1. Vvedenie

Ran'she issledovateli, izuchavshie Solnechnuyu sistemu, predstavlyali ee nachalo tak: planety i Solnce obrazovalis' iz horosho peremeshannogo goryachego gazovogo oblaka: ni odno tverdoe telo, ni odna mineral'naya chastica v nem ne mogli ucelet' i dolzhny byli by prevratit'sya v par, gaz. Protoplanetnoe oblako predstavlyalos' sovershenno odnorodnym po himicheskomu i izotopnomu sostavu. V osnove takoi kartiny lezhali nadezhnye termodinamicheskie ocenki ustoichivosti mineral'nyh chastic pri vysokoi temperature, raschety fiziko-himicheskih ravnovesii par-zhidkost'-tverdoe telo, kotorye verny i segodnya, no pri uslovii, chto temperatura gazovogo oblaka byla deistvitel'no stol' vysokoi. Prezhnie eksperimental'nye dannye ob izotopnom sostave himicheskih elementov svidetel'stvovali: i zemnoe i vnezemnoe (meteoritnoe) veshestvo po izotopnomu sostavu kak budto ne otlichayutsya.

2. Iskopaemye izotopy

Tolchkom k peresmotru gipotezy o himicheskoi i izotopnoi odnorodnosti protoplanetnogo oblaka posluzhilo otkrytie Dzh. Reinoldsom izotopa ksenona s massovym chislom 129 – ¹²⁹Xe – potomka vymershego izotopa ioda ¹²⁹I.

Ris. 1. Izbytok iskopaemogo izotopa ksenona 129Xe v meteoritah. 1 – meteorit Groznaya, 2 – Nikol'skaya, 3 – usrednennye dannye dlya meteoritov bez izbytka 129Xe

Blagorodnyi gaz ksenon sostoit iz 9 izotopov. Izotopnyi sostav ksenona byl horosho izvesten kak dlya zemnogo ksenona, tak i dlya meteoritov. No v odnom iz meteoritov Dzh. Reinolds vpervye natknulsya na ogromnyi izbytok izotopa ¹²⁹Xe. Vsled za nim eto nablyudali vo mnogih laboratoriyah. Vot primer togo, naskol'ko anomal'nym, neobychnym mozhet byt' ksenon nekotoryh meteoritov. Izotopnyi sostav ksenona meteoritov-hondritov¹ Groznaya i Nikol'skaya iz Meteoritnoi kollekcii Rossiiskoi Akademii nauk pokazan na ris. 1. Prichinoi ogromnyh vspleskov rasprostranennosti izotopa ¹²⁹Xe, kak vyyasnilos', byl β-raspad radioaktivnogo ioda ¹²⁹I, prevrashayushegosya v ¹²⁹Xe v nekotoryh meteoritah. No otkuda by vzyat'sya ¹²⁹I v meteoritah? Ved' v masshtabe istorii Colnechnoi sistemy s vozrastom 4,6 mlrd let izotop ¹²⁹I ochen' korotkozhivushiiizotop. Srednee vremya zhizni, otpushennoe prirodoi kazhdomu ego atomu, 24 mln let. V Colnechnoi sisteme segodnya net ¹²⁹I. Eto vymershii izotop, a iskopaemyi ¹²⁹Xe – ego pryamoi "potomok", pamyat' o bylom sushestvovanii vymershego ¹²⁹I, podobnaya paleontologicheskim ostatkam prezhnei zhizni na Zemle. Okazalos', vymershii ¹²⁹I ne odinok v novoobrazovannoi Solnechnoi sisteme. Vskore v meteoritah nashli sledy eshe odnogo podobnogo izotopa. Uchenye Arkanzasskogo universiteta P. Kuroda i M.V. Rouve obnaruzhili v meteorite-ahondrite² Pasamonte ksenon s ochen' strannym izotopnym sostavom, pohozhim na izotopnyi sostav ksenona, obrazuyushegosya pri spontannom delenii urana i bolee tyazhelyh elementov. No v etom ksenone byli i specificheskie osobennosti, pozvolivshie predpolozhit', chto eto iskopaemyi potomok vymershego transuranovogo elementa, naprimer plutoniya, – ego izotopa ²⁴⁴Pu. Eshe do nachala poiskov ²⁴⁴Pu v meteoritah on byl sozdan v laboratoriyah fizikov. Srednee vremya sushestvovaniya kazhdogo atoma etogo α-radioaktivnogo izotopa 122 mln let, mnogo men'she vozrasta Solnechnoi sistemy.

