Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Подробности Категория: Просмотров: 698

ГЕЛИЙ (Не), одноатомный элемент, относится к семейству благородных газов, стоящих в нулевой группе менделеевской таблицы; атомный вес 3,99, плотность по отношению к воздуху 0,137; 1 м 3 химически чистого гелия при 0° и 760 мм весит 0,1785 кг (гелий в 7,2 раза легче воздуха и в 2 раза тяжелее водорода); подъемная сила 1м 3 гелия при тех же условиях 1,114 кг (т. е. 92,6% от подъемной силы водорода). Гелий - газ, без цвета и запаха, вполне инертен в химическом отношении, не горит и не поддерживает горения, не входит ни в одно из всех известных соединений и не принимает никакого участия в химических реакциях, мало растворим в воде, совершенно нерастворим в бензоле и алкоголе . Гелий с трудом превращается в жидкое состояние (впервые жидкий гелий был получен в 1908 г. Каммерлинг-Оннесом путем охлаждения гелия до температуры –258° жидким водородом, кипевшим под уменьшенным давлением); в этом виде гелий подвижен, бесцветен и является самой легкой после водорода жидкостью; температура кипения –268,75°, температура критическая –267,75°, критическое давление 2,3 Atm, поверхностное натяжение жидкого гелия слабое, наибольшая плотность 0,1459 при температуре –270,6°. Теплопроводность гелия при 0°, по опытам Шварца, 0,0003386. Из всех газов, после неона, гелий - лучший проводник электричества; его диэлектрическая крепость 18,3 (для неона 5,6, для воздуха 419).

Способность гелия диффундировать через прорезиненные ткани (оболочку аэростатов) в 1,47 раза менее чем водорода. Гелий, применяемый в воздухоплавании для наполнения дирижаблей, делает полет на них безопасным в пожарном отношении даже и в случае прибавления к гелию водорода в количестве 14% по объему (по опытам Американского бюро стандартов в 1918 году). Гелий был впервые открыт в 1868 г. в атмосфере солнца при изучении спектра во время солнечного затмения, наблюдавшегося в Индии. Новая яркая линия желтого цвета, замеченная в спектре и близкая к линиям D 1 и D 2 натрия, была названа Жансеном D 3 ; Франкленд и Локиер нашли, что она принадлежит еще неизвестному элементу, который они и назвали гелием ( - солнце). В 1888 году Гиллебрандт в газах, выделяющихся из некоторых урановых минералов при нагревании, обнаружил новый инертный газ, принятый им за аллотропическую разновидность азота; Рамзай в 1895 г. определил, что этот новый элемент - гелий, и т. о. доказал присутствие гелия и на земле; тогда же Кайзером было установлено присутствие гелия в воздухе; затем он был найден во многих минералах (преимущественно радиоактивных), в газах некоторых минеральных источников, рудников, вулканов, гейзеров и в естественных газах, выходящих из почвы. Количество гелия в атмосферном воздухе незначительно, по опытам Рамзая - 0,00041% по объему, по последующим опытам ~0,0005% (считают, что в 1000 м 3 воздуха содержится 5 л гелия) и 0,00007% по весу.

Извлечение гелия из воздуха (обычно методами фракционировки жидкого воздуха), в виду малого процентного содержания его, а также в виду сложности отделения гелия от других газов, например, неона (неона в воздухе в 3 раза больше, чем гелия), имеет только лабораторный характер. В минералах гелий находится в окклюдированном состоянии, будучи заключен в мелких порах минерала. Гелий добывается из клевеита (из 1 г клевеита - 7,2 см 3 гелия), из монацита (2,4 см 3), фергусонита (2 см 3), брогерита (1 см 3), торианита (8-9 см 3), эшинита (1 см 3) и др. урановых и ториевых минералов; гелий находится также в калиевых минералах, в кварце, берилле и др. Количество гелия, содержащегося в радиоактивных минералах, зависит от геологического возраста, от плотности породы и от содержания в них урана или тория. В газах минеральных источников, выделяющихся с поверхности воды в виде пузырьков, иногда содержится сравнительно большой % гелия; по исследованиям Мурё, содержание гелия в газах источников Франции достигает 10% по объему (источник в Santenay); однако, годовой дебит их незначителен (не более 5-10 м 3 гелия в год). Рудничные газы иногда богаты гелием, но выход их нерегулярен и, обычно, кратковременен. Вулканические газы пока мало изучены. Добывание гелия перечисленными путями имеет лабораторный характер. Промышленное значение имеет только добыча гелия из естественных газов, выходящих из недр земли. Исследования природных газов на гелий ведутся в США, Франции, Бельгии, Германии, Италии, Румынии, Австрии, однако большинство из обследованных здесь источников, кроме США, содержит незначительный % гелия или обладает очень малым годовым дебитом, так что мировая монополия на гелий остается за США.

В отношении СССР есть все основания предполагать, что гелиевая промышленность может получить значительное развитие в виду наличия большого количества источников природного газа, несомненно содержащих гелий, в целом ряде местностей (Средне-Волжская область, Кавказ, Кубань, Апшеронский полуостров и др.).

Применение гелия в воздухоплавании, устраняя опасность возгорания газа в дирижаблях, дает также возможность помещать моторы не в подвесных гондолах, как обычно, а внутри оболочки, что значительно уменьшит лобовое сопротивление и, следовательно, увеличит скорость корабля. Благодаря более медленной, чем у водорода, диффузии гелия через оболочку, подъемная сила дирижабля сохраняется лучше. Большое преимущество гелия - возможность легкой очистки уже использованного газа от загрязняющих его примесей, что делается путем пропускания его через специальные очистительные аппараты. Помимо воздухоплавания, гелий применяется (в сравнительно небольших количествах) и в других областях техники, а также для научных исследований, особенно для изучения различных процессов и свойств тел при очень низких температурах (испарением жидкого гелия достигнута температура –272,1°). Целый ряд вопросов физики, химии, биологии, ботаники, для решения которых нужна очень низкая температура, м. б. выяснен с помощью жидкого гелия. Для научных исследований гелий широко пользуются в ряде лабораторий различных стран, особенно же в Криогеническом институте в Лейдене (Голландия), где профессором Каммерлинг-Оннесом был при помощи гелия сделан ряд ценных научных открытий; например, обнаружено, что электропроводимость некоторых металлов при очень низких температурах увеличивается в миллионы раз по сравнению с электропроводимостью при обыкновенной температуре. Гелий употребляется и в электротехнической промышленности для ламп накаливания и для других ламп с вольфрамовыми наконечниками. По мере изучения гелия открывается ряд новых областей его применения.

Добывание гелия из естественных газов.

Месторождения гелия . В 1903 г. близ Декстера в Канзасе (США) была открыта неглубокая естественная трещина, выделявшая газ. Газ был почти несгораем и этим резко отличался от обыкновенных естественных газов. Г. П. Кеди и Д. Ф. Макфарленд, которым были посланы образцы этого газа для анализа, сообщили, что он состоит из 15% углеводородов и 85% инертного газа, по-видимому, азота. Дальнейшее исследование этой фракции показало, что кроме азота она содержит в себе ничтожные количества неона и аргона и 1,84% гелия. Были подвергнуты анализу газы, выделяемые и в других местах южного Канзаса и смежных областей, и все они оказались содержащими небольшие количества гелия. Хотя Кеди и Макфарленд опубликовали результаты своих исследований, важность этого сообщения не была должным образом оценена до начала войны 1914-18 гг. К этому времени гелий добывался исключительно из минеральных источников или из радиоактивных минералов. Тогда как при сжигании естественных газов Канзаса и смежных с ним областей миллионы м 3 гелия выпускались на воздух, количество этого газа, которое ученые могли иметь в своем распоряжении, вероятно, не превосходило 0,25 м 3 . Стоимость этого ничтожного количества газа составляла не менее 15000 долл.

В 1915 г., узнав о работе Кеди и Макфарленда, британское правительство ассигновало средства на производство изысканий на гелий в Онтарио - единственном месте в пределах британских владений, где существовал естественный газ в значительном количестве, а в 1917 году, по вступлении в войну, США также предприняли исследование всех источников газа, пригодных для промышленного добывания гелия для нужд военного воздухоплавания.

Месторождения, содержащие газ с 0,25-0,5% гелия, были найдены в округе Винтон, Огайо. Количество выходящего газа было, однако, невелико. Проба из Геврской газовой скважины в Монтане показала содержание гелия в 0,27%. Так как большая газовая скважина в Петролии (северный Техас) отличалась весьма высоким содержанием азота, то были предприняты изыскания именно в этой местности. Присутствие газовых месторождений со столь же высоким содержанием гелия, как и в Канзасе и северной Оклахоме, тотчас подтвердилось. Месторождение, найденное в северном Техасе, простиралось от округа Браун к северу до пограничной линии между Техасом и Оклахомой. Процентное содержание гелия значительно колебалось, и хотя в нескольких скважинах газы содержали более чем 0,25% гелия, только в Петролии содержание гелия было настолько велико, что могла идти речь о попытках его извлечения. Один из анализов показал 1,18% гелия, а в среднем содержание его несколько превышало 0,9%.

