Как там у вас, на Бета-Лире?

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?

«Лучший портной»

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.

Следующих три призера тоже занимают свои места по праву — это все наши старые знакомые элементы-гиганты, относящиеся к привилегированному клану элементов типа 4p.

Нельзя пояснить причину различия химических составов земной коры и планеты в целом, не коснувшись, хотя бы мимоходом, проблемы строения Земли. Специалисты-геологи различают в нашей планете столько слоев, из которых, по их мнению, весьма убедительному и справедливому, состоит Земля, что, подбирая сравнение, иллюстрирующее современную модель Земли, ничего лучше капусты не придумаешь. Но вряд ли нам нужна такая детализация. Достаточно запомнить, что Земля состоит из коры, мантии, которая простирается на глубину приблизительно до 3000 километров, и ядра, название которого достаточно красноречиво говорит о его положении.

Мантия состоит в основном из окислов. Так что кислорода там, разумеется, хватает. Что же касается тех элементов, с которыми соединен кислород, то гадать о них после всего сказанного об элементах-гигантах не приходится. Это железо, магний, кальций и, конечно же, кремний. Нигде торжество типа 4p не проявляется так ярко и празднично, как в химическом составе мантии!

Ядро же нашей планеты — это железо с довольно значительной примесью никеля и, возможно, некоторой примесью кремния и серы. Если учесть, что ядро по объему составляет немногим меньше 20 %, а по массе немногим больше 30 % земного шара, то не приходится удивляться, что железо с таким преимуществом выходит на первое место в табеле распространенности химических элементов на нашей планете.

Поскольку в определенные периоды существования Земля (или, по крайней мере, отдельные ее зоны) была расплавлена, легкие химические элементы и их соединения, так сказать, всплывали наверх, а тяжелые опускались вниз. Именно поэтому в земной коре и верхних слоях мантии так много легкого металла алюминия. И поэтому так мало алюминия в нижних слоях мантии и, уж конечно, совсем нет его в земном ядре. И потому никеля и других «тяжелых» элементов в мантии и в ядре гораздо больше, чем в коре.

«Всю-тo я Вселенную…»

Сегодня мы позволяем себе удивляться лишь самому необычному: рекордному запуску космического корабля, открытию неизвестного дотоле крупного млекопитающего, проигрышу хоккейной команды ЦСКА. Хорошо ли это или плохо? Смотря для кого. Дело в том, что ученым положено удивляться, так сказать, но штату, потому что без удивления невозможно сделать, пожалуй, самого пустячного открытия.

Вот почему я приглашаю вас вместе со мной остановить свое внимание на одном факте, известном, впрочем, достаточно давно, но тем не менее удивительном и удивляющем.

Скажите, разве не достойно изумления то обстоятельство, что химический состав Солнца, да что там Солнца — химический состав звезд, даже тех, что отстоят от нас на расстоянии многих и многих тысяч световых лет [2], известен нам с гораздо большей доскональностью, чем состав глубинных областей нашей планеты.