Ris. 2. Iskopaemye izotopy ksenona 136Xe, 134Xe, 132Xe i 131Xe v meteorite Chervonyi Kut (2). Eti izotopy – potomki vymershego plutoniya 244Pu (1). Izotopnye sostavy meteoritnogo ksenona i ksenona, vydelennogo iz iskusstvennogo preparata plutoniya, pochti polnost'yu sovpadayut. Eto dokazyvaet byloe prisutstvie 244Pu v meteorite

Izotop ²⁴⁴Pu obladaet sposobnost'yu i k samoproizvol'nomu deleniyu s obrazovaniem stabil'nyh izotopov ksenona v chisle produktov etogo yadernogo prevrasheniya. Nuzhno bylo sravnit' izotopnyi sostav neobychnogo meteoritnogo ksenona s tem, kotoryi imeet ksenon, obrazuyushiisya pri samoproizvol'nom delenii ²⁴⁴Pu v laboratoriyah. Vse imevsheesya kolichestvo ²⁴⁴Pu (0,015 g) zapayali v germetizirovannuyu ampulu i podozhdali 2 goda. Za eto vremya nakopilos' hotya i ochen' malo ksenona – produkta spontannogo deleniya ²⁴⁴Pu (okolo 10^-14 g/sm³), ego hvatilo dlya mass-spektrometricheskogo opredeleniya izotopnogo sostava. On okazalsya v tochnosti takim zhe, kak i izotopnyi sostav otkrytogo P. Kurodoi i M.V. Rouve ksenona v meteorite Pasamonte: obnaruzhen bol'shoi izbytok samyh tyazhelyh izotopov ¹³⁶Xe, ¹³⁴Xe, ¹³²Xe. V posleduyushih eksperimentah drugih issledovatelei i s drugimi meteoritami prisutstvie iskopaemogo ksenona – produkta deleniya ²⁴⁴Pu bylo podtverzhdeno, naprimer, v meteorite Chervonyi Kut (ris. 2). Dal'neishie issledovaniya priveli k otkrytiyu i drugih vymershih izotopov. Izuchaya zheleznye meteority, Dzh. Vasserburg s sotrudnikami Kaliforniiskogo universiteta v Pasadene (SShA) obnaruzhili v meteoritah sverhmikroskopicheskie kolichestva serebra, no ne obychnogo, a obogashennogo izotopom ¹⁰⁷Ag (serebro sostoit iz izotopov ¹⁰⁷Ag i ¹⁰⁹Ag). Etot izotop mog byt' iskopaemym potomkom vymershego "praroditelya", β-radioaktivnogo izotopa palladiya ¹⁰⁷Pd (srednee vremya zhizni ego atomov okolo 9,5 mln let). Sledovatel'no, chem bol'she v meteorite otnoshenie soderzhanii palladiya i serebra, tem serebro dolzhno byt' bogache izotopom ¹⁰⁷Ag – potomkom β-radioaktivnogo palladiya. Tak ono i okazalos' (ris. 3). Byli otkryty i drugie vymershie izotopy. Eto β-radioaktivnye izotopy marganca ⁵³Mn, alyuminiya ²⁶Al, zheleza ⁶⁰Fe. Pered issledovatelyami vstal vopros: otkuda vzyalis' takie korotkozhivushie izotopy v meteoritnom veshestve? Posle tshatel'nogo teoreticheskogo analiza vseh vozmozhnostei obrazovaniya ih pri razlichnyh yadernyh processah zaklyuchenie bylo neozhidannym: vymershie izotopy ne mogli obrazovat'sya v Solnechnoi sisteme, oni popali k nam iz kosmicheskogo prostranstva.

Ris. 3. Dokazatel'stvo bylogo prisutstviya v meteoritah vymershih, korotkozhivushih izotopov 107Pd, 53Mn, 60Fe, 26Al – lineinye korrelyacii izotopnyh otnoshenii. Eti nekogda sushestvovavshie v prirode izotopy ostavili o sebe pamyat' v meteoritah: izbytki ih dochernih izotopov, sootvetstvenno 107Ag, 53Cr, 60Ni, 26Mg

3. Rozhdennye v zvezde

Kazhdye 100-200 let na nochnom nebosvode poyavlyaetsya vnezapno vspyhnuvshaya yarkaya zvezda – sverhnovaya. Nekotoroe vremya ona siyaet neobychno sil'no, no ee yarkost' bystro ugasaet. Takaya vspyshka oznachaet, chto zakonchila svoi zhiznennyi put' odna iz zvezd, ozariv kosmicheskoe prostranstvo svoim proshal'nym svetom. Vmesto zvezdy ostaetsya ogromnoe oblako gaza, kotoroe mozhno uvidet' v teleskop.

