Ксенон : Ксенон имеет порядковый номер 54. Ксенон - один из самых редких элементов на Земле и более чем в 3 раза тяжелее воздуха. Из-за своей редкости его цена очень высока и используется только тогда, когда более легкие благородные газы недостаточно хороши. По большей части он используется в качестве газового наполнителя в лампах, генерирующих свет, когда требуется яркий белый свет.
Ксенон находится в земной атмосфере в крайне незначительных количествах, 0.087±0.001 миллионной доли, а также встречается в газах, испускаемых некоторыми минеральными источниками. Некоторые радиоактивные виды ксенона, например, 133Xe и 135Xe, получаются как результат нейтронного облучения ядерного топлива в реакторах. Ксенон относительно редок в атмосфере Солнца, на Земле, в составе астероидов и комет. Концентрация ксенона в атмосфере Марса аналогична земной: 0,08 миллионной доли, хотя содержание 129Xe на Марсе выше, чем на Земле или Солнце. Поскольку данный изотоп образуется в процессе радиоактивного распада, полученные данные могут свидетельствовать о потере Марсом первичной атмосферы, возможно, в течение первых 100 миллионов лет после формирования планеты. У Юпитера, напротив, необычно высокая концентрация ксенона в атмосфере - почти в два раза выше, чем у Солнца.
Ксенон образуется в процессе радиоактивного распада определенных элементов, таких как уран и торий. Эти радиоактивные элементы подвергаются ядерному распаду, испуская альфа- и бета-частицы, а также гамма-излучение. В рамках этого процесса распада в качестве побочных продуктов образуются изотопы ксенона, которые вносят свой вклад в общее содержание ксенона в земной коре.
Некоторые минералы содержат ксенон, который сохраняется во время их формирования в течение геологических периодов времени. Некоторые богатые ксеноном минералы включают полевой шпат, слюду и различные формы гранита. Эти минералы со временем медленно выделяют газообразный ксенон, внося свой вклад в общий резервуар ксенона в земной коре.
Ксенон также можно найти во внеземных источниках, таких как метеориты и солнечный ветер. Метеориты, особенно те, которые происходят из углеродистых хондритовых астероидов, могут содержать ксенон в различных изотопных составах.
Солнечный ветер, представляющий собой поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем, содержит изотопы ксенона, которые могут быть собраны и проанализированы космическими миссиями. Ксенон иногда встречается в месторождениях природного газа и нефти. Поскольку эти углеводороды образуются в течение миллионов лет, они могут улавливать и накапливать ксенон в течение своей геологической истории. Однако концентрация ксенона в природном газе и нефти относительно низка по сравнению с другими газами, такими как метан. Ксенон также может быть получен в результате ядерного деления урана в ядерных реакторах. Когда уран-235 или плутоний-239 подвергается делению, в виде продуктов деления образуются изотопы ксенона. Это важный источник ксенона для научных исследований и применений в ядерной технике. (Д. Канипова).
Благородные газы и другие элементы в метеоритах.
«Многие исследователи, изучив некоторые метеориты - углистые хондриты, обратили внимание на избыток в них тяжелых изотопов ксенона - 136Xe, 134Xe, 132Xe - типичных продуктов деления. Однако их соотношения никак не соответствовали изотопному составу ксенона, образующегося при самопроизвольном делении ни хорошо известных изотопов урана или тория, ни 244Pu, ни искусственно синтезированных трансурановых элементов. Уж не скрыты ли в углистых хондритах следы самопроизвольного деления еще одного вымершего элемента - далекого зауранового, сверхтяжелого? Такое предположение пришлось как нельзя кстати! Как раз именно в это время физики-теоретики пришли к выводу, что в природе могут существовать очень тяжелые химические элементы. Хотя устойчивость атомных ядер быстро падает по мере утяжеления элементов, хотя среднее время жизни атомов уменьшается от 6,5 миллиардов лет для урана (92-я клетка Периодической системы элементов Д.