В Канзасе были найдены месторождения с содержанием гелия от 0,1 (или немного менее) почти до 0,2%. Значительные количества были найдены в скважине Эльдорадо, в округе Бетлер, где оказался газ с содержанием 1,1% гелия и 40% азота. Другим важным центром является скважина Августа в том же округе. Здесь горизонт на глубине 360-420 м показал 1,03-1,14% гелия. Процентное содержание гелия в этом горизонте не было показательным для других горизонтов, и на глубине 460 м его оказалось только 0,43%. Это различие между отдельными горизонтами было констатировано во всех исследованных скважинах, и объяснение этого явления представляет весьма трудную задачу для науки. Наивысшее содержание гелия было найдено в Декстере и связанных с ним неглубоких скважинах округа Каулей в Канзасе. Содержание гелия в этой области составляло от 0,9 до 2,0% (приблизительно). Впоследствии, в 1917-18 гг., было открыто много нефтяных и газовых месторождений. Некоторые из них содержали значительные количества гелия; одно из них, скважина Нокона близ Петролии, содержит 1,2% гелия. В течение 1927 г. вблизи прежних месторождений в Декстере был пробурен ряд скважин, который дал почти такое же содержание гелия, какое было определено Кеди и Макфарлендом двадцать лет тому назад. Это месторождение разрабатывается частным заводом The Helium С°.

Наиболее важным дополнением к существующим в США ресурсам гелия были месторождения в округе Пангендль юго-западного Техаса и система Вудсайд на плоскогории Юта. Месторождение округа Пангендль обнимает более 5000 км 2 . Небольшие количества гелия найдены во многих пунктах этого участка, но только незначительная часть общей площади считается в настоящее время пригодной для промышленной разработки. Тем не менее, предполагается, что количество имеющегося здесь гелия может обеспечить работу завода с ежемесячной производительностью 60000 м 3 в течение 20 лет.

После США наиболее многообещающие месторождения находятся, по-видимому, в Канаде. Считается, что из скважины Формост в провинции Альберта м. б. получено ежегодно 60000 м 3 гелия. Но содержание гелия в газе здесь составляет лишь 0,2%. Точно также скважина Бау-Айленд в той же провинции, как полагают, может дать ежегодно 35000 м 3 гелия из газа со средним содержанием гелия в 0,3%. Наибольшее содержание гелия имеют газовые скважины Онтарио, в особенности в округе Пиль, где открыт газ с содержанием 0,8% гелия. Но общий размер возможной добычи здесь мал и может составить приблизительно 6000 м 3 в год.

Содержание гелия в газах . Неодинаковое содержание гелия на различных горизонтах одной и той же скважины уже было указано выше. Равным образом и содержание гелия в различных скважинах, получающих свой газ на одном и том же горизонте в различных частях данной геологической системы, может представлять большие колебания. Некоторые авторы высказали предположение, что содержание гелия в каждой скважине уменьшается по мере уменьшения давления, оказываемого горной породой. В подтверждение этого взгляда они ссылаются на анализы, доказывающие, что среднее содержание гелия в газе Петролии было в ноябре 1926 г. 0,8986%, тогда как в июле 1925 г. оно составляло 1,1039%. Но такая разница может быть вызвана другими причинами, - быть может, установлением сообщения с более бедными скважинами. Эти различия в содержании гелия в пределах одной и той же скважины и то обстоятельство, что нередко скважины, тесно связанные с богатыми месторождениями гелия, оказываются совершенно лишенными его, весьма затрудняют составление какой-либо рабочей гипотезы относительно происхождения и распределения гелия.

Кеди и Макфарленд пришли к заключению, что содержание гелия пропорционально количеству азота. Это, может быть, и верно, вообще говоря, но существует много источников газов с весьма большим содержанием азота при почти полном отсутствии гелия. Предположение, что только негорючие газы способны давать более или менее значительные количества гелия, также оказалось ошибочным после открытия гелия в газе Петролии. До открытия гелия в системе Вудсайда предполагали, что газы, содержащие гелий, принадлежат исключительно горизонтам палеозойской эры, так как все образования средней полосы Огайо и Онтарио имеют именно такое геологическое происхождение. Газ Вудсайда происходит из горизонта ранней мезозойской эры, который расположен непосредственно над горными породами пермского периода (поздняя палеозойская эра). Газы Монтаны и некоторых скважин Альберты находятся в образованиях мелового периода. Интересно отметить, что газы образований третичного периода несравненно беднее гелием, нежели палеозойские горизонты.

По общему взгляду, содержание гелия в естественных газах не зависит от условий отложения тех материальных остатков, от которых происходят горючие составные части этих газов. Все ученые согласны в том, что гелий должен был произойти совершенно из других источников, чем горючие вещества, и его происхождение обыкновенно приписывается существованию радиоактивного центра вблизи или ниже тех осадочных горизонтов, где сосредоточивается гелий. Связь выделения гелия с теми областями центральных штатов, где произошли громадные сбросы древних кристаллических пород, указывает на существование центров радиоактивности в местах сбросов. Но потребуется еще много исследований, чтобы можно было прийти к какому-либо окончательному заключению по этому вопросу и судить о других вероятных месторождениях гелия (см. табл.).

Промышленное получение гелия . Как только было установлено присутствие достаточного количества гелия в Петролии, была предпринята постройка двух экспериментальных заводов в форте Уорт (Fort Worth), и затем начата постройка третьего завода в самой Петролии. Последний завод принял способ Джефриза-Нортона; один из заводов форта Уорт был проектирован и руководим обществом Linde Air Products С°, другой - обществом Air Reduction С°. Оба последних завода были рассчитаны на добычу около 200 м 3 гелия в день. Через шесть недель после пуска в ход завода Линде он стал давать небольшое количество 50%-ного гелия; четыре месяца спустя ежедневная продукция завода возросла до 140 м 3 70%-ного гелия; при дальнейшей очистке содержание гелия могло быть повышено до 93%. Проект общества Air Reduction С° был основан на методе Клода, который в течение ряда лет применялся им при добывании других газов. Этот метод, однако, не мог быть так легко, как способ Линде, приспособлен к добыванию гелия. Способ Джефриза-Нортона основан на тех же самых принципах, что и способ Клода, и хотя теоретически он должен быть продуктивнее остальных, тем не менее, он не дал надлежащих результатов вследствие ряда механических затруднений.

Практическое превосходство способа Линде выяснилось к осени 1918 года, и тогда был разработан проект постройки завода производительностью 1000 м 3 гелия в день. Постройка была начата в 1919 г., а в 1921 г. завод начал функционировать. Сначала производительность завода была мала, но небольшие изменения в конструкции значительно повысили ее и в июне 1925 г. завод достиг максимальной производительности 35000 м 3 гелия. После того производительность его сильно упала, вследствие уменьшения подачи газа из Петролии.

Задача получения гелия из естественного газа осложняется тем обстоятельством, что, помимо своей химической инертности и крайне низкой точки кипения, гелий составляет лишь ничтожную долю в самых богатых естественных газах. Все конструкции основаны на удалении углеводородов и азота в виде жидкостей и на получении гелия как остаточного газа. Так как это сопряжено с применением чрезвычайно низких температур, то необходимым условием является возможно более раннее удаление углекислоты во избежание замерзания. Конструкция всех заводов в общих чертах одинакова. Главное различие заключается в способе окончательного охлаждения и сжижения газов. Конструкция Линде основана на эффекте Джоуля-Томсона. В этой конструкции необходимая низкая температура достигается путем расширения охлажденных под высоким давлением газов в испарителе или приемнике низкого давления. В конструкции Клода температура, необходимая для сжижения других газов, кроме гелия, т. е. температура в –200°, достигается пропусканием части весьма сильно сгущенного газа через расширительный аппарат. С теоретической точки зрения процесс Клода более продуктивен, нежели процесс Линде. Но применение расширительной машины сопряжено с механическими затруднениями, которые оказались непреодолимыми для завода Air Reduction С°. В процессе Джефриза-Нортона стремились достичь большей экономичности путем применения трех расширительных аппаратов, работающих при различных температурных пределах. Теоретическая продуктивность метода выше, но механические затруднения еще больше, нежели при способе Клода.

Способ Линде . В пробной установке и при первом проектировании заводского добывания гелия по системе Линде естественный газ приводился в соприкосновение с известковой водой в специальных скрубберах при низком давлении для удаления углекислоты. Хорошие результаты, полученные в скрубберах с каустической содой, примененной первоначально в системе Джефриза-Нортона, побудили ввести их также и в конструкцию Линде. После этой предварительной обработки газ вступает в первый, или сепараторный, цикл (фиг. 1).