Okazalos', chto vzryv sverhnovoi zvezdy imeet pryamoe otnoshenie k vozniknoveniyu ¹²⁹I, ²⁴⁴Pu i drugih vymershih izotopov. Na rannih stadiyah evolyucii krupnyh zvezd massoi bolee 6M_ʘ v ih nedrah deistvuyut sozdannye samoi prirodoi termoyadernye reaktory. Blagodarya ogromnym temperature i davleniyu v nedrah bol'shih zvezd atomnye yadra vodoroda soedinyayutsya, obrazuya yadra geliya. Vysvobozhdaetsya nevoobrazimo bol'shaya energiya, podderzhivayushaya yadernoe gorenie zvezdy. Po mere ischerpaniya goryuchego – vodoroda – zvezda pod deistviem sily gravitacii szhimaetsya. Eto vyzyvaet sliyanie, soedinenie vse bolee tyazhelyh atomnyh yader - geliya, ugleroda, azota. V nedrah zvezdy vydelyaetsya ogromnoe kolichestvo energii. Zvezda yarko siyaet v kosmicheskom prostranstve, shedro izluchaya energiyu. Kogda zapasy yadernogo goryuchego issyakayut, termoyadernyi istochnik energii nachinaet glohnut'. Poetomu moshneishie sily gravitacii teper' bez pomeh nachinayut szhimat' zvezdu. Ona katastroficheski bystro sokrashaetsya v ob'eme i uplotnyaetsya stol' sil'no, chto teper' atomnye yadra dazhe zheleza i bolee tyazhelyh elementov mogut vstupat' v reakcii nukleosinteza. Temperatura bystro dostigaet milliardov gradusov. V yadernyh reakciyah vnezapno obrazuetsya ogromnoe kolichestvo neitronov. Ih potok tak velik, chto dazhe samye korotkozhivushie novoobrazovannye radioaktivnye yadra ne uspevayut raspast'sya do togo, kak v nih vbivayutsya vse novye i novye neitrony. Takoi process nazyvaetsya r-processom. V etom vzryvnom r-processe nukleosinteza obrazuyutsya vse bolee tyazhelye atomnye yadra serediny i konca Periodicheskoi sistemy elementov D.I. Mendeleeva. Vot v takom termoyadernom processe, v r-processe, i rodilis' ¹²⁹I, ²⁴⁴Pu i drugie vymershie izotopy – v samom gornile yadernoi pechi, v grandioznom vzryve zvezdy.

4. Poslancy sverhnovoi na Zemle

Udarnaya volna ot vzryva sverhnovoi razneslas' v kosmicheskih okrestnostyah sverhnovoi. Na ee puti okazalos' odno iz mnogochislennyh gazopylevyh oblakov, razbrosannyh mezhdu zvezdami. Pronizav eto oblako, udarnaya volna "vprysnula" v nego gazoobraznoe veshestvo sverhnovoi, v tom chisle i novorozhdennye ¹²⁹I i ²⁴⁴Pu, kotorye rasseyalis' v protoplanetnom oblake. Ona ne tol'ko sygrala rol' transportnogo sredstva dlya ¹²⁹I i ²⁴⁴Pu, no i zapustila process obrazovaniya Solnechnoi sistemy: pod deistviem udarnoi volny oblako nachalo sgushat'sya, kondensirovat'sya. Mel'chaishie pylinki stali ob'edinyat'sya, zahvatyvat' gazy iz okruzhayushego ih prostranstva. Iz melkih chastic obrazovalis' bolee krupnye, zatem poyavilis' komki razmerom v santimetry i metry, a iz nih sformirovalis' zarodyshi budushih planet i pozdnee sami planety. V etih-to processah akkrecii – sobiraniya veshestva iz pyli i gaza – ¹²⁹I i ²⁴⁴Pu i popali v stroitel'nyi material, iz kotorogo slozhilis' bol'shie planety. Ostatki, kosmicheskii "stroitel'nyi musor" v vide beschislennyh meteoritov i segodnya sohranyayutsya v asteroidnom poyase mezhdu Marsom i Yupiterom. Meteority, vyrvavshiesya iz nego na Zemlyu, prinosyat izotopnye iskopaemye – produkty raspada nekogda sushestvovavshih v mineralah ¹²⁹I, ²⁴⁴Pu i drugih vymershih izotopov, rodivshihsya v oslepitel'nom vzryve sverhnovoi zvezdy.

