Сегодня мы поговорим про гафний. Нет, это не команда собаке продемонстрировать её сторожевые способности. Такое название имеет один химический элемент, один из тех, с которым мало кто сталкиваться в повседневной жизни. Да и обнаружили его относительно недавно.
В начале 20 века химики столкнулись с очередной загадкой. Выглядела она так – глядя в Периодическую таблицу химических элементов, изобретённую Дмитрием Ивановичем Менделеевым, учёные сильно недоумевали. Поскольку видели в ней дыру. Не в буквальном смысле, конечно. Просто из её содержания было видно, что должен существовать ещё как минимум один стабильный химический элемент. Атом которого имеет в ядре 72 протона.
К тому моменту химики уже знали об элементах лютеций (открыт в 1907 г.) и тантал (открыт в 1802 г.), имевших в атомном ядре 71 и 73 протона соответственно. И было бы странно, если бы элемента с 72 протонами не существовало.
Годы шли. И химики уже не знали, как объяснять штурмующему их кабинеты с вилами люду, почему не существует элемента с 72 протонами, как случилось чудо – в одной из копенгагенских пивных в образце циркона, забытого на барной стойке подвыпившим горняком, обнаружился химический элемент с 72 протонами (шутка).
Открытие гафния
Это случилось в 1923 году. Совершили открытие учёные Дирк Костер (упал однажды на вечеринке в камин (шутка)) и Дьёрдь де Хевеши, когда изучали образцы цирконов, доставленных из Норвегии и Гренландии. Научные деятели очень обрадовались и дали новому элементу имя «гафний», поскольку Хафния — латинское название датской столицы. Однако официально название «гафний» было закреплено за элементом лишь в 1949 году.
Гафний не особенно распространён. И не встречается в земной коре в чистом виде. А только почти всегда в сочетании с элементом цирконием. Если химическим путём получить гафний в чистом виде, то получится серебристый, блестящий тяжёлый металл, который при этом остаётся мягким и гибким.
В основном гафний используется для изготовления регулирующих стержней ядерных реакторов, поскольку он очень устойчив к коррозии и великолепно поглощает нейтроны, в огромном количестве присутствующие в зоне ядерной реакции.
Как почти каждый химический элемент, металл имеет изотопы, то есть разновидности атома, в которых ядро по-прежнему имеет 72 протона, но разное количество нейтронов. Наиболее распространённым изотопом является гафний-180, в ядре которого находится 108 нейтронов.
Всего изотопов гафния насчитывается 35. И некоторые из них радиоактивны, то есть не стабильны и распадаются через определённый промежуток времени.
В частности, гафний-182, имеет период полураспада около 9 миллионов лет. Элементом, в который гафний-182 превращается в результате своей радиоактивности, является вольфрам. А точнее – вольфрам-182, стабильный изотоп.
И знаете, что интересно? Гафний-182 можно использовать для того, чтобы заглянуть в далёкое прошлое! Но как? Сейчас расскажу.
Всем немного гафния!
Представьте, что вблизи космического облака, из которого образовалась Солнечная система, стали сверхновыми несколько звёзд. И в результате этих взрывов в облако попали химические элементы, в том числе гафний-182. И поэтому появившиеся позже планеты получили немного гафния-182. Но что это даёт нам сейчас, более 4,5 миллиардов лет спустя?
Да, по прошествии этого чрезвычайно долгого отрезка времени последний атом гафния-182 определённо давно распался. Это так.
Однако мы ещё не закончили. Гафний – это так называемый литофильный элемент. Это означает, что он имеет тенденцию находится в тесном соседстве с кремнийсодержащими материалами. А вот вольфрам, элемент, на который распадается гафний, «любит» железо.
Теперь нам нужно задуматься о том, что происходит, когда формируется планета. (Не волнуйтесь. В конце всё будет хорошо!).
Итак, первое, что нужно понимать – планета, которая только формируется, внутри почти однородна. Это значит, что все химические элементы, из которых она состоит, перемешаны более или менее равномерно. Если в это время зачерпнуть ведро-другое из самого внешнего слоя, и ещё пару вёдер набрать с самой большой глубины, их содержимое будет выглядеть более или менее одинаково. Но если планета достаточно велика, её недра со временем начнут как бы «расслаиваться».
Тяжёлые элементы, такие как железо, начнут погружаться глубже, а лёгкие, такие как, например, как кремний, останутся наверху.
Именно такой процесс происходил на Земле. Поэтому наша планета сегодня имеет ядро, состоящее в основном из железа, а снаружи — «каменную» кору.
Гафний нам поможет
Итак, теперь мы знаем всё необходимое для изучения некоторых деталей формирования Земли. Используя полученные знания, мы сможет ответить на такие вопросы: как быстро происходит «дифференциация» планеты? Формируется ли ядро сразу после формирования самой планеты, или это занимает больше времени?
И вот здесь нам и поможет наш сегодняшний герой – гафний.
Давайте снова представим себе только что образовавшуюся Землю. И посмотрим, что произойдёт, если её ядро сформируется быстро. В этом случае гафнию-182 не хватит этого времени распасться на вольфрам-182 и поспешить к своему любимому железу. И поскольку гафний «кремнелюб», и предпочитает «тусить» там, где присутствуют породы, которые образует кремний, он остаётся «наверху» со своей прелестью, и не погружается в формирующееся ядро вместе с железом. И в земной коре гафний затем спокойно «умирает», превращаясь в вольфрам.
Но как бы всё выглядело, если бы ядро формировалось долго? Представим, что гафний уже давно распался на вольфрам, и тут начинается процесс дифференциации. И новорождённый вольфрам, ценитель всего железного, как Териминотор-2 опускается, выставив большой палей вверх в формирующееся ядро.
Что мы имеем в итоге? В первом случае мы имеем планету с вольфрамом в коре, а во втором — планету с вольфрамом в ядре. Мы пока не можем заглянуть в ядро Земли, но вполне можем проанализировать материал земной коры. И посмотреть, сколько она содержит вольфрама-182.
Ответ получен
На самом деле, конечно, как всегда, все немного сложнее, ведь есть и другие способы получения вольфрама-182. Например, в случае воздействия космических лучей. Но всё это можно учесть, если посидеть-подумать. Итак, какой же получается результат? Он таков: ядро земли начало формироваться спустя 30 миллионов лет после того, как наша планета обрела более или менее стабильную форму!
Хотя тут тоже не всё так просто. Потому что произошло гигантское столкновение Земли с крупным космическим телом, в результате которого появилась Луна. Но в этом есть и плюс. Потому что можно точно так же анализировать лунные породы и использовать их для определения возраста Луны.
А ещё можно исследовать метеориты гафниево-вольфрамовым методом, потому что они происходят от астероидов, которые представляют собой не что иное, как «строительный мусор» оставшийся после формирования Солнечной системы.
Конечно, часы из гафния и вольфрама — это не машина времени. Однако это чудесный творческий способ заглянуть в прошлое Солнечной системы. И кто знает, какие ещё методы мы найдём, и что мы с их помощью узнаем о нашем далёком прошлом.
Всем добра.
Рекомендую превосходную книгу*👇
Главная страница проекта (более 700 статей!)👇
*Реклама ООО Яндекс ИНН 7736207543