bahawa isotop unsur 43 yang masih tidak diketahui mungkin boleh dibentuk daripada molibdenum, unsur 42, akibat pengeboman dengan deuteron. Mungkin, mengikut persamaan:
Mo + D = X + n
Molibdenum semulajadi ialah campuran enam isotop stabil. Segre mencadangkan: bagaimana jika salah satu daripada enam kemungkinan isotop radioaktif unsur 43, di mana molibdenum secara teori boleh bertukar - sekurang-kurangnya satu - ternyata cukup lama untuk menahan pelayaran laut ke Sicily. Bagi ahli fizik Itali berhasrat untuk mencari unsur 43 hanya di institut di tanah airnya.
Penyelidik itu bertolak dalam perjalanan pulang dengan membawa sekeping plat molibdenum di dalam poketnya dari siklotron Berkeley. Pada penghujung Januari 1937, beliau memulakan penyelidikan dengan sokongan ahli mineralogi dan ahli kimia analitik Perrier. Kedua-duanya, sememangnya, menemui atom radioaktif yang sifat kimianya boleh diletakkan di antara mangan dan renium. Kuantiti ekamangan yang dihidupkan semula secara buatan di Bumi sekali lagi terima kasih kepada genius penerokaan manusia adalah sangat kecil: dari 10-10 hingga 10-12 g unsur ke-43!
Apabila, pada Julai 1937, Segret dan Perrier melaporkan tentang sintesis unsur buatan pertama, yang telah lama pupus di Bumi, ia adalah hari yang tercatat dalam sejarah. Untuk elemen 43, nama yang sangat tepat kemudian dijumpai: technetium, berasal dari technetos Yunani - buatan. Adakah mungkin untuk mendapatkannya dalam kuantiti yang banyak dan memegangnya di tangan anda? Tidak lama lagi mungkin untuk menjawab soalan ini secara positif apabila didapati bahawa pembelahan uranium menghasilkan isotop 43 dengan hasil yang agak tinggi. Isotop dengan nombor jisim 101 dan separuh hayat 14 minit menarik perhatian khusus. Diandaikan bahawa bahan Fermi dengan separuh hayat 13 minit, unsur khayalan 93, sepatutnya menjadi isotop unsur 43.
Siri radioaktif semula jadi mempunyai bentuk muktamad - tiada orang lain yang berani meraguinya, terutamanya selepas pengenalan spektrografi jisim uranium-235 oleh Dempster. Walau bagaimanapun, terdapat titik lemah dalam siri uranium-aktinium. Lebih daripada dua puluh tahun telah berlalu sejak "ketidaktepatan" diperhatikan dalam siri ini, yang hampir dilupakan. Pada tahun 1913/1914, ahli kimia Inggeris Cranston dan penyelidik radioaktiviti Austria Mayer, Hess dan Paneth terjumpa percanggahan ini semasa mempelajari actinium. Sebagai pemancar beta, aktinium diketahui berubah menjadi radioaktinium, iaitu, menjadi isotop torium. Apabila saintis mengkaji proses transformasi, mereka sentiasa memerhatikan sinaran alfa yang lemah. Aktiviti sisa ini (kira-kira 1%) juga ditemui oleh Otto Hahn dalam eksperimen mengenai penghasilan aktinium tulen. "Saya tidak boleh membawa diri saya untuk melampirkan kepentingan kepada jumlah kecil ini," kata Khan kemudian. Dia percaya ia kemungkinan besar adalah kekotoran.
Beberapa tahun kemudian. Saintis Perancis Marguerite Perey, seorang pekerja Institut Radium terkenal di Paris, sekali lagi mengikuti jejak ini, dengan berhati-hati membersihkan pecahan aktinium dan pada September 1939 dapat melaporkan kejayaan pengasingan isotop radioaktif baru. Unsur 87 yang telah lama hilang, hasil sampingan pemancar alfa yang memberikan baki satu peratus aktiviti aktinium. Madame Perey menemui cawangan dalam siri yang telah siap, kerana isotop unsur 87 bertukar menjadi aktinium X dengan cara yang sama seperti radioaktinium yang terkenal. Atas cadangan Perey, elemen 87 dinamakan francium sebagai penghormatan kepada tanah airnya.
Benar, ahli kimia sehingga hari ini tidak mencapai banyak kejayaan dalam mengkaji unsur 87. Lagipun, semua isotop Perancis adalah jangka pendek dan reput dalam masa milisaat, saat atau minit. Atas sebab ini, unsur itu kekal "tidak menarik" untuk banyak kajian kimia dan kegunaan praktikal. Sekiranya perlu, ia diperoleh secara buatan. Sudah tentu, francium juga boleh "diperolehi" daripada sumber semula jadi, tetapi ini adalah usaha yang meragukan: 1 g uranium asli mengandungi hanya 10[-18] g fransium!
