KSE_Zhulanov_A_L

(классы F, G). Именно в определенную точку «главной последовательности» вновь образовавшиеся звезды «садятся» и в ней находятся до своей «старости».

В правом верхнем углу диаграммы находится группа звезд классов G, K, M с абсолютной величиной от +2 до -6 – «красные гиганты». Это звезды с довольно низкой, по сравнению с «голубыми гигантами», температурой наружных слоев. В левом нижнем углу диаграммы находится третья группа – «белые карлики» – звезды спектральных классов В, А, F с абсолютными величинами менее +10, то есть это горячие звезды небольшой массы и низкой светимости. При высокой температуре наружных слоев их низкая светимость объясняется малым радиусом, и, следовательно, небольшой поверхностью излучения. Согласно подсчетам, число «белых карликов» в нашей Галактике равно нескольким миллиардам и в десятки тысяч раз больше количества звезд-гигантов.

Звезды образуются из газово-пылевой туманности в результате ее конденсации под действием магнитных и гравитационных сил. При сжатии газа он разогревается до температур порядка 10-15 млн градусов, при которых начинаются термоядерные реакции синтеза ядер атомов гелия из атомов водорода. Образующаяся энергия термоядерного синтеза создает внутреннее давление, направленное против сил гравитационного сжатия, в результате в этом плазменном шаре возникает динамическое равновесие, продолжительность которого может составлять от нескольких миллионов лет (спектральные классы О, В) до нескольких десятков миллиардов лет (классы G, K, M). Это период стабильного существования звезды. Здесь действует простая закономерность: чем больше первоначальная масса звезды, тем быстрее она формируется, тем больше мощность ее излучения и тем меньшее время она находится в стационарном состоянии, т.е. находится на «главной последовательности».

Поскольку термоядерные процессы происходят в центральной части звезды, ее ядре, то по мере выгорания водорода ядерные процессы в нем прекращаются, а внутреннее давление, следовательно, уменьшается. Под действием гравитационных сил ядро, состоящее из гелия и других элементов, образовавшихся в результате термоядерных реакций, начнет сжиматься и разогреваться еще более. Но термоядерные процессы в звезде не прекратятся, они будут теперь происходить на периферии ядра за счет атомов водорода, содержащихся в наружной оболочке звезды. В результате

111

этих процессов светимость звезды будет увеличиваться, но вместе с тем ее наружная оболочка будет быстро разбухать, что приведет к значительному понижению ее температуры. В результате звезда сойдет с «главной последовательности» и превратится в «красный гигант». Такая перспектива ожидает Солнце примерно через 5–8 млрд лет. На этой стадии Солнце будет иметь диаметр орбиты Меркурия.

Дальнейшая эволюция звезды может пойти разными путями. Для одних звезд следующим этапом может быть «сбрасывание» наружной оболочки и превращение ее в «белый карлик», т.е. очень горячую звезду небольшого радиуса и чрезвычайно большой плотности. При таких условиях в ее недрах при температуре порядка 150 млн. градусов начнется новый цикл реакций термоядерного синтеза из ядер гелия более тяжелых химических элементов. Конечной стадией эволюции «белых карликов» в течение многих миллиардов лет являются «черные карлики», т.е. мертвые холодные тела огромной плотности вещества.

Другой сценарий развития звезд – вспышки Сверхновых, при которых выделяется энергии в тысячи раз больше, чем при появлении обычных новых звезд. Одна Сверхновая излучает света больше, чем миллиарды обычных звезд. Эти вспышки происходят в нашей Галактике примерно один раз в столетие. Результатом вспышки является образование туманностей (например, Крабовидная туманность). Туманности являются основным источником космических лучей и обогащают межзвездную среду тяжелыми элементами, затем вовлекаемыми в процесс образования новых звезд и планет. Наличие на Земле тяжелых металлов (например, никелистое железо, образующее ее ядро) свидетельствует о том, что Солнце – это звезда не первого поколения, а образовалось из материала ранее существовавших звезд.