И. Менделеева) до нескольких минут для атомов лоуренсия (103-я клетка), но дальше, по мере роста атомного номера гипотетических химических элементов их устойчивость, казалось, может быстро возрастать. Расчеты не исключали, что элементы № 108 - 114 могли бы оказаться достаточно стабильными. Этот островок стабильности в море соседних нестабильных ядер мог возникнуть, как предполагали, из-за того, что у таких химических элементов в атомных ядрах наборы протонов и нейтронов должны быть близкими "магическим числам" 114 и 184 - так физики в полушутку называют особо прочные комбинации этих частиц в ядрах атомов. Гипотетические сверхтяжелые элементы могли бы оказаться настолько устойчивыми, что из них, благодаря очень небольшой критической массе, можно было бы делать малогабаритные ядерные энергетические установки и, увы, миниатюрные атомные бомбы огромной разрушительной силы. Физики-экспериментаторы в Дубне под Москвой под руководством Г.Н. Флерова и в Беркли, США, во главе с Г. Сиборгом с помощью гигантских ускорителей пытались создать рукотворные сверхтяжелые элементы - № 102, № 103, № 104, ..., двигаясь от одной клетки Периодической системы Д.И. Менделеева к следующей. Одновременно с физиками-ядерщиками начали охоту за сверхтяжелыми элементами и исследователи метеоритов: ведь если в метеоритах найдены доказательства существования трансуранового элемента плутония, то почему бы там же не найти изотопные следы и более тяжелых трансуранов - сверхтяжелых элементов? Совместно с нашей группой активные поиски сверхтяжелых элементов в метеоритах с помощью физических методов начал со своими сотрудниками и Г.Н. Флеров, открывший задолго до этого вместе с К.А. Петржаком само явление самопроизвольного деления ядер. Казалось, и здесь удача улыбалась исследователям: в некоторых метеоритных минералах обнаружились видимые в микроскоп следы пролета - треки, как думали, ядер сверхтяжелых элементов, составной части галактического космического излучения. Теоретически сверхтяжелые ядра при каждом акте спонтанного деления должны были бы испускать 4 - 6 нейтронов - вроде бы и такую множественность эмиссии нейтронов из некоторых метеоритов удалось зафиксировать.
Пионером экспериментальных поисков ископаемых изотопов ксенона - продуктов спонтанного деления сверхтяжелых элементов в метеоритах - были Э. Андерс и его исследовательская группа в Чикагском университете. Вслед за ними в погоню за этими элементами включились и другие исследователи, в том числе и наша лаборатория. Основная идея состояла в том, чтобы найти и выделить минералы, где прежде концентрировался сверхтяжелый элемент, а теперь содержится его потомок - ксенон с особым изотопным составом. Однако метеоритные минералы очень тонкозернисты. Мельчайшие зерна разных минералов к тому же нередко срастаются так, что не оторвать, а то и врастают одно в другое. Поэтому придумали химический метод разделения минералов: для исследования одних минералов другие, ненужные минералы просто растворяют. Конечно, сказать-то это просто, а на самом-то деле для разделения множества разнообразных минералов, входящих в состав метеоритов, пришлось изобрести сложнейшие химические схемы. На минерал воздействуют последовательно при разной температуре и при различной концентрации соляной, плавиковой, азотной, хлорной кислотами, перекисью водорода. Минералы метеорита постепенно растворяются. В остающихся нерастворимых остатках исследовали ксенон.
По мере растворения вещества ксенон в оставшихся остатках обогащался тяжелыми изотопами 136Xe, 134Xe, 132Xe, 131Xe относительно 130Xe, заведомо не образующегося в процессах деления. Иллюстрацией такого изменения изотопного состава ксенона при последовательном растворении образцов метеоритов-хондритов из метеоритной коллекции Российской Академии наук могут служить данные, полученные нашей научной группой [Фисенко А.В., Данг Ву Минь, Семенова Л.Ф. и др. Изотопный состав ксенона в кислотно-нерастворимых остатках углистого хондрита Ефремовка CV3. Метеоритика. 1987. № 46. С. 58 - 72.]. И все же таинственный незнакомец не давался в руки исследователей и, подобно тому, как все меньшие матрешки прячутся внутри крупных, скрывался во все более мелкозернистых и химически устойчивых фракциях минералов. Казалось, вот-вот можно будет выделить чистый ксенон деления сверхтяжелого элемента...
О. Мануэл из Университета Миссури в США увидел то, что многие почему-то не замечали. Он предложил представить изотопный состав предполагаемого ксенона деления сверхтяжелого элемента не в форме изотопных соотношений с 136Xe, а сравнить его с изотопным составом солнечного ксенона.