Apabila jadual berkala ditemui, 23 elemen telah hilang, kini hanya dua yang hilang: 61 dan 85. Bagaimanakah pemburuan unsur-unsur diteruskan? Pada musim panas 1938, Emilio Segra sekali lagi pergi ke Berkeley. Dia berhasrat untuk mengkaji isotop jangka pendek unsur 43. Sudah tentu, penyelidikan sedemikian perlu dilakukan di tapak. Isotop dengan separuh hayat pendek tidak akan "bertahan" dalam perjalanan ke Itali. Sebaik sahaja dia tiba di Berkeley, Segre mengetahui bahawa kembali ke Itali fasis telah menjadi mustahil baginya kerana keganasan kaum. Segrè kekal di Berkeley dan meneruskan kerjanya di sana.
Di Berkeley, dengan siklotron yang lebih berkuasa, adalah mungkin untuk mempercepatkan zarah alfa kepada tenaga tinggi. Selepas mengatasi apa yang dipanggil ambang interaksi Coulomb, zarah alfa ini dapat menembusi walaupun nukleus atom berat. Kini Segre melihat peluang untuk mengubah bismut, unsur 83, kepada unsur yang tidak diketahui 85. Bersama-sama dengan orang Amerika Corson dan Mackenzie, beliau membedil nukleus bismut dengan zarah alfa dengan tenaga 29 MeV untuk menjalankan proses berikut:
Bi + Dia = X + 2n
Reaksi itu menjadi kenyataan. Apabila penyelidik menyelesaikan kerja bersama pertama mereka, pada 1 Mac 1940, mereka hanya dengan berhati-hati menyatakan idea "kemungkinan pengeluaran isotop radioaktif unsur 85." Tidak lama selepas ini, mereka sudah pasti bahawa unsur 85 telah dihasilkan secara buatan sebelum ia ditemui di alam semula jadi. Yang terakhir ini cukup bernasib baik untuk dilakukan hanya beberapa tahun kemudian oleh wanita Inggeris Leigh-Smith dan Swiss Minder dari Institut di Bern. Mereka dapat menunjukkan bahawa unsur 85 terbentuk dalam siri radioaktif torium hasil daripada proses sampingan. Untuk elemen terbuka mereka memilih nama Anglo-Helvetius, yang dikritik sebagai karut lisan. Penyelidik Austria Karlik dan rakan kongsinya Bernert tidak lama kemudian menemui unsur 85 dalam siri radioaktiviti semula jadi yang lain, juga sebagai produk sampingan. Walau bagaimanapun, hak untuk memberi nama kepada unsur ini, yang hanya terdapat dalam jejak, kekal dengan Segrè dan rakan-rakannya: kini ia dipanggil astatin, yang bermaksud tidak stabil dalam bahasa Yunani. Lagipun, isotop paling stabil unsur ini mempunyai separuh hayat hanya 8.3 jam.
Pada masa ini, Profesor Segre juga cuba mensintesis unsur 61. Sementara itu, menjadi jelas bahawa kedua-dua jiran unsur ini pada jadual berkala, neodymium dan samarium, adalah radioaktif yang lemah. Pada mulanya ini kelihatan mengejutkan, kerana pada masa itu dipercayai bahawa radioaktiviti adalah wujud dalam unsur-unsur yang paling berat. Neodymium, unsur 60, memancarkan sinar beta dan oleh itu mestilah telah ditukar kepada unsur 61. Fakta bahawa unsur kimia yang tidak diketahui ini masih belum dapat diasingkan mungkin disebabkan oleh pereputan radioaktifnya yang cepat. Apa nak buat? Di sini penyelesaiannya sekali lagi untuk mendapatkan unsur yang dikehendaki secara buatan. Memandangkan unsur 61 tidak ditemui dalam alam semula jadi, ahli fizik cuba mensintesiskannya.
Pada 1941/42, saintis Lowe, Poole, Quill dan Kurbatov dari Ohio State University membedil neodymium unsur nadir bumi dengan deuteron yang dipercepatkan dalam siklotron. Mereka menemui isotop radioaktif unsur baru, yang mereka panggil siklonium. Walau bagaimanapun, ini hanya tinggal jejak pada filem itu.
Apakah kejayaan Emilio Segra? Dia menyinari praseodymium, unsur 59, dengan sinar alfa. Walau bagaimanapun, pemprosesan isotop unsur 61 yang pastinya disintesisnya ternyata terlalu sukar. Pengasingan mereka daripada unsur nadir bumi yang lain gagal.
