Страница:
Действительно, открыли. Правда, еще раньше это сделали математики и астрономы. Уже в середине XIX века, исходя из некоторых особенностей вращения планеты, они поняли, что плотность Земли неравномерна: в центре она гораздо выше, чем у поверхности. Через полвека появилась новая наука – сейсмология. Она изучала землетрясения, которые оказались весьма полезными для изучения внутренней структуры планеты. Дело в том, что землетрясение посылает по планете сейсмические волны. И поскольку разные среды проводят волны по-разному, по характеру их прохождения можно судить о том, что внутри нашего шарика.
В первые десятилетия прошлого века вся планета покрылась сетью сейсмостанций. Как по сейсмической тени от землетрясений было найдено ядро планеты, вполне ясно из приведенного ниже рисунка.
Рис. 5. Схема распространения сейсмических волн внутри планеты. Слева – продольных волн, справа – поперечных
Была даже определена плотность этого ядра. Но вот из чего оно сделано? Предположили, что из железа. Идея эта родилась не на пустом месте. Железо – устойчивый, тяжелый и очень распространенный в природе материал. Отличный кандидат на заполнение центра планеты!
Данные сейсмологии тоже вроде бы говорили в пользу железа: скорость распространения сейсмической волны через земное ядро была близка к скорости звука в железе. Раз похоже на железо, значит, железо и есть, чего тут долго думать!.. Правда, хулиганистый Хойл, предостерегая коллег от подобных поспешных выводов, однажды тиснул в очень солидном научном журнале публикацию о том, что Луна сделана… из швейцарского сыра. Дело в том, что скорость распространения звука в сыре и в лунном реголите (лунном грунте) совершенно одинаковы. В конце своей сенсационной статьи Хойл даже написал короткий стишок про сыр и Луну, напоминающий детскую считалку. Шутка гения. Эйнштейн когда-то тоже язык фотографу показал. Так до сих пор везде с высунутым языком и висит.
Модель Земли, которая в ХХ веке утвердилась в головах ученых, выглядит следующим образом: после того, как планета собралась, наконец, из космического хлама в кучку, она разогрелась до высоких температур, железо в ней выплавилось и стекло вниз, к центру планеты, а шлаки всплыли вверх, как это бывает в домне. Так получилось железное ядро и силикатная мантия.
Анализ метеоритного вещества будто бы подтвердил эту гипотезу: метеориты бывают железные, а бывают каменные (силикатные). И вроде бы все сходится: вот оно, межпланетное вещество, из которого формировались планеты!
На вопрос о том, как получилось, что внешние планеты – газовые пузыри, а внутренние – твердые и железные, отвечали следующим образом. Солнечный ветер легко выдувал легкие элементы таблицы Менделеева к краю системы, и из них сформировались газовые гиганты. А тяжелые элементы более инерционны, поэтому они остались вблизи от Солнца, и из них сформировались планеты земного типа – маленькие и тяжеленькие.
Что ж, вчерне эта теория неплохо описывала действительность. Но постепенно начали накапливаться факты, ей противоречащие. И, как обычно бывает, поначалу эти факты почти не замечались. Когда всплывает некий факт, противоречащий существующей теории, на теорию тут же ставят заплатку – вносят небольшое уточнение, которое с натяжкой могло бы этот факт объяснить. Так ставили когда-то заплатки на птолемеевскую модель, так Хойл ставил заплатки на модель стационарной Вселенной. Видимо, противоречащие факты должны накопиться в некую критическую массу, прежде чем рвануть.
И они накапливались.
Лет через двадцать после Второй мировой войны физики, которые занимались взрывным обжатием металлов, обнаружили, что при высоких давлениях (таких, как в центре Земли) плотность железа ощутимо больше плотности земного ядра. Тут же предложили заплатку: допустим, там не чистое железо, а с примесями углерода, калия, еще чего-нибудь. Они и уменьшают плотность. Если примесей примерно 25 %, то плотность как раз должна совпасть. Ну, ладно, вроде подогнали под ответ.
Но заплатки тем и плохи, что вызывают новые вопросы, в ответ на которые тоже нужно ставить заплатки. Допустим, в ядре Земли железо с примесью. Но почему тогда в метеоритах нет таких примесей? Ведь железные метеориты как раз и были одним из аргументов в принятии гипотезы железного ядра! Но заплатку на заплатку ставить уже как-то совсем несолидно, поэтому ответа на этот вопрос никто так и не дал.
Кстати о метеоритах! Как вовремя они тут подлетели… Анализ метеоритного вещества показывает, что там полно золота, ртути и платиноидов. Ну, что значит полно? Это значит, что распространенность драгоценных металлов между Марсом и Юпитером, откуда к нам прилетают метеориты, в 100 раз превышает их содержание на Земле, а ртути там вообще в 1000 раз больше, чем здесь. Как такое может быть, если солнечный ветер гнал к окраинам Солнечной системы легкие элементы? А такие тяжелые, как драгметаллы и ртуть, должны были остаться вблизи светила. То есть это на Земле их должно быть в 100-1000 раз больше, а не за Марсом!