После этого стало совершенно очевидным, что ксенон обогащен не только тяжелыми, но всегда почти столь же сильно и легкими изотопами 124Xe, 126Xe, 128Xe. Легкие, нейтронно-дефицитные изотопы ксенона никак не могут образоваться при делении атомных ядер - закон сохранения энергии и массы этого не позволяет. Выходит, и тяжелые изотопы образовались не при самопроизвольном делении гипотетического сверхтяжелого элемента, а в ином ядерном процессе. Исследуя один минерал за другим - шпинель, элементарный углерод, хромит, - Э. Андерс и его сотрудники в конце-концов получили из метеорита тончайшую минеральную фракцию из очень мелких зерен размером всего ї 15 ангстрем, составляющую миллионные доли от исходной массы. Это был алмаз. Высокотемпературный минерал, в котором сверхтяжелый элемент из-за его возможных химических свойств сравнительно легколетучего элемента не мог сконцентрироваться.
В Открытом Университете в Милтон Кэйнз группа английских исследователей под руководством К. Пиллинджера определила изотопный состав азота из этого алмаза. Он оказался аномальным: распространенность изотопа 14N на целую треть выше нормальной земной распространенности. Это могло быть результатом его образования. В нерастворимых остатках некоторых других метеоритов - углистых хондритов были обнаружены и иные изотопные аномалии, говорящие о до солнечном, звездном их происхождении.
Так, в ходе постепенного растворения вещества метеорита Марчисон выделился ксенон, снова невиданный по изотопному составу: он был обогащен изотопами 128Xe, 130Xe, 132Xe и сильно обеднен 124Xe, 126Xe и 136Xe. Это было убедительным свидетельством в пользу звездного происхождения и ксенона, и содержащих его минералов.
Дело в том, что ксенон именно с таким изотопным составом должен бы образоваться в s-процессе звездного синтеза элементов путем последовательного встраивания все новых и новых нейтронов в атомные ядра, но при потоке нейтронов не столь большом, как в r-процессе в сверхновой. Немецкие исследователи Ф. Бегеманн и У. Отт в Макс-Планк Институте химии в Майнце подтвердили это: в тех же самых минералах они обнаружили и криптон-s и барий-s c очень специфическим и необычным изотопным составом, который указывал на их звездное происхождение. Оказалось, что в метеоритах есть еще один благородный газ с далеких звезд - неон. Обычно неон состоит из трех изотопов: 20Ne, 21Ne и 22Ne. Американские исследователи Д.С. Блэк и Р.О. Пепин неожиданно столкнулись с новым явлением: из нагретых углистых метеоритов при ї 10000 C выделялся неон, на 99% обогащенный изотопом 22Ne, то есть почти чистый моноизотоп. Он скрывается в двух минеральных фазах - в углистом веществе и в высокотемпературном минерале - шпинели. Изотоп 22Ne не мог образоваться ни при каких ядерных реакциях в Солнечной системе. Место его рождения - звезды. Было пока не вполне ясно, звезда какого типа породила Ne-E. Но одно обстоятельство стало особенно важным: ведь изотоп 22Ne - главная составная часть Ne-E - образуется не сразу. Сначала в оболочке звезды обязательно возникает родительский изотоп 22Na, а уж при его последующем b-распаде рождается 22Ne. Среднее время жизни атомов радиоактивного 22Na всего 3,7 года. Он не успел бы добраться до Солнечной системы, распался бы в пути, и вместо него поступил бы в нее 22Ne. В Солнечной системе 22Ne обязательно смешался бы с другими изотопами неона. Между тем, в метеоритах он встречается почти в чистом виде. Значит, сначала 22Na вошел в состав углистого вещества и шпинели - носителей Ne-E в метеоритах, и уже только там превратился в 22Ne. Лишь после этого Ne-E попал на Землю.
В очень тугоплавких минералах метеоритов-хондритов сотрудники Чикагского университета во главе с Р.Н. Клэйтоном обнаружили необыкновенный кислород. Если в воздухе, которым мы дышим, кислород состоит из трех изотопов 16О, 17О и 18О, то в некоторых минералах метеоритов содержится лишь чистый моноизотоп 16О. Это тоже продукт звездных ядерных реакций. Углерод в частицах карбида кремния диаметром менее 0,001 см оказался в два раза обогащенным тяжелым изотопом 13С относительно легкого 12С, а в азоте, содержащемся в карбиде кремния, изотопное отношение 14N / 15N в 20 раз превысило нормальное. Столь же впечатляющими оказались вариации изотопного состава кремния, неодима, кальция, титана, стронция, бария, самария в метеоритном карбиде кремния.