Часть газа вводится в четырехстепенные компрессоры, подвергающие его давлению до 140 atm. Другая часть газа пропускается через регулирующий клапан в трубопровод низкого давления. Этот трубопровод, а равно трубопровод из компрессора, проходит в предварительный холодильник, где газы охлаждаются наружным циклом углекислоты, а равно газами, возвращающимися из предыдущей обработки. Температура еще более понижается путем пропускания обоих трубопроводов через поглотитель тепла навстречу возвращающимся газам. Оба трубопровода затем проходят в нижнюю часть испарителя или сепаратора, сообщаясь с ним через ряд сопел, причем газ высокого давления здесь расширяется и охлаждает смесь. Сепаратор разделяется на три агрегата, из которых каждый имеет в верхней части собственную очистительную колонку и конденсатор, а внизу - приемник. В каждом агрегате известная часть газа выделяется в виде жидкости, а остающийся газ переходит в вышестоящий агрегат. Жидкость, испаряясь, служит для охлаждения выше стоящего агрегата. Углеводороды вместе с небольшой примесью азота, обратившиеся т. о. снова в газообразное состояние и понизив температуру встречных газов, идущих к сепаратору, выходят из сепаратора и направляются через поглотитель тепла и предварительный холодильник в компрессор, где их давление повышается до уровня давления газа трубопровода городской сети. Чистый азот удаляется из верхней части сепаратора в виде газа, после того как он содействовал сжижению части азота в верхнем агрегате. Неочищенный гелий, т. е. газ, содержащий приблизительно 35-40% чистого гелия в смеси почти исключительно с азотом, выходит из верхнего агрегата в специальный газгольдер и потом поступает в очистительный цикл.

Во втором, очистительном, цикле (фиг. 2) неочищенный гелий подвергается давлению в 70 atm и направляется в предварительный холодильник и поглотитель тепла. В первом его температура понижается при помощи наружного цикла углекислоты и газа, возвращающегося из очистителя. Во втором охлаждающее действие достигается при помощи возвращающегося газа в соединении со змеевиками, через которые проходит гелий из очистителя. Окончательное охлаждение и сжижение всех газов, кроме гелия, происходит в очистителе, в котором низкая температура достигается при помощи наружного цикла азота. Последний получается из сепаратора предыдущего цикла. Получаемый из очистителя газ содержит 91-92%, и даже более, чистого гелия.

Другие способы получения гелия . Главное различие между процессом Линде и способом, применявшимся ранее на пробной установке, заключается в том, что в последней сжижение достигалось гл. обр. применением наружного охлаждающего цикла системы Клода. Основные принципы системы, применяемой заводом The Helium С°, в Декстере, почти ничем не отличаются от способа завода в форте Уорт. Главное различие состоит в способе утилизации низких температур жидкостей и газов, полученных во время процесса, для охлаждения вновь поступающих газов. Внешний охладительный цикл отсутствует; отделение гелия от других газов происходит в коллекторе сжиженного газа; сжижение азота, а равно и углеводородов, по-видимому, происходит в змеевиках поглотителя тепла и в трубах, ведущих к коллектору. Коллектор служит местом для выделения гелия из жидких углеводородов и азота.

Транспорт и хранение гелия . Обращение с этим чрезвычайно редким газом составляет само по себе отнюдь не простую задачу. До последнего времени гелий всегда перевозился в стальных цилиндрах, емкостью 0,04 м 3 , наподобие тех баллонов, которые употребляются и для других газов. Газ находился под давлением 130-140 atm, так что каждый такой цилиндр вмещал до 5,0 м 3 гелия, приведенного к атмосферному давлению. Емкость простого товарного вагона составляла 380 цилиндров. В настоящее время все количество гелия, вырабатываемое заводами, перевозится в специальных вагонах-цистернах, принадлежащих армии и флоту США. Эти цистерны вмещают 42,5 м 3 газа, т. е. приблизительно втрое больше против прежнего. Вагон-цистерна состоит из плоской платформы стальной конструкции и трех стальных бесшовных цилиндров. Цилиндры протянуты по всей длине вагона и имеют внутренний диаметр 137 см. Так как они д. б. рассчитаны на давление в 140 atm, то их конструкция должна быть весьма тяжела, и стальные стенки должны иметь 75 мм толщины. Тара вагона составляет около 100 т, а стоимость - 85000 долларов. Вес гелия на вагон составляет около 1 т. Высокая стоимость и чрезмерный вес этих вагонов побудили завод Chicago Bridge and Iron Works заняться вопросом о постройке более легкого вагона. Проектированный вагон будет состоять из 48 бесшовных стальных цилиндров с внутренним диаметром 35 мм и длиной, равной длине вагона. Вместимость его будет такова же, как трехцилиндрового. Пока, однако, на постройку этих вагонов никаких средств не отпущено. Утечка газа из цилиндров составляет 10% в год. Так как она происходит исключительно через клапаны, то весьма желательно употреблять большие цилиндры.

Повторная очистка гелия . Подъемная сила гелия считается равной 92% подъемной силы водорода, но это справедливо лишь для совершенно чистого гелия. Так, например, гелий, получавшийся из форта Уорт, лишь с трудом мог быть употребляем для дирижабля «Шенандоа», рассчитанного на водород. Когда содержание гелия благодаря диффузии доходит до 85%, необходима новая очистка.

Экспериментальные исследования Криогенической лаборатории Горного бюро США показали, что активированный уголь при низкой температуре способен адсорбировать почти все газы, содержащиеся в нечистом гелии. Бюро соорудило для армии небольшой передвижной аппарат для такой очистки гелия. Однако, стоимость очистки оказалась слишком высокой благодаря непостоянству действия «угольных горшков», применяющихся при этой операции, и этот способ не получил применения. Поэтому был установлен в Лекгерсте (Нью-Джерси) стационарный очистительный агрегат. Применяемый здесь способ в главных чертах совпадает с принципами очистительного цикла системы Линде форта Уорт. Нечистый газ вводится в скруббер, в котором он освобождается от углекислоты. Отсюда он переходит в компрессор, где давление доводится до 140 atm. Затем газ пропускается через батарею осушительных сосудов, наполненных силикатным гелем, для удаления влажности. Отсюда газ переводится в поглотитель тепла, где он охлаждается чистым гелием, идущим в хранилище. Из поглотителя газ поступает в первичный чиститель, где он еще более охлаждается и где конденсируется часть примесей. Окончательное сжижение происходит в змеевике и коллекторе вторичного чистителя. Последний окружен капельножидким воздухом, который образуется во внешнем цикле системы Клода. Конденсированные примеси, собирающиеся на дне коллектора, также идут в помощь жидкому воздуху для охлаждения агрегата. После этой очистки газ достигает обыкновенно чистоты 98%.

Стоимость и применение гелия . До настоящего времени в США добыто в общем около 1 млн. м 3 гелия. Стоимость производства гелия при возникновении его промышленной добычи в форте Уорт составляла около 23,6 долл. за 100 м 3 . Она постепенно уменьшалась и достигла в 1924 году 15,7 долл. Так как цена водорода равняется 1 доллару за 100 м 3 , то водород еще некоторое время будет находить применение для дирижаблей. Однако надо иметь в виду, что подвергать водород новой очистке нет расчета, и поэтому для снабжения дирижабля в течение года требуются весьма большие количества водорода. Повторная очистка гелия в Лекгерсте обходится лишь в 0,4-0,6 долл. за 100 м 3 . Если производить повторную очистку гелия по мере надобности, то, как показывает опыт, для функционирования дирижабля требуется ежегодно двойное против его емкости количество гелия; так, например, для функционирования дирижабля «Лос-Анжелес», емкостью 70000 м 3 , требуется в течение года 140000 м 3 гелия. Сооружение более мощных дирижаблей, предусмотренное Конгрессом США, соответственно увеличит потребность в гелии.

Окружающий нас мир состоит из ~ 100 различных химических элементов. Как они образовались в естественных условиях? Подсказку для ответа на этот вопрос даёт относительная распространенность химических элементов. Среди наиболее существенных особенностей распространенности химических элементов Солнечной системы можно выделить следующие.

1. Вещество во Вселенной в основном состоит из водорода H – ~ 90% всех атомов.
2. По распространенности гелий He занимает второе место, составляя ~ 10% от числа атомов водорода.
3. Существует глубокий минимум, соответствующий химическим элементам литий Li, бериллий Be и бор B.
4. Сразу за глубоким минимумом Li, Be, В следует максимум, обусловленный повышенной распространенностью углерода C и кислорода O.
5. Вслед за кислородным максимумом идет скачкообразное падение распространенности элементов вплоть до скандия (А = 45).
6. Наблюдается резкое повышение распространенности элементов в районе железа A = 56 (группа железа).
7. После A = 60 уменьшение распространенности элементов происходит более плавно.
8. Наблюдается заметное различие между химическими элементами с четным и нечетным числом протонов Z . Как правило, химические элементы с четными Z являются более распространенными.