Stalo ochevidnym: pri obrazovanii Solnechnoi sistemy v nee byli zabrosheny udarnymi volnami ot vzorvavsheisya nepodaleku sverhnovoi zvezdy atomy mnogih korotkozhivushih izotopov. Oni voshli v sostav pervyh mineralov i tam ostavili posle sebya pamyat' v vide iskopaemyh stabil'nyh izotopov. Problema proishozhdeniya vymershih izotopov posle otkrytiya v meteoritah ih iskopaemyh potomkov ¹²⁹Xe, ¹³⁶Xe, ¹⁰⁷Ag, ⁵³Cr, ⁶⁰Ni, ²⁶Mg kazalas' reshennoi. Odnako v meteoritah obnaruzhilas' eshe odna izotopnaya zagadka.

5. Sverhtyazhelyi element v meteoritah?!

Mnogie issledovateli, izuchiv nekotorye meteority – uglistye hondrity, obratili vnimanie na izbytok v nih tyazhelyh izotopov ksenona – ¹³⁶Xe, ¹³⁴Xe, ¹³²Xe – tipichnyh produktov deleniya. Odnako ih sootnosheniya ne sootvetstvovali izotopnomu sostavu ksenona, obrazuyushegosya pri samoproizvol'nom delenii ni horosho izvestnyh izotopov urana ili toriya, ni ²⁴⁴Pu, ni iskusstvenno sintezirovannyh transuranovyh elementov. Ne skryty li v uglistyh hondritah sledy samoproizvol'nogo deleniya eshe odnogo vymershego elementa – dalekogo zauranovogo, sverhtyazhelogo? Imenno v eto vremya fiziki-teoretiki prishli k vyvodu, chto v prirode mogut sushestvovat' ochen' tyazhelye himicheskie elementy. Ustoichivost' atomnyh yader bystro padaet po mere utyazheleniya elementov, srednee vremya zhizni atomov umen'shaetsya ot 6,5 mlrd let dlya urana (92-ya kletka Periodicheskoi sistemy elementov D.I. Mendeleeva) do neskol'kih minut dlya atomov lourensiya (103-ya kletka), no dal'she, po mere rosta atomnogo nomera gipoteticheskih himicheskih elementov ih ustoichivost', vozmozhno, bystro vozrastaet. Raschety ne isklyuchali, chto elementy 108-114 mogli by okazat'sya dostatochno stabil'nymi. Etot ostrovok stabil'nosti v more sosednih nestabil'nyh yader mog vozniknut', kak predpolagali, iz-za togo, chto u takih himicheskih elementov v atomnyh yadrah nabory protonov i neitronov dolzhny byt' blizkimi "magicheskim chislam" 114 i 184 – tak fiziki v shutku nazyvayut osobo prochnye kombinacii etih chastic v yadrah atomov. Gipoteticheskie sverhtyazhelye elementy mogli by okazat'sya nastol'ko ustoichivymi, chto iz nih blagodarya ochen' nebol'shoi kriticheskoi masse mozhno bylo by delat' malogabaritnye yadernye energeticheskie ustanovki i miniatyurnye atomnye bomby ogromnoi razrushitel'noi sily.

Fiziki-eksperimentatory v Dubne pod Moskvoi pod rukovodstvom G.N. Flerova i v Berkli (SShA) vo glave s G. Siborgom s pomosh'yu gigantskih uskoritelei pytalis' sozdat' rukotvornye sverhtyazhelye elementy 102, 103, 104, ..., dvigayas' ot odnoi kletki Periodicheskoi sistemy D.I. Mendeleeva k sleduyushei. Odnovremenno s fizikami-yadershikami nachali ohotu za sverhtyazhelymi elementami i issledovateli meteoritov: esli v meteoritah naideny dokazatel'stva sushestvovaniya transuranovogo elementa plutoniya, to pochemu by tam zhe ne naiti izotopnye sledy i bolee tyazhelyh transuranovyh sverhtyazhelyh elementov? Fiziki nachali aktivnye poiski sverhtyazhelyh elementov v meteoritah. V nekotoryh meteoritnyh mineralah obnaruzhilis' vidimye v mikroskop sledy proleta – treki, kak dumali, yader sverhtyazhelyh elementov, sostavnoi chasti galakticheskogo kosmicheskogo izlucheniya. Teoreticheski sverhtyazhelye yadra pri kazhdom akte spontannogo deleniya dolzhny byli by ispuskat' 4-6 neitronov – vrode by i takuyu mnozhestvennost' emissii neitronov iz nekotoryh meteoritov udalos' zafiksirovat'.

