Брать быка за рога…
Частицы, составляющие атомное ядро, стягивают в одно целое ядерные силы — физики это установили давно. Научились они и подсчитывать величину энергии связи. А узнав общую величину энергии связи, совсем просто подсчитать долю энергии, приходящуюся на одну частицу, — удельную энергию связи частиц в ядре.
В сущности, эта новая для нас характеристика атомного ядра описывает стабильность химического элемента: понятно, что чем удельная энергия связи больше, тем устойчивее этот химический элемент. Устойчивость… распространенность… Согласитесь, что между этими словами что-то общее есть, несомненно есть…
Впрочем, если бы мы захотели уловить какую-либо закономерность между удельной энергией связи и зарядом ядра химического элемента, то были бы столь же обескуражены, как и в случае распространенности. «Как и в случае распространенности»… Нет, не случайно мы соединили эти два слова — устойчивость и распространенность!
Но теперь, наученные горьким опытом, не будем преждевременно сокрушаться по поводу отсутствия строгих закономерностей. Потому что мы очень скоро установим, что, как и в случае распространенности, наибольшей энергией связи характеризуются кислород, кремний, кальций, железо… Все те же элементы-гиганты! Случайное совпадение? Но проблема случайного в природе уже обсуждалась, и вывод был как будто бы определенным. А раз так, то сопоставим распространенность и удельную энергию связи (устойчивость) повнимательнее.
Да, несомненно, самые устойчивые химические элементы наиболее распространены в земной коре. Правда, здесь не все понятно. И самое главное: почему наибольшей энергией связи характеризуется железо, а более всего в земной коре все же кислорода?
Что ж, запомним эту особенность железа. Запомним и в будущем постараемся в ней разобраться.
Приученный уже относиться к числу 4 с настороженностью, читатель несомненно заметит, что изотопы, находящиеся на зубцах графика, все, без исключения, принадлежат к типу 4p. В самом деле, каждый из изотопов типа 4p обладает удельной энергией связи заметно большей, чем его соседи. Взять хотя бы кислород, слева от которого в периодической системе стоит азот, а справа — фтор. Созерцая эту троицу, можно сказать лишь одно: Гулливер (кислород) среди лилипутов (его соседи). Эта литературная реминисценция вполне оправданна: удельная энергия связи частиц в ядрах азота и фтора впятеро меньше, чем у кислорода.
Можно было бы, конечно, позавидовать счастливцу кислороду: у него, дескать, и распространенность наибольшая, и удельная энергия связи гораздо внушительнее, чем у других изотопов с близкой атомной массой. Но, впадая в постыдный грех зависти, не совершаем ли мы при этом еще и логическую ошибку? Правильным ли будет замечание: «Везет же артисту Н. — и тенор у него прекрасный, и выигрышную во всех отношениях партию Ленского ему поручили…» Понятно, что именно потому тенор Н. будет петь «Куда, куда вы удалились…», что у него отменный голос, а вот гораздо менее счастливый в вокальном отношении М. поет лишь «Ви роза…».
Так, быть может, потому кислород относится к элементам-гиган-там, что удельная энергия связи у него выше, чем у других изотопов с близкими массовыми числами? «Может быть…» А если без предположений, наверняка?
Пытаясь получить ответ «наверняка», не следует брать быка за рога. А надо отметить одну любопытную особенность этих «делящихся на 4 без остатка» элементов. Во-первых, у подавляющего большинства из них число протонов равно числу нейтронов. А во-вторых, эти числа четные.
Комбинация 2 протона-|-2 нейтрона в силу законов микромира энергетически особенно выгодна. Этот квартет неразлучен не только в ядре. Даже при ядерных катаклизмах — при радиоактивном распаде элемента — эта компания старается не разлучаться: вспомним альфа-распад. Ведь альфа-частица, вылетающая из ядра, — это и есть содружество двух протонов и двух нейтронов.
Итак, природе выгодно создавать ядра, состоящие из четного числа протонов и четного числа нейтронов, то есть «делящиеся на 4 без остатка». Слово «выгодно» здесь и в одной из предыдущих фраз приведено без кавычек. Они, кавычки, здесь не нужны. Потому что природа всегда следует путем наибольшей энергетической выгоды. А поскольку этот путь предопределен основным законом природы — законом сохранения энергии, — то это та самая выгода, которая никак не служит синонимом слова «корысть». Выходит, нет у природы особенного стремления к четным числам, а есть четкий физический закон, согласно которому строят жизнь химические элементы.