Ядерные реакции во Вселенной

t = 0		Большой взрыв. Рождение Вселенной
t = 10 -43 с		Эра квантовой гравитации. Струны ρ = 10 90 г/см 3 , T = 10 32 K
t = 10 - 35 с		Кварк-глюонная среда ρ = 10 75 г/см 3 , T = 10 28 K
t = 1 мкс		Кварки объединяются в нейтроны и протоны ρ = 10 17 г/см 3 , T = 6·10 12 K
t = 100 с		Образование дозвездного 4 He ρ = 50 г/см 3 , T = 10 9 K
t = 380 тыс. лет		Образование нейтральных атомов ρ = 0.5·10 -20 г/см 3 , T = 3·10 3 K
t = 10 8 лет	Первые звезды	Горение водорода в звездах ρ = 10 2 г/см 3 , T = 2·10 6 K Горение гелия в звездах ρ = 10 3 г/см 3 , T = 2·10 8 K Горение углерода в звездах ρ = 10 5 г/см 3 , T = 8·10 8 K Горение кислорода в звездах ρ = 10 5 ÷10 6 г/см 3 , T = 2·10 9 K Горение кремния в звездах ρ = 10 6 г/см 3 , T = (3÷5)·10 9 K
t = 13.7 млрд. лет		Современная Вселенная ρ = 10 -30 г/см 3 , T = 2.73 K

Дозвездный нуклеосинтез. Образование 4 He

Космологический синтез гелия – основной механизм его образования во Вселенной. Синтез гелия из водорода в звёздах увеличивает долю 4 He по массе в барионной материи примерно на 10%. Механизм дозвёздного образования гелия количественно объясняет распространённость гелия во Вселенной и является сильным аргументом в пользу догалактической фазы его образования и всей концепции Большого Взрыва.
Космологический нуклеосинтез позволяет объяснить распространённость во Вселенной таких легчайших ядер как дейтерий (2 H), изотопы 3 He и 7 Li. Однако их количества ничтожны по сравнению с ядрами водорода и 4 He. По отношению к водороду дейтерий образуется в количестве 10 -4 -10 -5 , 3 He – в количестве ≈ 10 -5 , а 7 Li – в количестве ≈ 10 -10 .
Для объяснения образования химических элементов в 1948 году Г. Гамовым была выдвинута теория Большого взрыва. Согласно модели Гамова, синтез всех химических элементов происходил во время Большого взрыва в результате неравновесного захвата атомными ядрами нейтронов с испусканием γ-квантов и последующим β - -распадом образовавшихся ядер. Однако расчеты показали, что в этой модели невозможно объяснить образование химических элементов тяжелее Li. Оказалось, что механизм образования лёгких ядер (A < 7) связан с условиями, существовавшими во Вселенной в течение первых трех минут. Более тяжелые ядра образовались в результате ядерных реакций, происходящих при горении звезд.

Дозвездная стадия образования легчайших ядер. На этапе эволюции Вселенной через 100 с после Большого взрыва при температуре ~ 10 9 К вещество во Вселенной состояло из протонов p, нейтронов n, электронов e - , позитронов e + , нейтрино ν, антинейтрино и фотонов γ. Излучение, находилось в тепловом равновесии с электронами e - , позитронами e + и нуклонами.

В условиях термодинамического равновесия вероятность образования системы с энергией E N , равной энергии покоя нуклона, описывается распределением Гиббса . Поэтому в условиях термодинамического равновесия соотношение между числом нейтронов и протонов будет определяться разностью масс нейтрона и протона

Образование электрон-позитронных пар прекращается при Т < 10 10 К, так как энергии фотонов становятся ниже порога образования e - e + -пар (~ 1 МэВ). К концу равновесной стадии на каждый нейтрон приходилось 5 протонов. Так как на этом этапе эволюции Вселенной плотность протонов и нейтронов была велика, сильное ядерное взаимодействие между ними привело к образованию 4 He и небольшого количества изотопов Li и Be.

Основные реакции дозвездного нуклеосинтеза:

p + n → d + γ, d + p → 3 He + γ,		3 He + n → 3 He + p
d + d →	3 He + n,	3 He + n 3 H + p, 3 H + p 4 He + , 3 H + d 4 He + n.
	3 H + p,

Так как стабильных ядер с А = 5 не существует, ядерные реакции завершаются в основном образованием 4 Не. 7 Ве, 6 Li и 7 Li составляют лишь ~ 10 –9 – 10 –12 от образования изотопа 4 Не. Практически все нейтроны исчезают, образуя ядра 4 Не. При плотности вещества ρ ~ 10 –3 – 10 –4 г/см 3 вероятность того, что нейтрон и протон не провзаимодействуют за время первичного нуклеосинтеза составляет менее 10 –4 . Так как в начале на один нейтрон приходилось 5 протонов, соотношение между числом ядер 4 Не и р должно быть ~ 1/10. Таким образом, соотношение распространенностей водорода и гелия, наблюдаемое в настоящее время, сформировалось в течение первых минут существования Вселенной. Расширение Вселенной привело к понижению её температуры и прекращению первичного дозвездного нуклеосинтеза.

Образование химических элементов в звездах. Так как процесс нуклеосинтеза на ранней стадии эволюции Вселенной закончился образованием водорода, гелия и небольшого количества Li, Be, В, необходимо было найти механизмы и условия, при которых могли образоваться более тяжелые элементы.
Г.Бете и К.Вайцзеккер показали, что соответствующие условия существуют внутри звезд. Более тяжелые ядра образовались лишь через миллиарды лет после Большого взрыва в процессе звездной эволюции. Образование химических элементов в звездах начинается с реакции горения водорода с образованием 4 Не.

Г. Бете, 1968 г.: «С незапамятных времен люди хотели знать, за счёт чего поддерживается свечение Солнца. Первая попытка научного объяснения была предпринята Гельмгольцем около ста лет назад. Она была основана на использовании самых известных в то время сил – сил всемирного тяготения. Если один грамм вещества падает на поверхность Солнца, он приобретает потенциальную энергию

E п = -GM/R = -1.91·10 15 эрг/г.

Известно, что в настоящее время мощность излучения Солнца определяется величиной

ε = 1.96 эрг/г×с.

Следовательно, если источником энергии является тяготение, запас гравитационной энергии может обеспечить излучение в течение 10 15 с, т.е. в период около тридцати миллионов лет…
В конце XIX века Беккерель, Пьер и Мария Кюри открыли радиоактивность. Открытие радиоактивности позволило определить возраст Земли. Несколько позже удалось определить возраст метеоритов, по которому можно было судить, когда в Солнечной системе появилось вещество в твердой фазе. Из этих измерений можно было установить, что возраст Солнца с точностью до 10% составляет 5 млрд. лет. Таким образом, тяготение не может обеспечить нужный запас энергии на всё это время…
С начала 30-х годов стали склоняться к тому, что звездная энергия возникла за счет ядерных реакций… Простейшей из всех возможных реакций будет реакция

H + H → D + e + + ν.

Так как процесс первичного нуклеосинтеза завершился в основном образованием ядер 4 He в результате реакций взаимодействия p + n, d + d, d + 3 He, d + 3 H и были израсходованы все нейтроны, необходимо было найти условия, при которых образовались более тяжелые элементы. В 1937 г. Г. Бете создал теорию, объясняющую происхождение энергии Солнца и звезд в результате реакций слияния ядер водорода и гелия, идущими в центре звезд. Так как в центре звезд не было достаточного количества нейтронов для реакций типа p + n, то в них могли продолжаться только реакции
p + p → d + e + + ν. Эти реакции протекали в звездах, когда температура в центре звезды достигала 10 7 К, а плотность − 10 5 кг/м 3 . То обстоятельство, что реакция p + p → d + e + + ν происходила в результате слабого взаимодействия, объясняло особенности диаграммы Герцшпрунга–Рассела.

Нобелевская премия по физике
1967 г. − Г. Бете
За вклад в теорию ядерных реакций, и особенно за открытие источника энергии звезд.

Сделав разумные предположения о силе реакций на основе общих принципов ядерной физики, я обнаружил в 1938 г., что углеродно-азотный цикл может обеспечить необходимое выделение энергии на Солнце… Углерод служит только катализатором; результатом реакции является комбинация четырех протонов и двух электронов, образующих ядро 4 He. В этом процессе испускаются два нейтрино, уносящих с собой энергию примерно 2 МэВ. Остающаяся энергия около 25 МэВ на цикл освобождается и поддерживает температуру Солнца неизменной… Это была та основа, на которой Фаулер и другие рассчитали скорости реакции в (С,N)-цикле» .

Горение водорода. Возможны две различные последовательности реакций горения водорода - преобразование четырех ядер водорода в ядро 4 He, которое может обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды:

• протон-протонная цепочка (рр-цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий;
• углеродно-азотно-кислородный цикл (CNO-цикл), в котором в качестве катализаторов участвуют ядра С, N и О.

Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды. В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон-протонная цепочка. В более массивных звездах, имеющих более высокую температуру, основным источником энергии является CNO-цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра С, N и О. Температура внутренних слоев Солнца составляет 1.5∙10 7 К и доминирующую роль в выделении энергии играет протон-протонная цепочка.

Зависимость от температуры логарифма скорости V выделения энергии в водородном (pp) и углеродном (CNO) циклах

Горение водорода. Протон-протонная цепочка. Ядерная реакция

p + p → 2 H + e + + ν e + Q,

начинается в центральной части звезды при плотностях ≈100 г/см 3 . Эта реакция останавливает дальнейшее сжатие звезды. Тепло, выделяющееся в процессе термоядерной реакции горения водорода, создаёт давление, которое противодействует гравитационному сжатию и не позволяет звезде коллапсировать. Происходит качественное изменение механизма выделения энергии в звезде. Если до начала ядерной реакции горения водорода нагревание звезды происходило, главным образом, за счёт гравитационного сжатия, то теперь появляется другой доминирующий механизм – энергия выделяется за счёт ядерных реакций синтеза.

Звезда приобретает стабильные размеры и светимость, которые для звезды с массой, близкой к солнечной, не меняется в течение миллиардов лет, пока происходит «сгорание» водорода. Это самая длительная стадия звёздной эволюции. В результате сгорания водорода из каждых четырёх ядер водорода образуется одно ядро гелия. Наиболее вероятная цепочка ядерных реакций на Солнце, приводящих к этому, носит название протон-протонного цикла и выглядит следующим образом:

p + p → 2 H + e + + ν e + 0.42 МэВ,
p + 2 H → 3 He + 5.49 МэВ,
3 He + 3 He → 4 He + p + p + 12.86 МэВ

или в более компактном виде

4p → 4 He + 2e + + 2ν e + 24.68 МэВ.

Единственным источником, дающим информацию о событиях, происходящих в недрах Солнца, являются нейтрино. Спектр нейтрино, образующихся на Солнце в результате горения водорода в реакции 4p → 4 He и в CNO-цикле, простирается от энергии 0.1 МэВ до энергии ~12 МэВ. Наблюдение солнечных нейтрино позволяет осуществить непосредственную проверку модели термоядерных реакций на Солнце.
Выделяемая энергия в результате рр-цепочки составляет 26.7 МэВ. Испускаемые Солнцем нейтрино зарегистрированы наземными детекторами, что подтверждает протекание на Солнце реакции синтеза.
Горение водорода. CNO-цикл. Особенность CNO-цикла состоит в том, что он, начинаясь с ядра углерода, сводится к последовательному связыванию 4-х протонов с образованием в конце CNO-цикла ядра 4 Не

l2 C + p → 13 N + γ
13 N → 13 C + e + + ν
13 C + p → 1 4 N + γ
14 N + p → 15 O + γ
15 O → 15 N + e + + ν
15 N + p → 12 C + 4 He

CNO-цикл

Цепочка реакций I

12 C + p → 13 N + γ (Q = 1.94 МэВ),
13 N → 13 C + e + + ν e (Q = 1.20 МэВ, T 1/2 = 10 мин),
13 C + p → 1 4 N + γ (Q = 7.55 МэВ),
14 N + p → 15 O + γ (Q = 7.30 МэВ),
15 O → 15 N + e + + ν e (Q = 1.73 МэВ, T 1/2 = 124 с),
15 N + p → 12 C + 4 He (Q = 4.97 МэВ).

Цепочка реакций II

15 N + p → 16 O + γ (Q = 12.13 МэВ),
16 O + p → 17 F + γ (Q = 0.60 МэВ),
17 F → 17 O + e + + ν e (Q = 1.74 МэВ, T 1/2 =66 c),
17 O + p → 14 N + ν (Q = 1.19 МэВ).

Цепочка реакций III

17 O + p → 18 F + γ (Q = 6.38 МэВ),
18 F → 18 O + e + + ν e (Q = 0.64 МэВ, T 1/2 =110 мин),
18 O + p → 15 N + α (Q = 3.97 МэВ).

Основное время эволюции звезды связано с горением водорода. При плотностях, характерных для центральной части звезды, горение водорода происходит при температуре (1–3)∙10 7 К. При этих температурах требуется 10 6 – 10 10 лет для того, чтобы значительная часть водорода в центре звезды переработалась в гелий. При дальнейшем повышении температуры в центре звезды могут образовываться более тяжелые химические элементы Z > 2. Звезды главной последовательности сжигают водород в центральной части, где из-за более высокой температуры ядерные реакции происходят наиболее интенсивно. По мере выгорания водорода в центре звезды реакция горения водорода начинает перемещаться к периферии звезды. Температура в центре звезды непрерывно возрастает и когда она достигнет 10 6 К начинаются реакции горения 4 Не. Реакция 3α → 12 C + γ наиболее важна для образования химических элементов. Она требует одновременного соударения трех α-частиц и возможна благодаря тому, что энергия реакции 8 Be + 4 He совпадает с резонансом возбужденного состояния 12 C. Наличие резонанса резко увеличивает вероятность слияния трех α-частиц.

Образование средних ядер A < 60. Какие ядерные реакции будут происходить в центре звезды, зависит от массы звезды, которая должна обеспечить высокую температуру за счет гравитационного сжатия в центре звезды. Так как теперь в реакциях синтеза участвуют ядра с большим Z, центральная часть звезды сжимается всё больше, температура в центре звезды повышается. При температурах несколько миллиардов градусов происходит разрушение ранее образовавшихся стабильных ядер, образуются протоны, нейтроны, α-частицы, высокоэнергичные фотоны, что приводит к образованию химических элементов всей Периодической таблицы Менделеева вплоть до железа. Образование химических элементов тяжелее железа происходит в результате последовательного захвата нейтронов и последующего β - -распада.
Образование средних и тяжелых ядер A > 60. В процессе термоядерного синтеза в звёздах образуются атомные ядра вплоть до железа. Дальнейший синтез невозможен, так как ядра группы железа обладают максимальной удельной энергией связи. Образованию более тяжёлых ядер в реакциях с заряженными частицами - протонами и другими лёгкими ядрами − препятствует увеличивающийся кулоновский барьер тяжелых ядер.

Образование элементов 4 He → 32 Ge.

Эволюция массивной звезды M > M

По мере вовлечения в процесс горения элементов с всё большими значениями Z температура и давление в центре звезды увеличиваются со всё возрастающей скоростью, что в свою очередь увеличивает скорость ядерных реакций. Если для массивной звезды реакция горения водорода продолжается несколько миллионов лет, то горение гелия происходит в 10 раз быстрее. Процесс горения кислорода длится около 6 месяцев, а горение кремния происходит за сутки.
Распространённость элементов, расположенных в области за железом, относительно слабо зависит от массового числа А. Это свидетельствует об изменении механизма образования этих элементов. Необходимо принять во внимание то, что большинство тяжёлых ядер являются β- радиоактивными. В образовании тяжёлых элементов решающую роль играют реакции захвата ядрами нейтронов (n, γ):

(A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.

В результате цепочки чередующихся процессов захвата ядрами одного или нескольких нейтронов с последующим β - -распадом увеличиваются массовые числа А и заряд Z ядер и из исходных элементов группы железа образуются все более тяжёлые элементы вплоть до конца Периодической таблицы.

В стадии сверхновой центральная часть звезды состоит из железа и незначительной доли нейтронов и α-частиц – продуктов диссоциации железа под действием γ- квантов. В районе
M/M = 1.5 преобладает 28 Si. 20 Ne и 16 О составляют основную долю вещества в области от 1.6 до 6 M/M. Внешняя оболочка звезды (M/M > 8) состоит из водорода и гелия.
На этой стадии в ядерных процессах происходит не только выделение энергии, но и её поглощение. Массивная звезда теряет устойчивость. Происходит взрыв Сверхновой, при котором значительная часть химических элементов, образовавшихся в звезде, выбрасывается в межзвездное пространство. Если звезды первого поколения состояли из водорода и гелия, то в звездах последующих поколений уже в начальной стадии нуклеосинтеза присутствуют более тяжелые химические элементы.

Ядерные реакции нуклеосинтеза. Е. Бербидж, Г. Бербидж, В. Фаулер, Ф. Хойл в 1957 году дали следующее описание основных процессов звездной эволюции, в которых происходит образование атомных ядер.

1. Горение водорода, в результате этого процесса образуются ядра 4 Не.

Горение гелия. В результате реакции 4 Не + 4 Не + 4 Не → 12 С + γ образуются ядра 12 С.