Satu kajian tidak konklusif dilaporkan dari Finland. Kembali pada tahun 1935, ahli kimia Eremetse mula menganalisis kepekatan campuran samarium dan oksida neodymium untuk kandungan semula jadi unsur ke-61. Beberapa tan apatit telah diproses untuk tujuan ini.
Peringkat pertama perebutan elemen ke-61 mendapat keputusan seri. Ia adalah mustahil untuk menerima nama yang dicadangkan "siklonium".
Unsur terakhir yang ditemui dalam alam semula jadi sebelum ia disintesis secara buatan ialah francium (1939). Unsur kimia pertama yang disintesis ialah technetium pada tahun 1937. Sehingga 2012, unsur-unsur sehingga ununoctium dengan nombor atom 118 telah disintesis melalui gabungan atau pembelahan nuklear, dan percubaan telah dibuat untuk mensintesis unsur transuranium superberat berikut. Sintesis transactinoids dan superactinoids baru diteruskan.
Makmal yang paling terkenal yang telah mensintesis beberapa unsur baru dan beberapa puluh atau ratusan isotop baru ialah Makmal Kebangsaan. Lawrence Berkeley dan Makmal Kebangsaan Livermore di Amerika Syarikat, Institut Bersama Penyelidikan Nuklear di USSR/Rusia (Dubna), Pusat Helmholtz Eropah untuk Penyelidikan Ion Berat di Jerman, Makmal Cavendish Universiti Cambridge di UK, Institut Penyelidikan Fizikal dan Kimia di Jepun dan yang lain baru-baru ini Selama beberapa dekad, pasukan antarabangsa telah mengusahakan sintesis unsur-unsur di pusat Amerika, Jerman dan Rusia.
- 1 Membuka elemen yang disintesis mengikut negara
- 1.1 USSR, Rusia
- 1.2 Amerika Syarikat
- 1.3 Jerman
- 1.4 Keutamaan yang dipertandingkan dan keputusan bersama
- 1.4.1 Amerika Syarikat dan Itali
- 1.4.2 USSR dan Amerika Syarikat
- 1.4.3 Rusia dan Jerman
- 1.4.4 Rusia dan Jepun
- 2 Nota
- 3 Pautan
Penemuan unsur yang disintesis mengikut negara
USSR, Rusia
Unsur nobelium (102), flerovium (114), ununpentium (115), livermorium (116), ununseptium (117), ununoctium (118) telah disintesis di USSR dan Rusia.
USA
Di Amerika Syarikat, unsur promethium (61), astatin (85), neptunium (93), plutonium (94), americium (95), kurium (96), berkelium (97), californium (98), einsteinium (99) , fermium (100), mendelevium (101), seaborgium (106).
Jerman
Unsur hassium (108), meitnerium (109), darmstadtium (110), roentgenium (111), dan copernicium (112) telah disintesis di Jerman.
Keutamaan yang dipertandingkan dan keputusan bersama
Bagi beberapa elemen, keutamaan diluluskan sama mengikut keputusan suruhanjaya bersama IUPAC dan IUPAP atau masih kontroversi:
Amerika Syarikat dan Itali
Technetium (43) - usaha kerjasama yang dihasilkan di pemecut di Berkeley, California dan dikenal pasti secara kimia di Palermo, Sicily.
USSR dan Amerika Syarikat
Lawrencium (103), rutherfordium (104), dubnium (105).
Rusia dan Jerman
Borius (107).
Rusia dan Jepun
Ununtriy (113).
Nota
- Emsley John. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. - New. - New York, NY: Oxford University Press, 2011. - ISBN 978-0-19-960563-7.
- Institut di Dubna menjadi yang keempat di dunia dalam bilangan isotop yang ditemui
- Kedudukan isotop mendedahkan makmal terkemuka eng.
- http://flerovlab.jinr.ru/rus/elements.html
- Nama sementara untuk elemen ke-115; nama Langevinia telah dicadangkan.
- Nama sementara untuk elemen ke-117;
- Nama sementara untuk elemen ke-118; Nama Moscovian telah dicadangkan.
- R. C. Barber et al. Penemuan unsur transfermium (Bahasa Inggeris) // Kimia Tulen dan Gunaan. - 1993. - T. 65. - No 8. - P. 1757-1814.
- Baru-baru ini saya telah berulang kali terpaksa menulis tentang keadaan dengan pelanggaran keutamaan saintis Soviet dalam sintesis superheavy
- Mengenai perlindungan keutamaan
- Kimia: Jadual Berkala: darmstadtium: maklumat sejarah
- http://element114.narod.ru/Projects/ao-iupac.html
- Mengenai perlindungan keutamaan
- Nama sementara untuk elemen ke-113; Nama-nama becquerelia, japonium, rykenium, dan nihonium telah dicadangkan.