Сверхновые бывают двух типов. Первый тип – это старые звезды с массой, немного превосходящей солнечную. Сверхновые второго типа – массивные молодые звезды спектрального класса О (с массой свыше двух солнечных масс), вспыхивающие в спиральных галактиках. В силу большой массы они не сбрасывают наружную оболочку, как обычные «красные гиганты», а начинают с огромной скоростью сжиматься под действием гравитационных сил (поскольку внутреннее давление ядра звезды стало небольшим в результате выгорания водорода). Это явление получило название

гравитационного коллапса (лат. collapsus – ослабевший, упавший).

112

При таком коллапсе может выделиться огромное количество энергии (порядка Мс2 , где М – масса звезды, с – скорость света. При ядерных реакциях выделяется только около 1% этой величины). Эта вспышка и будет наблюдаться как Сверхновая. Возможны два сценария дальнейшей эволюции коллапсирующей звезды.

Первый состоит в том, что по мере сжатия звезды растет ее внутреннее давление, которое уравновешивает силы сжатия, в результате чего центральная область звезды приходит в стационарное состояние, наружная оболочка сбрасывается, и возникает нейтронная звезда. Нейтронные звезды образуются в результате огромного внутреннего давления, которое как бы «вдавливает» электроны в протоны, вследствие чего они превращаются в нейтроны. Эти звезды быстро остывают, но вместе с тем являются источниками периодически повторяющихся радиоимпульсов, обусловленных быстрым вращением звезд вокруг своей оси. (После открытия этих объектов первоначально возникло предположение о том, что это сигналы внеземных цивилизаций). Теперь открыт целый класс космических источников импульсного электромагнитного излучения (пульсаров) в радио-, рентгеновском и гамма-диапазонах с периодичностью от сотых долей до сотен секунд.

Если же процесс сжатия звезды будет продолжаться, она превратится в коллапсар («черную дыру»), т. е. тело, сила тяготения внутри которого стремится к бесконечности, вследствие чего никакие частицы и никакое излучение не смогут выйти из него. Эта область будет восприниматься при наблюдениях как лишенная излучений, т.е. черная. Радиус коллапсара, называемый гравитационным, или Шварцшильдовским (по имени астрофизика М. Шварцшильда), ничтожно мал: для Солнца он был бы около 3 км, для Земли – 0,9 см.

Согласно современным научным данным, Солнце возникло примерно 5 млрд, а Земля – 4,8 - 4,6 млрд лет тому назад. Солнце принадлежит к семейству «желтых карликов», а звезды этого спектрального класса обладают большей стабильностью излучения и большей продолжительностью существования по сравнению, например, с голубыми гигантами, масса которых превосходит солнечную в десятки раз, а время стабильного излучения составляет всего несколько миллионов лет. Звезды с массой, близкой к солнечной, могут находиться в стационарном состоянии порядка 1015 млрд лет. За время жизни Солнце «истратило» на излучение только около 10% своего запаса водорода. Таким образом,

113

термоядерная реакция синтеза гелия из водорода может продолжаться на том же уровне, что и прежде, еще 7-8 млрд лет. Отсюда следует, что ни существованию человечества, ни существованию жизни на Земле не грозит энергетический «голод» в той части, которая зависит от солнечной активности.

Солнечная система является частью галактики – Млечного пути, насчитывающего, по разным оценкам, от сотни миллиардов до триллиона звезд (чаще принимается величина в 150 млрд). Наша Галактика принадлежит к классу спиральных галактик. Она представляет собой диск с утолщением в центре – ядром, в котором плотность распределения звезд в 20 тыс. раз выше, чем в окрестностях Солнца. Диаметр диска составляет примерно 100 000 св. лет, а его толщина – 1500 св. лет. Солнце находится в одном из спиральных «рукавов» на периферии Галактики, на расстоянии примерно 30 тыс. св. лет от ее ядра. Солнце вместе со всей Галактикой вращается вокруг ее ядра, делая оборот примерно за 200 млн. лет («галактический год») со скоростью порядка 250 км/сек.

Солнечная система состоит из 8 планет, более 60 их спутников, более 40 тысяч астероидов, около 1 млн комет. Почти вся масса Солнечной системы сосредоточена в Солнце (его масса равна 2*1030 кг), масса всех других тел составляет менее 0,1% общей массы. Диаметр Солнца в 109 раз больше Земного и составляет 1,4 млн км, температура поверхностного слоя – порядка 5 7700 К, а центральной области – порядка 15 млн град. Мощность его излучения составляет величину порядка 3,83*1020 мегаватт.