2. α-процесс. В результате последовательного захвата α-частиц образуются α-частичные ядра 16 O, 20 Ne, 24 Mg, 28 Si, ...
3. е-процесс. При достижении температуры 5∙10 9 К в звездах в условиях термодинамического равновесия протекает большое количество разнообразных реакций, в результате чего образуются атомные ядра вплоть до Fe и Ni. Ядра с А ~ 60 – наиболее сильно связанные атомные ядра. Поэтому на них заканчивается цепочка ядерных реакций синтеза, сопровождающихся выделением энергии.
4. s-процесс. Ядра тяжелее Fe образуются в реакциях последовательного захвата нейтронов. Очень часто ядро, захватившее нейтрон, оказывается β - -радиоактивным. Прежде чем ядро захватит следующий нейтрон, оно может распасться в результате β - -распада. Каждый β - -распад повышает порядковый номер образующихся атомных ядер на единицу. Если интервал времени между последовательными захватами нейтронов больше периодов β - -распада, процесс захвата нейтронов называется s-процессом (slow). Таким образом, ядро в результате захвата нейтронов и последующих β - -распадов становится все тяжелее, но при этом оно не отходит слишком далеко от долины стабильности на N-Z-диаграмме.
5. r-процесс. Если скорость последовательного захвата нейтронов гораздо больше скорости β - -распада атомного ядра, то оно успевает захватить сразу большое число нейтронов. В результате r-процесса образуется нейтроноизбыточное ядро, сильно удаленное от долины стабильности. Лишь затем оно, в результате последовательной цепочки β - -распадов, превращается в стабильное ядро. Обычно считается, что г-процессы происходят в результате взрывов Сверхновых.
6. Р-процесс. Некоторые стабильные нейтронодефицитные ядра (так называемые обойденные ядра) образуются в реакциях захвата протона, в реакциях (γ ,n ) или в реакциях под действием нейтрино.

Синтез трансурановых элементов. В Солнечной системе сохранились лишь те химические элементы, время жизни которых больше возраста Солнечной системы. Это 85 химических элементов. Остальные химические элементы были получены в результате различных ядерных реакций на ускорителях или в результате облучения в ядерных реакторах. Синтез первых трансурановых элементов в лабораторных условиях был осуществлен с помощью ядерных реакций под действием нейтронов и ускоренных α-частиц. Однако дальнейшее продвижение к более тяжелым элементам оказалось таким способом практически невозможным. Для синтеза элементов тяжелее менделевия Md (Z = 101) используют ядерные реакции с более тяжелыми многозарядными ионами – углеродом, азотом, кислородом, неоном, кальцием. Для ускорения тяжелых ионов начали строиться ускорители многозарядных ионов.

Нобелевская премия по физике
1983 г. − В. Фаулер
За теоретические и экспериментальные исследования ядерных процессов важных при образовании химических элементов во Вселенной.

Год открытия	Химический элемент	Z	Реакция
1936	Np, Pu	93, 94
1945	Am	95
1961	Cm	96
1956	Bk	97
1950	Cf	98
1952	Es	99
1952	Fm	100
1955	Md	101
1957	No	102
1961	Lr	103
1964	Rf	104
1967-1970	Db	105
1974	Sg	106
1976	Bh	107
1984-1987	Hs	108
1982	Mt	109
1994	Ds	110
1994	Rg	111
1996	Cn	112
2004		113, 115
1998		114
2000		116
2009		117
2006		118

Э.Резерфорд: «Если существуют элементы более тяжелые чем уран, то вполне вероятно, что они окажутся радиоактивными. Исключительная чувствительность методов химического анализа, основанная на радиоактивности, позволит опознать эти элементы, даже если они будут присутствовать в ничтожно малых количествах. Поэтому можно ожидать, что число радиоактивных элементов в незначительных количествах гораздо больше, чем три известных в настоящее время радиоактивных элемента. Чисто химические методы исследования окажутся малопригодными на первом этапе изучения таких элементов. Основными факторами здесь являются постоянство излучения, их характеристики и существование или отсутствие эманаций или других продуктов распада».

Химический элемент с максимальным порядковым номером Z = 118 был синтезирован в Дубне в сотрудничестве с Ливерморской лабораторией США. Верхняя граница существования химических элементов связана с их нестабильностью относительно радиоактивного распада. Дополнительная устойчивость атомных ядер наблюдается вблизи магических чисел. Согласно теоретическим оценкам должны существовать дважды магические числа Z = 108, N = 162 и Z = 114, N = 184. Период полураспада ядер, имеющих такие числа протонов и нейтронов, может составить сотни тысяч лет. Это так называемые «острова стабильности». Проблема образования ядер «острова стабильности» состоит в сложности подбора мишеней и ускоряемых ионов. Синтезированные в настоящее время изотопы 108 – 112 элементов имеют слишком малое число нейтронов. Как следует из измеренных периодов полураспада изотопов 108 – 112 элементов увеличение числа нейтронов на 6 – 10 единиц (т.е. приближение к острову стабильности) приводит к увеличению периода α-распада в 10 4 – 10 5 раз.
Так как число сверхтяжелых ядер Z > 110 исчисляется единицами, необходимо было разработать метод их идентификации. Идентификация вновь образованных химических элементов проводится по цепочкам их последовательных α-распадов, что увеличивает надежность результатов. Такой метод идентификации трансурановых элементов имеет преимущество перед всеми другими методами, т.к. основан на измерении коротких периодов α-распада. В то же время химические элементы острова стабильности по теоретическим оценкам могут иметь периоды полураспада, превышающие месяцы и годы. Для их идентификации необходима разработка принципиально новых методов регистрации, основанных на идентификации единичного числа ядер в течение нескольких месяцев.

Г. Флеров, К, Петржак: «Предсказание возможного существования новой области в периодической системе элементов Д.И. Менделеева - области сверхтяжелых элементов (СТЭ) - является для науки об атомном ядре одним из самых существенных следствий эксперимен­тального и теоретического исследований процесса спонтанного деления. Сумма наших знаний об атомном ядре, полученная на протяжении по­следних четырех десятилетий, делает это предсказание достаточно надеж­ным и. что важно, не зависящим от выбора того или иного конкретного варианта оболочечной модели. Ответ на вопрос о существовании СТЭ означал бы, пожалуй, наиболее критическую проверку самой концепции об оболочечной структуре ядра - основной ядерной модели, успешно выдерживавшей до сих пор многие испытания при объяснении свойств известных атомных ядер.
Более конкретно устойчивость самых тяжелых ядер определяется главным образом их спонтанным делением, и потому необходимым условием существования таких ядер является наличие у них барьеров относительно деления. Для ядер от урана до фермия оболочечная составляющая в барье­ре деления, хотя и приводят к некоторым интереснейшим физическим явлениям, все же не оказывает критического влияния на их стабильность и проявляется в суперпозиции с жидкокапелъной составляющей барьера. В области СТЭ капельная составляющая барьера полностью исчезает, и ста­бильность сверхтяжелых ядер определяется проницаемостью чисто оболочечного барьера.
Вместе с тем, если для принципиального существования ядер СТЭ достаточно наличия барьера, то для экспериментальной проверки такого предсказания требуется знание времени жизни ядер СТЭ относительно спонтанного деления, так как при любой конкретной постановке эксперимента по их поиску невозможно охватить весь диапазон времен жизни - от 10 10 лет до 10 -10 с. Выбор методики эксперимента существенно зависит от того, в каком интервале времен жизни проводится исследование.
Как уже говорилось, неопределенность теоретического расчета периода спонтанного деления T SF слишком велика – не менее 8–10 порядков. Эта неопределенность априори не исключает ни одной из возможностей получения или обнаружения СТЭ, и в качестве направлений экспериментального решения проб­лемы можно выбрать как поиск СТЭ в природе (на Земле, в объектах космического происхождения, в составе космического излучения и т.д.), так и искусственное получение элементов на ускорителях (в ядерных реакциях между сложными ядрами).
Очевидно, что поиск СТЭ в земных объектах может привести к успеху только при счаст­ливом стечении двух обстоятельств. С одной стороны, должен существовать эффективный механизм нуклеосинтеза, с достаточной вероятностью приводящий к образованию атомных ядер СТЭ. С другой стороны, нужно, чтобы существовал хотя бы один нуклид, принадлежащий к новой области стабильности, который имел бы время жизни, сравнимое со временем жизни Земли, – 4.5 ·10 9 лет.
Если речь идет о присутствии СТЭ в объектах внеземного происхож­дении – в метеоритах, космическом излучении и т.п., то такие поиски могут привести к успеху даже в том случае, если время жизни ядер СТЭ существенно меньше 10 10 лет: такие объекты могут оказаться значительно моложе земных образцов (10 7 –10 8 лет)».

Минотавр
Неповторимость облика атома гелия определяется сочетанием в нем двух удивительных природных конструкций – абсолютных чемпионов по компактности и прочности. В ядре гелия, гелия-4, насыщены обе внутриядерные оболочки – и протонная, и нейтронная. Молекулы гелия неполярны. Второго такого вещества в природе нет.

