На протяжении всей истории человечество ценило золото за его красоту, коррозионную стойкость и пластичность. Редкость металла сделала его ценным и много усилий было потрачено на его поиски.
В последние десятилетия учёные смогли оценить редкость золота и во Вселенной в целом. Опубликованные данные показывают, что в земной коре в среднем на миллиард различных атомов приходится 0,3 атома золота. Вне Земли золото более распространено 700 000 атомов золота на миллиард других атомов на Солнце и 800 000 на миллиард в среднем по видимой области Вселенной. Такая мизерная часть атомов не только золота, учёные сделали вывод, что чем тяжелее элемент, тем его меньше.
Для того, чтобы понять, почему золото (и другие тяжелые элементы) редки, необходимо знать историю их образования. Природа элементов проистекает из внутренней структуры их атомов. Каждый атом состоит из тяжелого ядра, окруженного облаком легких, отрицательно заряженных частиц, называемых электронами. Ядро содержит два типа субатомных частиц: протоны (положительный заряд) и нейтроны (без заряда), связанные друг с другом с помощью сильной ядерной силы.
Атомный номер определяет элемент и зависит от количества протонов в ядре. Общее количество нейтронов и протонов ядра определяет атомное массовое число. Различное количество нейтронов в ядре создает варианты атома, называемые изотопами. Изотопы могут быть нестабильными и способны самопроизвольно испускать излучение или другие частицы, тогда их называют радиоизотопами.
Время, необходимое для распада половины образца изотопа, называется периодом полураспада и является мерой стабильности изотопа. Золото, имеет 79 атомный номер и единственный стабильный изотоп имеет массовое число равное 197. Золото имеет пять радиоизотопов, каждый из которых имеет период полураспада, измеренный в днях. Эти изотопы отличаются атомным массовым числом и соответственно равны 194, 195, 196, 198, 199.
Современные теории происхождения Вселенной предполагают, что вскоре после «Большого взрыва» существовали только водород и гелий. С этих элементов и начался ряд процессов, которые объединяются для синтеза тяжелых элементов из первичного водорода. Данные процессы протекают в недрах звёзд. Для получения элементов, более тяжелых, чем водород, необходим механизм добавления протонов и нейтронов к ядрам атомов.
При нормальных обстоятельствах положительные заряды в ядрах соседних атомов отталкиваются друг от друга и не сходятся вместе. Однако в глубине ядра звезды температура и давление чрезвычайно высоки и ядра движутся достаточно быстро. Тогда небольшая часть из них преодолевает это отталкивание и происходит столкновение и слияние.
Процесс слияния называется ядерным синтезом, и через цепочку таких слияний в звёздах рождаются новые элементы. Самая основная из этих цепей приводит к превращению четырех ядер водорода (голых протонов) в ядро гелия, нескольких легких субатомных частиц и выделению огромной тепловой энергии. Эта и несколько более сложные цепочки с одинаковым результатом — единственные процессы, происходящие в начале жизни звезды.
Звёзды проходят серию жизненных этапов. На каждом этапе производятся более тяжелые элементы, в основном в зависимости от количества водорода, который был в начале. В фазе красного гиганта гелий, накапливающийся в ядре из-за слияния водорода, вызывает слияние водорода в оболочку вокруг ядра.
Если существует достаточная масса, то это ядро гелия в конечном итоге начнет слияние с изотопами углерода, кислорода и неона, переводя звезду в другую фазу жизни. По мере накопления продуктов синтеза гелия звезда вступает в новую фазу и так далее. Каждый цикл термоядерного синтеза откладывает топливо для последующего цикла в активной зоне, которое при наличии достаточной массы будет воспламеняться по мере истощения более легких видов топлива в оболочке, окружающей ядро.
Ядерный синтез является тем механизмом, который позволит образоваться золоту из водорода в ходе длинной серии реакций. К сожалению, для достижения этой цели есть два фактора.
Ядерный синтез требует сближения ядер достаточно близко, чтобы сильная ядерная сила могла подавить электрическое отталкивание. Чем выше число протонов ядер, вовлеченных в столкновение, тем больше электрическое отталкивание, которое необходимо преодолеть. Следовательно, требуемая температура и давление увеличиваются с ростом заряда ядра, только звёзды с достаточной массой, способны генерировать эти условия и поддерживать слияние.
Вторая трудность возникает в звёздах с достаточной массой для создания изотопов железа. Слияние с железом требует ввода энергии из-за присущей этому ядру стабильности. Реакции, которые выделяют энергию, происходят гораздо чаще. Продукты термоядерного синтеза, возникающие в результате каких-либо редких событий синтеза железа, вполне могут самопроизвольно разлагаться на более легкие элементы.
Звёздный синтез создает все элементы вплоть до железа, но не может продолжать производить золото из-за фундаментальных ограничений процесса синтеза. Другой способ, которым изменения атомных ядер могут быть осуществлены без преодоления электрического отталкивания протонов, называется захватом нейтронов.
Читайте продолжение в следующей части….