Планеты делятся на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Если первые имеют твердую (каменную) оболочку и высокую плотность (около 5 г/см3 ), то вторые – это газовые шары с плотностью 1–2 г/см3 . Самой большой по размерам и массе планетой является Юпитер: в 11 раз больше Земли в поперечнике и в 318 раз – по массе. Радиус Солнечной системы до орбиты Нептуна составляет 30 а. е., т. е. примерно 4,5 млрд км.

114

3. КОНЦЕПЦИИ ХИМИИ И ГЕОЛОГИИ

3.1. ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Состав и свойства веществ, их взаимные превращения, ставшие со временем предметом химии, издавна интересовали людей. На протяжении нескольких тысячелетий существовало искусство (ремесло), состоящее в производстве металлов (золота, серебра, меди, олова, свинца, железа) и их сплавов, керамики, стекла, красителей, лекарств. В этот период происходило накопление знаний о свойствах различных веществ, но эти знания были разрозненны, не систематизированы. Период от начала медного века до 4 в. н. э. в истории познания веществ можно назвать преднаучным. Такие периоды существовали и у других наук: практика измерения площадей и объемов как предпосылка геометрии, использование древними людьми простейших «машин» (рычаг, клин, ворот, блок, винт и др.) как предпосылка механики, выведение пород скота и сортов растений как предпосылка эволюционной теории.

Следующий период – алхимический (4–16 в.) – представляет собой «первую попытку рационализировать совокупность знаний на основе общего принципа» (М. Джуа). Алхимики в своей деятельности опирались на одну из основных идей натурфилософии древних греков – идею взаимной превращаемости элементов (начал),

но вместо четырех начал (земля, вода, воздух, огонь), из которых состоит Макрокосм (мир), европейские алхимики ввели другие: соль, серу, ртуть. Комбинации этих элементов образуют все многообразие природных веществ. Поскольку человек, по греческим представлениям, – это микрокосм, то алхимики считали, что соль символизирует тело, сера – душу, ртуть – дух. В практическом плане алхимия характеризуется поисками магического «философского камня» (посредством которого можно было бы превращать неблагородные металлы в благородные), «эликсира долголетия» и универсального растворителя. В истории алхимии можно выделить алхимию египетскую, греческую, арабскую и средневековую. Алхимики производили различные химические реакции, но давали им фантастическое объяснение. Однако этот период в развитии химии сыграл и положительную роль. Было накоплено множество сведений о свойствах веществ, в частности, лечебных. Был изобретен ряд технологий (например, получение веществ путем перегонки и

115

возгонки), создан химический инструментарий, открыты приемы исследований и т. д. Таким образом, алхимический период можно квалифицировать как натурфилософский этап в становлении научной химии подобно физике Аристотеля как предшественнице современной физики или геоцентрической системе мира как предшественнице современной астрономии. Поэтому неправомерно ставить алхимию в один ряд с такими псевдонауками, как магия и астрология.

Период становления научной химии (16-18 вв.) включает такие этапы:

-иатрохимия (греч. iatros – врач) – раздел медицинской химии, где в 16-17. вв. прославились Т. Парацельс, Я.Б. ванГельмонт;

-пневматическая химия – химия газов (17-18 вв.) (Р. Бойль, Дж. Пристли и др.);

-флогистонная теория (И. Бехер, Г. Шталь, большинство химиков 18 в.).

Основная идея иатрохимии: поскольку тело человека состоит из различных веществ, то их изменения могут вызывать болезни, излечение которых возможно путем применения лекарств, восстанавливающих химическое равновесие. Поэтому «настоящая цель химии заключается не в изготовлении золота, а в приготовлении лекарств» (Парацельс).

Ученые, работавшие в области пневматической химии, открыли ряд простых газов и их соединений. Бойль сформулировал важный для дальнейшего развития физики закон, установивший зависимость объема газа от давления, закон, на основе которого Д. Бернулли и вслед за ним М.В. Ломоносов развивали молекулярнокинетическую теорию вещества. Дж. Пристли обнаружил свойство зеленых растений исправлять воздух, испорченный дыханием, т.е. открыл газ, названный позднее кислородом.