Российская Национальная Конференция по Теплообмену (РНКТ)

Средства массовой информации упорно внедряют в сознание масс мысль о том, что ""российская наука умерла"". И хотя называть эту самую науку бодрой и здоровой оснований вроде бы мало, хоронить её определённо преждевременно. Одним из доказательств живучести научных школ и приверженцев теоретической и прикладной физики является Российская Национальная Конференция по Теплообмену - своеобразная отечественная интеллектуальная олимпиада для физиков, занимающихся вопросами теплообмена. Широкая география участников, очередь заявок на участие, конкурс докладов, которые будут представлены, однозначно свидетельствуют о том, что отечественная наука жива и востребована в важнейших сферах промышленности.

Минотавр
Система пожаротушения OneU предназначена для тушения возгораний в серверных и коммуникационных шкафах 19 дюймов. Устройство газового пожаротушения OneU может быть представлено тремя типами – OneU short (автоматическое устройство газового тушения пожаров), OneU ED NG (это устройство газового пожаротушения, не имеющее встроенной аспирационной системы) и OneU DD (аспирационный извещатель также без встроенного модуля пожаротушения).

Минотавр
На что мы прежде всего обращаем внимание в ресторане? Интерьер, чистота скатертей, внешний вид обслуживающего персонала создают первое впечатление. Качество еды, уровень сервиса, соответствие ресторана нашим ожиданиям формируют основное впечатление. Публика в ресторанном зале, музыка, свет и прочий антураж дополняют образ и вносят окончательную ясность в наше восприятие заведения в целом. На что мы никогда не обращаем внимания? На безопасность. И не от террористов, бандитов или скинхедов, хотя и это важно. От опасной стихии - пожара.

Т.Захарова
С технической стороны Spark стал современнее. За счет более широкого применения в несущей конструкции высокопрочных сплавов он жестче и в то же время легче предшественника, повысился уровень пассивной безопасности. Снижение веса, улучшение аэродинамики и доработка силовых агрегатов позволили мини-Chevrolet стать еще более экономичным, а благодаря ужесточению кузова и модернизированной подвеске удалось добиться весомого улучшения управляемости.

Последствия пожаров

Понятно, что любое мало-мальски серьёзное возгорание, а тем более полноценный пожар приносит те или иные убытки, а порой и уносит человеческие жизни. Огонь – субстанция своенравная. Достаточно ему хотя бы немного выйти из-под контроля человека, как безобидный на первый взгляд огонёк разгорается в опасный пожар.

Экспериментальное познание: помехи реальные и субъективные

С первыми проблемами помех, вероятно, столкнулись те исследователи окружающего мира, которые пытались обосновать принцип действия очага в доисторической пещере, или объяснить природу дождя, выпадающего без какой-либо связи с расположением звёзд на небе. Борьба с помехами и учёт влияния помех в расчётах и численных моделях планируемых экспериментов - один из важных аспектов научного-практического исследования, о котором нельзя забывать. Неидеальные компоненты систем и устройств, неидеальные системы передачи информации, неидеальные объекты наблюдения и даже неидеальность восприятия информации человеком образуют сложный набор всевозможных помех и отклонений от истинных значений тех или иных параметров, наблюдаемых или фиктируемых с помощью даже самой сложной и вроде бы совершенной технической аппаратуры.

Гелий - инертный газ 18-й группы периодической таблицы. Это второй самый легкий элемент после водорода. Гелий - газ без цвета, запаха и вкуса, который становится жидким при температуре -268.9 °C. Точки кипения и замерзания его ниже, чем у любого другого известного вещества. Это единственный элемент, который не затвердевает при охлаждении при нормальном атмосферном давлении. Чтобы гелий перешел в твердое состояние, необходимо 25 атмосфер при температуре 1 К.

История открытия

Гелий был найден в газовой атмосфере, окружающей Солнце, французским астрономом Пьером Жансеном, который в 1868 году во время затмения обнаружил яркую желтую линию в спектре солнечной хромосферы. Первоначально предполагалось, что эта линия представляла элемент натрий. В том же году английский астроном Джозеф Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала известным линиям натрия D 1 и D 2 , и поэтому он назвал ее линией D 3 . Локьер пришел к выводу, что она была вызвана веществом на Солнце, неизвестном на Земле. Он и химик Эдуард Франкленд в названии элемента использовали греческое название Солнца «гелиос».

В 1895 году британский химик сэр Уильям Рамзай доказал существование гелия на Земле. Он получил образец ураноносного минерала клевеита, и после исследования газов, образовавшихся при его нагреве, он обнаружил, что ярко-желтая линия в спектре совпадает с линией D 3 , наблюдаемой в спектре Солнца. Таким образом, новый элемент был окончательно установлен. В 1903 году Рамзи и Фредерик Содду определили, что гелий является продуктом спонтанного распада радиоактивных веществ.

Распространение в природе

Масса гелия составляет около 23% всей массы Вселенной, и элемент является вторым по распространенности в космосе. Он сосредоточен в звездах, где образуется из водорода в результате термоядерного синтеза. Хотя в земной атмосфере гелий находится в концентрации 1 часть на 200 тыс. (5 промилле) и в небольших количествах содержится в радиоактивных минералах, метеоритном железе, а также в минеральных источниках, большие объемы элемента встречаются в Соединенных Штатах (особенно в Техасе, Нью-Мексико, Канзасе, Оклахоме, Аризоне и Юте) в качестве компонента (до 7,6%) природного газа. Небольшие его запасы были обнаружены в Австралии, Алжире, Польше, Катаре и России. В земной коре концентрация гелия равна лишь около 8 частей на миллиард.

Изотопы

Ядро каждого атома гелия содержит два протона, но, как и у других элементов, у него есть изотопы. Они содержат от одного до шести нейтронов, поэтому их массовые числа находятся в диапазоне от трех до восьми. Стабильными из них являются элементы, у которых масса гелия определяется атомными числами 3 (3 He) и 4 (4 He). Все остальные радиоактивны и очень быстро распадаются на другие вещества. Земной гелий не является изначальной составляющей планеты, он образовался в результате радиоактивного распада. Альфа-частицы, испускаемые ядрами тяжелых радиоактивных веществ, представляют собой ядра изотопа 4 He. Гелий не накапливается в больших количествах в атмосфере, потому что гравитации Земли недостаточно, чтобы предотвратить его постепенную утечку в космос. Следы 3 He на Земле объясняются отрицательным бета-распадом редкого элемента водорода-3 (трития). 4 He является наиболее распространенным из стабильных изотопов: соотношение числа атомов 4 He к 3 He составляет около 700 тыс. к 1 в атмосфере и около 7 млн к 1 в некоторых гелийсодержащих минералах.

Физические свойства гелия

Температура кипения и плавления у этого элемента самые низкие. По этой причине гелий существует в за исключением экстремальных условий. Газообразный He в воде растворяется меньше, чем какой-либо другой газ, а скорость диффузии через твердые тела в три раза больше, чем у воздуха. Его показатель преломления ближе всего приближается к 1.

Теплопроводность гелия уступает лишь теплопроводности водорода, а его удельная теплоемкость необычайно высокая. При обычных температурах при расширении он нагревается, а ниже 40 K - охлаждается. Поэтому при Т<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Элемент является диэлектриком, если не находится в ионизированном состоянии. Как и у других благородных газов, у гелия есть метастабильные энергетические уровни, которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде, когда напряжение остается ниже потенциала ионизации.

Гелий-4 уникален тем, что обладает двумя жидкими формами. Обычная называется гелий I и существует при температурах от точки кипения 4,21 К (-268,9 °C) до около 2,18 К (-271 °C). Ниже 2,18 K теплопроводность 4 He становится в 1000 раз больше, чем у меди. Эта форма называется гелий II, чтобы отличить ее от обычной. Она обладает сверхтекучестью: вязкость настолько низкая, что не может быть измерена. Гелий II растекается в тонкую пленку на поверхности любого вещества, которого касается, и эта пленка течет без трения даже против силы тяжести.

Менее обильный гелий-3 образует три различные жидкие фазы, две из которых сверхтекучи. Сверхтекучесть в 4 He была обнаружена советским физиком в середине 1930-х годов, и такое же явление в 3 He было впервые замечено Дугласом Д. Ошеровым, Дэвидом М. Ли, и Робертом С. Ричардсоном из США в 1972 году.

Жидкая смесь двух изотопов гелия-3 и -4 при температурах ниже 0,8 К (-272.4 °C) разделяется на два слоя - практически чистого 3 He и смеси 4 He с 6% гелия-3. Растворение 3 He в 4 He сопровождается охлаждающим эффектом, который используется в конструкции криостатов, в которых температура гелия опускается ниже 0,01 К (-273,14 °C) и поддерживается такой в течение нескольких дней.