Или взять германий. Германий втрое тяжелее кремния. Значит, отношение германий/кремний в поясе, где сформировалась Земля, должно быть больше, чем в поясе астероидов. Так ведь ничего подобного – все наоборот!.. Чертовщина какая-то.
Но если вспомнить догадку Хойла, которую доказал Ларин, то все сразу становится на свои места. У золота и платины высокий потенциал ионизации. От них трудно оторвать электрон, поэтому они дольше сохраняют электронейтральность. Соответственно, эти элементы может гораздо дальше протащить через прутья магнитных силовых линий. Их и протащило! Поэтому золота и платины в поясе астероидов (в метеоритах) больше, чем на Земле.
Ну сами посудите, что общего у тяжелой, металлической и очень легкоплавкой ртути с углеродом – неметаллическим, легким и тугоплавким? Это ж просто химические антагонисты какие-то!.. Ан нет! Есть у них одно общее! И это общее – потенциал ионизации первого электрона. Именно поэтому такие непохожие друг на друга ртуть и углерод оказались вместе, рядышком – между Марсом и Юпитером. Аналогичная ситуация с серой, осмием, бериллием, иридием. Их в метеоритах полно.
А чего в метеоритах мало? В метеоритах мало цезия, урана, рубидия, калия. Они легко ионизируются, легко тормозятся магнитным полем. Поэтому на Земле их больше, чем на Марсе. А на Меркурии их должно быть вообще немерено!
Все, вроде, складывается… И, значит, теперь мы можем определить, из чего же на самом деле сделана Земля. Все данные для этого у нас есть. Потенциалы ионизации химических элементов известны. Состав первобытной туманности также знаем – он соответствует составу Солнца. Состав Солнца нам известен прекрасно, за четыре миллиарда лет горения он почти не изменился, разве что часть водорода выгорела и превратилась в гелий. Ну, еще малость лития и бериллия поизрасходовалось – на копейки буквально. А все остальное осталось в первозданной сохранности!
Таблица 1
Исходный состав протопланетного вещества в зоне формирования Земли
Решение задачки – внизу, в таблице.
Здорово, правда? И совсем не похоже на то, что рисует устоявшаяся теория. Железа тут совсем мизер. На ядро явно не хватает. Для железного ядра – такого, какое якобы есть в центре Земли, железа должно было быть как минимум 40 весовых процентов. А его вчетверо меньше… Да и с силикатной оболочкой не очень хорошо получается. Чтобы у Земли была мантия из силикатов, ей нужно как минимум 30 весовых процентов кислорода. А его в тридцать раз меньше! Но зато у нас теперь полно кремния, магния, водорода.
Кстати, о водороде…
В рамках старой «теории железного ядра и силикатной оболочки» водорода на Земле почти нет. А тот мизер, что есть, давным-давно связан кислородом и плещется в виде воды в наших кранах и океанах. Но в новой картине мира.
В новой картине мира водород переворачивает все. Буквально все! Он самым кардинальным образом меняет картину прошлого, настоящего, а главное, будущего нашей планеты.
Черт возьми, я взволнован…
Глава 3. А у вас тут уплотнение!.
Глава 4. Чудеса в решете. Точнее, в решетке
В первые десятилетия прошлого века вся планета покрылась сетью сейсмостанций. Как по сейсмической тени от землетрясений было найдено ядро планеты, вполне ясно из приведенного ниже рисунка.
Рис. 5. Схема распространения сейсмических волн внутри планеты. Слева – продольных волн, справа – поперечных
Была даже определена плотность этого ядра. Но вот из чего оно сделано? Предположили, что из железа. Идея эта родилась не на пустом месте. Железо – устойчивый, тяжелый и очень распространенный в природе материал. Отличный кандидат на заполнение центра планеты!
Данные сейсмологии тоже вроде бы говорили в пользу железа: скорость распространения сейсмической волны через земное ядро была близка к скорости звука в железе. Раз похоже на железо, значит, железо и есть, чего тут долго думать!.. Правда, хулиганистый Хойл, предостерегая коллег от подобных поспешных выводов, однажды тиснул в очень солидном научном журнале публикацию о том, что Луна сделана… из швейцарского сыра. Дело в том, что скорость распространения звука в сыре и в лунном реголите (лунном грунте) совершенно одинаковы. В конце своей сенсационной статьи Хойл даже написал короткий стишок про сыр и Луну, напоминающий детскую считалку. Шутка гения. Эйнштейн когда-то тоже язык фотографу показал. Так до сих пор везде с высунутым языком и висит.
Модель Земли, которая в ХХ веке утвердилась в головах ученых, выглядит следующим образом: после того, как планета собралась, наконец, из космического хлама в кучку, она разогрелась до высоких температур, железо в ней выплавилось и стекло вниз, к центру планеты, а шлаки всплыли вверх, как это бывает в домне. Так получилось железное ядро и силикатная мантия.
Анализ метеоритного вещества будто бы подтвердил эту гипотезу: метеориты бывают железные, а бывают каменные (силикатные). И вроде бы все сходится: вот оно, межпланетное вещество, из которого формировались планеты!