Одной из главных проблем химии 17-18 вв. была проблема горения. При горении выделяется некое летучее вещество, образующее пламя. Немецкие химики И. Бехер и Г.Э. Шталь трактовали горение как процесс выделения горючим веществом особой материи – флогистона, в результате чего вещество дефлогистируется. Считалось, что флогистон имеет отрицательную массу, поэтому, например, увеличение массы металла при его прокаливании объясняли потерей флогистона (а не за счет

116

образования оксидов, как известно теперь). Такое натурфилософское представление о горении господствовало на протяжении всего 18 в.

А. Лавуазье в 70–80-х гг. 18 в. путем многочисленных экспериментов, сопровождавшихся точным взвешиванием веществ до

ипосле реакции, установил следующие факты:

-сумма весовых количеств веществ до реакции равна сумме весовых количеств веществ, полученных в ходе реакции. Это – закон сохранения вещества, идею которого тремя десятилетиями ранее выдвинул М.В. Ломоносов;

-вода есть соединение элементов кислорода и водорода;

-атмосферный воздух есть сложное вещество, состоящее из кислорода и азота (в соотношении 1:4);

-горение – это соединение вещества с кислородом воздуха, и многие другие.

Открытие кислорода и его химической функции (лат. oxigenium

– рождающий кислоту, как назвал его Лавуазье) сделало идею флогистона лишней. Химия освободилась от натурфилософского изобретения и стала строго экспериментальной наукой. Лавуазье дал первую классификацию химических элементов и положил начало созданию современной химической терминологии (химической номенклатуры), а Берцелиус в начале 19 в. ввел химическую символику.

В истории химии как науки можно выделить три этапа, каждый из которых характеризуется особым предметом исследования, что выражается в различных системах химических понятий (концептуальных системах химии): учение об элементах, структурная химия, кинетические теории.

Учение об элементах. Концепция атомизма. Первый этап,

предпосылки которого уходит в древние времена, заключался в открытии множества простых веществ и их соединений, разложении сложных веществ на простые и синтез сложных веществ из простых.

Существенный вклад в становление этого этапа был сделан в 17 в. Р. Бойлем. Смешав киноварь (соединение ртути и серы) с железными опилками, он получил чистую ртуть и соединение железа с серой. Бойль объяснил эту реакцию следующим образом: элементы железа вытеснили элементы ртути из соединения с серой и заняли их место. Так в науку пришло понятие химического элемента – мельчайшей порции (частицы) простого вещества, сохраняющей его свойства при переходе из одного вещества в другое. С этой точки

117

зрения, сложные вещества, иначе называемые корпускулами, – это различные комбинации простых элементов. В результате старинная натурфилософская категория атома Демокрита, в 15 в. возрожденная Николаем Кузанским, развитая далее Дж. Бруно и П. Гассенди, получила интерпретацию в виде понятия химического элемента. Возрождение идеи атомизма положило начало формированию общенаучной корпускулярной концепции описания природы, то есть описания явлений природы как состоящих из множества дискретных единиц. Именно химии принадлежит приоритет в научном обосновании идеи атомизма, физика смогла подключиться к этому процессу позднее. Но зато физике принадлежит заслуга окончательного, причем экспериментального, доказательства этой идеи.

Итак, идея химического элемента в 17 в.– это только гипотеза, которую надо было перевести на язык эксперимента путем выделения элементов и определения их весов (атомных весов), а также установления критериев различения элементов и корпускул, сложных веществ и смесей веществ. Вопрос об элементарности простых веществ оставался открытым и в 18 в., поскольку решить его экспериментально было еще невозможно, на что указывал Лавуазье (например, простыми тогда считались известь, глинозем, кремнезем, некоторые радикалы).

Решение этой задачи станет возможным позже, в начале 19 в. и будет связано с именами Д. Дальтона, Ж. Гей-Люссака, А. Авогадро, Й. Берцелиуса и др.

Изучение состава веществ привело к открытию ряда законов химии. Особое значение получили стехиометрические законы – законы, выражающие количественные соотношения веществ, вступающих в реакцию:

-закон постоянства состава веществ: качественный и количественный состав сложного вещества не зависит от способа его получения (закон Пруста, 1801 г.);

-закон простых кратных отношений: весовые отношения простых веществ, образующих сложное вещество, выражаются целыми числами типа 1:2:3…(закон Дальтона, 1803 г.);

-закон простых объемных отношений: объемы вступающих в реакцию газов, находящихся при одинаковых условиях, относятся как целые числа (закон Гей-Люссака, 1808 г.);

118

- в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул (закон Авогадро, 1811 г.).