Наконец, достаточно просто объясняются и числа, которые физики прозвали «магическими» (помните: 2, 8, 20…). Частицы, образующие атомное ядро, располагаются не произвольно, а в таком же строгом порядке, как электроны, вращающиеся вокруг ядра. И так же, как и в случае электронов, в атомном ядре существуют оболочки, наполнение каждой из которых отвечает определенному «магическому» числу. Поэтому и здесь, несмотря на столь интригующий эпитет, как видим, ничего таинственного нет.
Пока что получается, как в романе с замысловатой, но не очень профессионально построенной интригой: на протяжении всего романа автор накручивает самые невероятные события, а когда становится очевидным, что узлов завязано столько, что развязывать их — дело безнадежное, автор заталкивает всех героев в лифт, который, конечно же, обрывается, и автор с облегчением выводит слово «конец».
Но анализ закономерностей распространенности химических элементов, увы, не роман. Сюжеты здесь придумывает не автор, а природа, которая, к сожалению (а вернее всего, к счастью), не склонна к эффектам.
Из всех определений понятия «наука» (а имя им — легион) мне больше всего по душе такое: настоящей наукой следует считать такую область знаний, где ответ на один вопрос рождает по крайней мере два других вопроса.
И один из таких вопросов возникает немедленно. Утверждалось, что чем прочнее связаны частицы в ядре атома, тем этого элемента в природе больше. Но ведь чемпион по величине удельной энергии связи — железо. А этот элемент в иерархии распространенности только четвертый. Как можно это объяснить?
Честно говоря, вопросов здесь гораздо больше. Но и этот один показывает, что наука о распространенности химических элементов — настоящая наука, и, более того, наука интересная.
Последний комплимент геохимии не освобождает нас от поисков ответа на поставленный вопрос. Итак, будем решать, кто все же настоящий чемпион: кислород или железо?
Хочется вспомнить старую и, в общем-то, хорошо известную историю, не потерявшую от этого, впрочем, аромата поучительности. На одной из окраинных улочек дореволюционного провинциального местечка жили трое портных, конечно же конкурировавших друг с другом. Желая подчеркнуть свое превосходство, первый портной намалевал вывеску: «Лучший портной в городе». Второй не остался в долгу, и его хибара украсилась вывеской: «Лучший портной в Расеи». Что оставалось третьему? Претендовать на мировое господство? И над домиком укрепилось гордое: «Лучший портной на ефтой улице».
До сих пор речь шла о распространенности химических элементов в земной коре, которая и по объему и по массе составляет лишь очень малую часть земного шара. Можно ли считать, что картина относительной распространенности химических элементов в земной коре, установленная для земной коры, будет справедлива для планеты в целом? Не приходится сомневаться в том, что это было бы слишком смелое и неоправданное обобщение. Как неправомерно было бы судить о знаниях учащихся всего класса, вызвав наудачу одного лишь Тяпкина, так же нельзя считать, что химический состав тоненького поверхностного слоя позволяет судить о распространенности химических элементов на всей планете в целом. Может быть, кислород и впрямь чемпион лишь «на ефтой улице»?
Да, так оно и получается. Если рассмотреть таблицу, в которой сведены данные о распространенности химических элементов во всем нашем земном шаре, а не только в поверхностном слое, мы увидим, что железо занимает там уверенно и бесспорно первое место. Оказывается, что Земля более чем на 1/3 состоит из 26-го элемента: на его долю приходится почти 37 % массы планеты. Кислород же вынужден потесниться на вторую ступеньку пьедестала почета — его вклад в массу планеты около 30 %. Третье место уверенно занимает кремний (14,9 %). Далее, солидно поотстав от золотого и серебряного призеров, но с хорошим отрывом от преследователей идет магний (6,7 %), за ним устремляется алюминий (3,0 %) и, наконец, на последней ступеньке олимпийского зачета стоят, обнявшись, два элемента — никель и кальций (по 2,9 %).
Рассматривая этот строй элементов-победителей, мы уже не станем дивиться, не станем недоумевать по поводу несправедливостей природы. Теперь уже многое понятно. Конечно же, первое место, которое заняло железо, полностью отвечает устойчивости его атомного ядра. Все закономерно и справедливо: первый по величине удельной энергии связи — первый и по распространенности на нашей планете.