Pionerami eksperimental'nyh poiskov iskopaemyh izotopov ksenona – produktov spontannogo deleniya sverhtyazhelyh elementov v meteoritah – byli E. Anders i ego issledovatel'skaya gruppa v Chikagskom universitete. Osnovnaya ideya sostoyala v tom, chtoby naiti i vydelit' mineraly, gde prezhde koncentrirovalsya sverhtyazhelyi element, a teper' soderzhitsya ego potomok – ksenon s osobym izotopnym sostavom. Odnako meteoritnye mineraly ochen' tonkozernisty. Mel'chaishie zerna raznyh mineralov k tomu zhe neredko srastayutsya tak, chto ne otorvat', a to i vrastayut odno v drugoe. Poetomu byl priduman himicheskii metod razdeleniya mineralov: dlya issledovaniya odnih mineralov drugie, nenuzhnye mineraly prosto rastvoryayut. Na mineral vozdeistvuyut posledovatel'no pri raznoi temperature i pri razlichnoi koncentracii solyanoi, plavikovoi, azotnoi, hlornoi kislotami, perekis'yu vodoroda. Mineraly meteorita postepenno rastvoryayutsya. V ostayushihsya nerastvorimyh ostatkah issledovali ksenon.

Po mere rastvoreniya veshestva ksenon v ostavshihsya ostatkah obogashalsya tyazhelymi izotopami ¹³⁶Xe, ¹³⁴Xe, ¹³²Xe, ¹³¹Xe otnositel'no ¹³⁰Xe, zavedomo ne obrazuyushegosya v processah deleniya. Takoe izmenenie izotopnogo sostava ksenona pri posledovatel'nom rastvorenii veshestva meteorita-hondrita Efremovka iz meteoritnoi kollekcii Rossiiskoi Akademii nauk pokazano na ris. 4. I vse zhe tainstvennyi sverhtyazhelyi element ne davalsya v ruki issledovatelei i, podobno tomu, kak vse men'shie matreshki pryachutsya vnutri krupnyh, skryvalsya vo vse bolee melkozernistyh i himicheski ustoichivyh frakciyah mineralov. Kazalos', vot-vot mozhno budet vydelit' chistyi ksenon deleniya sverhtyazhelogo elementa.

O. Manuel iz universiteta Missuri (SShA) predlozhil predstavit' izotopnyi sostav predpolagaemogo ksenona deleniya sverhtyazhelogo elementa ne v forme izotopnyh sootnoshenii s ¹³⁶Xe, a sravnit' ego s izotopnym sostavom solnechnogo ksenona. Posle etogo stalo ochevidnym, chto zagadochnyi ksenon obogashen ne tol'ko tyazhelymi, no vsegda pochti stol' zhe sil'no i legkimi izotopami ¹²⁴Xe, ¹²⁶Xe, ¹²⁸Xe (ris. 5), hotya legkie, neitronno-deficitnye izotopy ksenona nikak ne mogut obrazovat'sya pri delenii atomnyh yader – zakon sohraneniya energii i massy etogo ne pozvolyaet. Vyhodit, i tyazhelye izotopy obrazovalis' ne pri samoproizvol'nom delenii gipoteticheskogo sverhtyazhelogo elementa, a v inom yadernom processe.

Ris. 4. Uvelichenie izbytka tyazhelyh izotopov ksenona po mere chastichnogo rastvoreniya veshestva meteorita-hondrita Efremovka pri deistvii na meteorit himicheskih rastvoritelei. 1 – ishodnoe veshestvo meteorita, 2 – ishodnoe veshestvo + HCl + HF, 3 – ishodnoe veshestvo + HCl + HF + NaOH + H2O 2 + HNO3 + H3PO4 , 4 – ishodnoe veshestvo + HCl + HF + NaOH + H2O2 + HNO3 + H3PO4 + HClO4, 5 – ishodnoe veshestvo + HCl + HF + NaOH + H2O2 + HNO3 + H 3PO4 + HClO4 + NaOH + H2O2 + HClO4