На основе первых двух законов Дальтон обосновал атомистику. Он ввел понятия атома химического элемента и атомного веса, определил атомные веса нескольких элементов. Авогадро, опираясь на закон Гей-Люссака, ввел понятие молекулы как частицы сложного вещества, состоящей из атомов, и определил атомный состав некоторых газов. Из закона Авогадро следует, что при нормальных условиях объем одного моля любого газа, равный 22,4 л, содержит одинаковое число молекул. Определение этого числа, названного именем Авогадро, произведенное во второй половине 19– начале 20 в. различными методами и разными учеными (как химиками, так и физиками), дало близкие результаты. Расхождения относились лишь к десятичным знакам (теперь принято значение 6,022*1023 ). Этот факт был принят физиками и химиками как одно из доказательств истинности атомно-молекулярной концепции строения вещества.

Работами Й.Я. Берцелиуса и других ученых начала 19 в. были определены атомные веса известных тогда элементов, был изучен качественный и количественный состав многих сложных веществ. Все это привело к победе атомно-молекулярной концепции в химии, и на международном конгрессе химиков в г. Карлсруэ в 1860 г., где с ярким и аргументированным докладом на эту тему выступил итальянец С. Канниццаро, она получила всеобщее признание.

Дальнейшее развитие химии дало дополнительные аргументы в пользу атомизма. Одним из значительных событий в ней было создание Д.И. Менделеевым в 1869 г. таблицы химических элементов на основе открытого им закона периодической зависимости свойств элементов от их атомного веса. Славу и признание ему принес факт предсказания трех еще не открытых элементов и их свойств. Они были обнаружены опытным путем спустя несколько лет и получили названия галлия, германия и скандия.

Создание периодической системы элементов стало завершающим этапом первого периода развития химии – химии как учения об элементах. Если подытожить этот этап, можно дать такое определение химического элемента: химический элемент – это вид атомов, имеющий данный атомный вес и занимающий определенное место в периодической системе элементов.

119

Химия, таким образом, становилась не только эмпирической, но и теоретической наукой, позволявшей предсказывать существование веществ и их свойств, по которым их можно было отыскивать в природе.

Структурная химия. В 20-30-е гг. 19 в. химики стали изучать вещества, образующиеся в процессах жизнедеятельности организмов и пытаться их синтезировать (например, в 1824.Ф. Вёлер синтезировал вещество, тождественное мочевине). Был сделан шаг к созданию органической химии. Что удивило химиков при изучении веществ органического происхождения? При большом разнообразии органических веществ их химический состав весьма ограничен: в него входят шесть основных элементов-органогенов (кислород, водород, углерод, азот, фосфор и сера), на долю которых приходится около 97% массы тел организмов, а также еще около 20 химических элементов. Из этого факта следовал вывод о том, что многообразие органических веществ объясняется не столько составом, сколько их строением. Было открыто явление изомерии: два вещества одинакового состава качественно различаются (например, C2 H6 O – этиловый спирт и диметиловый эфир; первый – пищевое вещество, а второй – ядовитый газ). Другое явление – полимерия, когда молекула вещества образуется в виде линейной или разветвленной цепи однотипных звеньев-мономеров (например, упорядоченная цепочка аминокислотных остатков образует первичную структуру белковой молекулы). Изучение органических веществ привело к созданию структурной химии. Теорию химического строения создал А.М. Бутлеров в 1861 г. Ее основные положения следующие:

-атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Последовательность межатомных связей в молекуле называется ее химическим строением;

-свойства веществ зависят от их химического строения;

-по свойствам вещества можно определить строение его молекулы, а по строению молекулы – предвидеть его свойства.

Развитием теории химического строения стала стереохимия – теория пространственного строения молекул, созданная в 1874 г. Я.Х. Вант-Гоффом.

Создание структурной химии означало коренной перелом в этой науке: если ранее химия была преимущественно аналитической (изучение состава веществ), то теперь она становится синтетической

120