Из всех этих данных об изотопных аномалиях в метеоритах следовало: звездные ксенон, криптон, неон, кислород, углерод, азот, кремний, кальций, титан, неодим были доставлены в рождавшуюся Солнечную систему минеральными частицами, возникшими в звезде еще до того, как образовалось само Солнце.
Все это означало: звездные минералы способны сохраняться в веществе метеоритов.
При изучении некоторых метеоритов-хондритов исследователи столкнулись с необычным по изотопному составу водородом. В земном водороде изотопные концентрации, или распространенность двух его изотопов, легкого протия (1Н) и тяжелого дейтерия (2D), соотносятся как D / H ї 1,56 " 10- 4.
Однако при нагревании метеоритов-хондритов водород меняет свой изотопный "облик", словно хамелеон. Например, при исследовании в нашей лаборатории одного из метеоритов-хондритов при 700 — 9000 С неожиданно появился водород, обогащенный дейтерием почти в 5 раз в сравнении с водородом Земли. Вероятно, он содержался в скрытых в веществе метеорита частицах, происходящих из межзвездных молекулярных облаков. При дальнейшем повышении температуры из каких-то минералов стал выделяться и обедненный дейтерием газ - первичный водород Галактики с очень низким изотопным отношение D / H. Для того чтобы понять происхождение богатого дейтерием водорода, группа американских исследователей под руководством М. Эпстайна с помощью химических реагентов выделила из метеоритов вещества - носители дейтерия. Это легко растворимая в кислотах смесь органических соединений вроде амино- и монокарбоксиловых кислот и органические полимеры, или керогены, - их молекулы представляют собой объемные, пространственные цепочки с поперечными связями из соединенных атомов углерода, водорода, азота, серы, кислорода. В том, насколько сложны эти соединения, можно убедиться, взглянув на молекулярную формулу одного из них - C100H48N1,8S2O12 ! Вот здесь-то водород и оказался обогащенным тяжелым изотопом в десятки раз. Никакими ядерными реакциями или процессами изотопного фракционирования в метеоритах, да и вообще в Солнечной системе, такое избирательное обогащение дейтерием не объяснить.
Но это было еще не последним странным результатом. Сегодня у исследователей метеоритов есть замечательная возможность изучать не только крупные метеориты, но и микрометеориты - мельчайшие частицы, носящиеся между планетами. Их собирают в верхних слоях атмосферы на высоте 20 км при помощи специальных самолетов. Размер каждого из таких микрометеоритов менее сотой доли миллиметра.
В Вашингтонском университете в Сент-Луисе, США, Е. Циннер и его коллеги обнаружили, что в разных участках каждой отдельной межпланетной частицы - микрометеорита избыток дейтерия может быть десятикратным в сравнении с изотопным составом земного водорода. При этом в тех участках, где был обнаружен такой странный водород, зафиксирована и повышенная концентрация углерода.
Следовательно, водород входит в состав каких-то органических молекул, щедро обогащенных дейтерием. Это "ископаемые молекулы"! Они приходят из межзвездных газовых облаков, в которых распространенность дейтерия огромна. Причина этого - ионно-молекулярные реакции при очень низкой температуре (<1000 К), сопровождающиеся энергетически выгодным процессом - очень интенсивным обогащением тяжелыми изотопами одних молекул и обеднением других. Новообразованные в межзвездном облаке в сотнях реакций молекулы воды, метана, цианистого водорода, аммиака, ионы DCO+ и множество других веществ в тысячи раз обогащены дейтерием. Они конденсируются на поверхности пылинок, особенно на углеродсодержащих частицах.
Такие частицы вошли в состав газо-пылевого протопланетного облака, и при последующей аккреции, собирании твердого вещества, часть из них оказалась в составе метеоритов, а оставшиеся продолжают носиться в межпланетном пространстве. Именно такие космические пылинки и принесли из невообразимо далеких межзвездных облаков в нашу Солнечную систему столь необычные для Земли ископаемые молекулы, меченные дейтерием.
Изотопные аномалии в до солнечных частицах - свидетельства тех ядерных процессов в звездах, в которых эти частицы образовались» (Ю.Э. Шуколюков, РАН).
«В органической химики называют такие химические вещества, молекулы которых содержат атомы углерода, связанные с другими химическими элементами. Это могут быть как небольшие молекулы вроде простейших углеводородов или спиртов, так и намного более сложные. И самое главное, «органика» совсем не обязательно имеет биологическое происхождение: органические молекулы могут образовываться из неорганических веществ и реагировать друг с другом без какого-то бы ни было участия жизни» ( Максим Абаев).
