Опыты с радиоактивными веществами показали, что самое сильное нагревание или охлаждение, высокое давление, самые активные химические реагенты, сильные электрические и магнитные поля никак не влияют на скорость радиоактивного распада. П. Кюри на основании количественных опытов установил экспоненциальный закон радиоактивного распада, который выражается следующим уравнением:

N_t = N₀e ^¯λt  , (10)

где N_t — число распадающихся атомов в какой-то момент t;

N₀ — число распадающихся атомов в начальный момент времени;

λ — постоянная распада, которая равняется —

где Т — период полураспада, т. е. время, в течение которого число распадающихся атомов уменьшается наполовину.

Величина периода полураспада является основной характеристикой каждого радиоактивного элемента и определяет время его жизни. Периоды полураспада всех известных радиоактивных изотопов изменяются от миллионных долей секунды до многих миллионов лет (рис. 12). Из рисунка видно, что максимальное число радиоизотопов имеет периоды полураспада от 30 сек до 10 дней.

В 1903 г. П. Кюри заметил, что при радиоактивном распаде выделяется тепло. Было установлено, что 1 г радия выделяет 136 малых калорий в час. Таким образом, при полном превращении в радон одного моля радия, равного 226 г, должно выделяться 10¹¹ малых калорий, что эквивалентно теплу, выделяющемуся при сгорании примерно 10 000 кг каменного угля.

Рис. 12. Распределение радиоактивных изотопов различного вида по периодам полураспада:

1 — α-распад; 2 — β-распад; 3 — изомерный переход; 4 — К-захват или β ⁺-распад.

Эти опыты впервые показали, что процессы радиоактивных превращений элементов сопровождаются выделением большого количества внутриатомной энергии, которая в несколько миллионов раз превышает энергию, выделяющуюся при обычных химических реакциях. Например, самая высокая экзотермическая реакция (т. е. реакция с выделением тепла) — образование одного моля воды из водорода и кислорода — сопровождается выделением лишь около 7·10⁴ малых калорий. Тепло, выделяемое долгоживущими естественными радиоактивными изотопами, играет большую роль в истории развития многих космических тел.

После того как мы познакомились с основными понятиями о химических элементах, атомах, с их составом и строением, без которых были бы непонятны основы теории синтеза элементов в звездах, необходимо рассмотреть некоторые характеристики космических тел и главным образом их химический состав.

Распространенность элементов и их изотопов — единственная характеристика, по которой мы можем судить о процессах, приведших к их образованию, и о последующей эволюции. Подобно тому, как по археологическим раскопкам восстанавливают историю народог так и по распространенности элементов в различны — космических телах на основании знания законов ядерных превращений можно изучать историю атомов — их рождение и изменение.

Глава вторая

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ В КОСМИЧЕСКИХ ТЕЛАХ

Наблюдения небесных тел ведутся уже несколько тысяч лет. Однако широкое и разностороннее изучение их началось только после создания телескопов, благодаря которым достигнуты современные успехи в области исследования различных космических тел. Сочетание телескопов с методами спектрального анализа, фотографии и регистрации различного рода излучений позволило получить сведения о строении и химическом составе звезд и других космических тел.

Новый этап в овладении космическим пространством и его изучении начался 4 октября 1957 г., когда был запущен первый советский искусственный спутник Земли. Этот день навсегда войдет в историю науки как начало новой эры истории человечества, эры освоения космоса. С помощью искусственных спутников Земли, ракет и космических кораблей впервые проведены чрезвычайно интересные исследования в верхних слоях атмосферы Земли и межпланетном пространстве. Полет первой космической ракеты на Луну ознаменовал новую эпоху в астрономии, которая с этого момента из науки чисто наблюдательной стала превращаться в науку экспериментальную.

В связи с тем, что только развитие теории внутреннего строения и эволюции звезд позволило выявить процессы образования химических элементов и найти космические тела, в которых они протекают, необходимо хотя бы очень кратко ознакомить читателя с основами современных представлений о звездных системах и различных космических телах, а также рассказать об их строении и химическом составе.

Галактики — это звездные системы, содержащие огромное число звезд. Наша Земля и солнечная система входят в состав галактики, называемой Млечным Путем. Это одна из многочисленных и разнообразных галактик, известных в настоящее время. Число открываемых галактик — а их сейчас около миллиарда — увеличивается с каждым годом. Например, только с помощью рефлектора Маунт-Паламарской обсерватории удалось обнаружить свыше 400 млн. галактик. Создание новых, более совершенных телескопов, безусловно, будет способствовать открытию новых звездных систем

Галактики имеют колоссальные размеры. Лучу света требуются десятки тысяч лет, чтобы пройти расстояние, равное поперечнику галактики средних размеров. Ближайшими к нам галактиками являются Большое и Малое Магеллановы Облака. Расстояние их от нашей планеты чрезвычайно велико и составляет около 160 000 световых лет (световой год равен 9,5 · 10¹² км). Они имеют размеры около 16 000 и 12 000 световых лет соответственно. Галактика, называемая туманностью Андромеды, имеет диаметр 70 000 световых лет. Лучи света, испущенные этой галактикой, достигают поверхности Земли только через 2 млн. лет.

Большинство галактик расположено значительно дальше и имеет меньшие размеры, чем туманность Андромеды. Расстояние до наиболее далеких галактик — около 1 млрд, световых лет. Галактики содержат от 1 до 100 и более млрд, звезд; массы отдельных галактик равны от 10⁴² до 10⁴⁵ г, однако преобладают галактики малых размеров.

Галактики различаются не только по числу звезд, но и по своей структуре. Сейчас обнаружено три типа галактик: спиральные (около 77 %), эллиптические (около 20 %) и неправильные (около 3 %)· Как мы увидим дальше, именно в неправильных галактиках протекают интенсивные процессы рождения новых звезд с одновременным выбрасыванием гигантских облаков газа в космическое пространство. Все это и обусловливает неправильную крючкообразную форму таких галактик, а также вихревые движения газа и межзвездной материи.

Неправильные галактики являются источниками сравнительно мощного радиоизлучения, по которому они в основном и обнаруживаются. Типичные представители таких галактик — Большое и Малое Магеллановы Облака. В неправильных галактиках замечено большое количество пыли.

Спиральные галактики — наиболее интересные объекты Вселенной. Внешний вид их с ветвями в виде спиралей, кажущимися нам из-за большой удаленности неподвижными, очень красив. Характерные представители такого типа галактик — туманность Андромеды, Млечный Путь и галактики в созвездиях Треугольника, Большой Медведицы и Гончих Псов.