Соединения

В нормальных условиях гелий химически инертен. В экстремальных можно создать соединения элемента, которые при нормальных показателях температуры и давления не являются стабильными. Например, гелий может образовывать соединения с йодом, вольфрамом, фтором, фосфором и серой, когда он подвергается действию электрического тлеющего разряда при бомбардировке электронами или в состоянии плазмы. Таким образом, были созданы HeNe, HgHe 10 , WHe 2 и молекулярные ионы Не 2 + , Не 2 ++ , HeH + и HeD + . Эта техника также позволила получить нейтральные молекулы Не 2 и HgHe.

Плазма

Во Вселенной преимущественно распространен ионизированный гелий, свойства которого существенно отличаются от молекулярного. Электроны и протоны его не связаны, и он обладает очень высокой электропроводностью даже в частично ионизированном состоянии. На заряженные частицы сильное воздействие оказывают магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре ионы гелия вместе с ионизированным водородом взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая северные сияния.

Открытие месторождений в США

После бурения скважины в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был получен негорючий газ. Первоначально не было известно, что в нем содержится гелий. Какой газ был найден, определил геолог штата Эразмус Хаворт, который собрал его образцы и в университете Канзаса с помощью химиков Кэди Гамильтона и Дэвида Макфарланда обнаружил, что тот содержит 72% азота, 15% метана, 1% водорода и 12% не было идентифицировано. Проведя последующие анализы, ученые обнаружили, что 1,84% пробы составляет гелий. Так узнали о том, что данный химический элемент присутствует в огромных количествах в недрах Великих равнин, откуда его можно извлечь из природного газа.

Промышленное производство

Это сделало Соединенные Штаты лидером мирового производства гелия. По предложению сэра Ричарда Трельфалла, ВМС США профинансировали три небольших экспериментальных завода для получения этого вещества во время Первой мировой войны с целью обеспечить заградительные аэростаты легким негорючим подъемным газом. По данной программе были произведены в общей сложности 5700 м 3 92-процентного He, хотя до этого были получены лишь менее 100 л газа. Часть этого объема была использована в первом в мире гелиевом дирижабле С-7, который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс в Боллинг-Филд 7 декабря 1921 года.

Хотя процесс низкотемпературного сжижения газа в то время не был достаточно разработан, чтобы оказаться существенным во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа в летательных аппаратах. Спрос на него вырос во время Второй мировой войны, когда его стали применять при экранированной дуговой сварке. Элемент также имел важное значение в проекте создания атомной бомбы «Манхэттен».

Национальный запас США

В 1925 году правительство Соединенных Штатов создало Национальный запас гелия в Амарилло, штат Техас, с целью обеспечения военных дирижаблей во время войны и коммерческих воздушных кораблей в мирное время. Использование газа после Второй мировой сократилось, но запас был увеличен в 1950-х годах для обеспечения, среди прочего, его поставок в качестве теплоносителя, применяемого в производстве кислородно-водородного ракетного топлива в период космической гонки и холодной войны. Использование гелия в США в 1965 году в восемь раз превысило пиковое потребление военного времени.

После принятия закона о гелии 1960 года Горное бюро подрядило 5 частных предприятий для извлечения элемента из природного газа. Для этой программы был построен 425-км газопровод, соединивший эти заводы с правительственным частично истощенным газовым месторождением неподалеку от Амарилло в Техасе. Гелий-азотная смесь закачивалась в подземное хранилище и оставалась там, пока в ней не возникала необходимость.

К 1995 году был собран запас объемом миллиард кубометров, а задолженность Национального резерва составила 1,4 млрд долларов, что побудило Конгресс США в 1996 г. поэтапно отказаться от него. После принятия в 1996 г. закона о приватизации гелия Министерство природных ресурсов приступило к ликвидации хранилища в 2005 году.

Чистота и объемы производства

Гелий, произведенный до 1945 года, имел чистоту около 98%, остальные 2% приходились на азот, что было достаточным для дирижаблей. В 1945 г. было произведено небольшое количество 99,9-процентного газа для использования в дуговой сварке. К 1949 г. чистота получаемого элемента достигла 99,995%.

На протяжении многих лет Соединенные Штаты производили более 90% мирового объема коммерческого гелия. Начиная с 2004 года, ежегодно его вырабатывалось 140 млн м 3 , 85% из которых приходится на США, 10% производилось в Алжире, а остальное - в России и Польше. Основными источниками гелия в мире являются газовые месторождения Техаса, Оклахомы и Канзаса.

Процесс получения

Гелий (чистотой 98,2%) выделяют из природного газа путем сжижения других компонентов при низких температурах и при высоких давлениях. Адсорбция других газов охлажденным активированным углем позволяет добиться чистоты 99,995%. Небольшой объем гелия производится при сжижении воздуха в больших масштабах. Из 900 т воздуха можно получить около 3,17 куб. м газа.

Сферы применения

Благородный газ нашел применение в разных областях.

• Гелий, свойства которого позволяют получать сверхнизкие температуры, используется как охлаждающий агент в Большом адронном коллайдере, сверхпроводящих магнитах аппаратов МРТ и спектрометров ядерного магнитного резонанса, спутниковой аппаратуры, а также для сжижения кислорода и водорода в ракетах «Аполлон».
• В качестве инертного газа для сварки алюминия и др. металлов, при производстве оптоволокна и полупроводников.
• Для создания давления в топливных баках ракетных двигателей, особенно тех, которые работают на жидком водороде, т. к. только гелий газообразный сохраняет свое агрегатное состояние, когда водород остается жидким);
• He-Ne используются для сканирования штрих-кодов на кассах в супермаркетах.
• Гелий-ионный микроскоп позволяет получить лучшие изображения, чем электронный.
• Благодаря высокой проницаемости благородный газ используется для проверки утечек, например, в системах кондиционирования воздуха автомобилей, а также для быстрого наполнения подушек безопасности при столкновении.
• Низкая плотность позволяет наполнять декоративные шары с гелием. Инертный газ заменил взрывоопасный водород в дирижаблях и воздушных шарах. Например, в метеорологии, шары с гелием используются для подъема измерительных приборов.
• В криогенной технике служит теплоносителем, поскольку температура этого химического элемента в жидком состоянии минимально возможная.
• Гелий, свойства которого обеспечивают ему низкую реактивность и растворимость в воде (и крови), в смеси с кислородом нашел применение в дыхательных составах для подводного плавания с аквалангом и проведения кессонных работ.
• Метеориты и горные породы анализируются на содержание данного элемента для определения их возраста.

Гелий: свойства элемента

Основные физические свойства He следующие:

• Атомный номер: 2.
• Относительная масса атома гелия: 4,0026.
• Точка плавления: нет.
• Точка кипения: -268,9 °C.
• Плотность (1 атм, 0 °C): 0,1785 г/п.
• Состояния окисления: 0.

Гелия очень мало на Земле. Но это связано со специфическими свойствами этого элемента и с теми условиями, в которых формировалась и эволюционировала Земля. Гелий, будучи очень летучим и инертным газом, покинул вещество Земли. Однако астрономы видят его повсюду, хотя он и очень трудно наблюдаем обычными средствами спектрального анализа.

Его обнаруживают в горячих звездах, в больших газовых туманностях, которые окружают молодые горячие звезды, во внешних облочках Солнца, в космических лучах - потоках частиц большой энергии, приходящих к нам на Землю из космоса. Гелий оказался в самых далеких от нас объектах Вселенной - квазарах.

Весьма примечательно, что где бы его ни обнаруживали, почти всегда его по массе около 30 процентов, а стальные 70 процентов составляет водород. Примесь других химических элементов невелика. Доля их меняется от объекта к объекту, а доля гелия удивительно постоянна.

Вспомним, что именно эти 30 процентов гелия предсказываются в первичном веществе теорией горячей Вселенной. Если большая часть гелия была синтезирована в первые минуты расширения Вселенной, а другие, более тяжелые элементы синтезируются значительно позже в звездах, то именно так и должно быть - гелия везде около 30 процентов, а других элементов по-разному, в зависимости от местных условий их синтеза в звездах и последующего выбрасывания газа из звезд в космическое пространство.

Во время ядерных реакций в звездах гелий тоже синтезируется. Но доля таким образом образовавшегося гелия мала по сравнению с образовавшимся в начале расширения Вселенной.

А нельзя ли все же предположить, что все наблюдаемые 30 процентов гелия образовались тоже в звездах?

Нет, это решительно невозможно. Прежде всего при образовании гелия в звездах выделяется большая энергия, заставляющая звезды интенсивно светить. Если бы такое количество гелия было в прошлом образовано в звездах, излученный ими свет с высокой температурой должен был бы наблюдаться во Вселенной, чего на самом деле нет.

К этому можно добавить, что наблюдения самых старых звезд, которые заведомо формировались из первичного вещества, показывают, что в них гелия тоже 30 процентов . Значит, практически весь гелий Вселенной был синтезирован в самом начале расширения мира.

Так химический анализ вещества сегодняшней Вселенной дает прямое подтверждение правильности нашего понимания процессов, которые протекали в первые секунды и минуты после начала расширения всего вещества.

Новиков И.Д.