На вопрос о том, как получилось, что внешние планеты – газовые пузыри, а внутренние – твердые и железные, отвечали следующим образом. Солнечный ветер легко выдувал легкие элементы таблицы Менделеева к краю системы, и из них сформировались газовые гиганты. А тяжелые элементы более инерционны, поэтому они остались вблизи от Солнца, и из них сформировались планеты земного типа – маленькие и тяжеленькие.
Что ж, вчерне эта теория неплохо описывала действительность. Но постепенно начали накапливаться факты, ей противоречащие. И, как обычно бывает, поначалу эти факты почти не замечались. Когда всплывает некий факт, противоречащий существующей теории, на теорию тут же ставят заплатку – вносят небольшое уточнение, которое с натяжкой могло бы этот факт объяснить. Так ставили когда-то заплатки на птолемеевскую модель, так Хойл ставил заплатки на модель стационарной Вселенной. Видимо, противоречащие факты должны накопиться в некую критическую массу, прежде чем рвануть.
И они накапливались.
Лет через двадцать после Второй мировой войны физики, которые занимались взрывным обжатием металлов, обнаружили, что при высоких давлениях (таких, как в центре Земли) плотность железа ощутимо больше плотности земного ядра. Тут же предложили заплатку: допустим, там не чистое железо, а с примесями углерода, калия, еще чего-нибудь. Они и уменьшают плотность. Если примесей примерно 25 %, то плотность как раз должна совпасть. Ну, ладно, вроде подогнали под ответ.
Но заплатки тем и плохи, что вызывают новые вопросы, в ответ на которые тоже нужно ставить заплатки. Допустим, в ядре Земли железо с примесью. Но почему тогда в метеоритах нет таких примесей? Ведь железные метеориты как раз и были одним из аргументов в принятии гипотезы железного ядра! Но заплатку на заплатку ставить уже как-то совсем несолидно, поэтому ответа на этот вопрос никто так и не дал.
Кстати о метеоритах! Как вовремя они тут подлетели… Анализ метеоритного вещества показывает, что там полно золота, ртути и платиноидов. Ну, что значит полно? Это значит, что распространенность драгоценных металлов между Марсом и Юпитером, откуда к нам прилетают метеориты, в 100 раз превышает их содержание на Земле, а ртути там вообще в 1000 раз больше, чем здесь. Как такое может быть, если солнечный ветер гнал к окраинам Солнечной системы легкие элементы? А такие тяжелые, как драгметаллы и ртуть, должны были остаться вблизи светила. То есть это на Земле их должно быть в 100-1000 раз больше, а не за Марсом!
Или взять германий. Германий втрое тяжелее кремния. Значит, отношение германий/кремний в поясе, где сформировалась Земля, должно быть больше, чем в поясе астероидов. Так ведь ничего подобного – все наоборот!.. Чертовщина какая-то.
Но если вспомнить догадку Хойла, которую доказал Ларин, то все сразу становится на свои места. У золота и платины высокий потенциал ионизации. От них трудно оторвать электрон, поэтому они дольше сохраняют электронейтральность. Соответственно, эти элементы может гораздо дальше протащить через прутья магнитных силовых линий. Их и протащило! Поэтому золота и платины в поясе астероидов (в метеоритах) больше, чем на Земле.
Ну сами посудите, что общего у тяжелой, металлической и очень легкоплавкой ртути с углеродом – неметаллическим, легким и тугоплавким? Это ж просто химические антагонисты какие-то!.. Ан нет! Есть у них одно общее! И это общее – потенциал ионизации первого электрона. Именно поэтому такие непохожие друг на друга ртуть и углерод оказались вместе, рядышком – между Марсом и Юпитером. Аналогичная ситуация с серой, осмием, бериллием, иридием. Их в метеоритах полно.
А чего в метеоритах мало? В метеоритах мало цезия, урана, рубидия, калия. Они легко ионизируются, легко тормозятся магнитным полем. Поэтому на Земле их больше, чем на Марсе. А на Меркурии их должно быть вообще немерено!
Все, вроде, складывается… И, значит, теперь мы можем определить, из чего же на самом деле сделана Земля. Все данные для этого у нас есть. Потенциалы ионизации химических элементов известны. Состав первобытной туманности также знаем – он соответствует составу Солнца. Состав Солнца нам известен прекрасно, за четыре миллиарда лет горения он почти не изменился, разве что часть водорода выгорела и превратилась в гелий. Ну, еще малость лития и бериллия поизрасходовалось – на копейки буквально. А все остальное осталось в первозданной сохранности!
Таблица 1
Исходный состав протопланетного вещества в зоне формирования Земли
Решение задачки – внизу, в таблице.
Здорово, правда? И совсем не похоже на то, что рисует устоявшаяся теория. Железа тут совсем мизер. На ядро явно не хватает. Для железного ядра – такого, какое якобы есть в центре Земли, железа должно было быть как минимум 40 весовых процентов. А его вчетверо меньше… Да и с силикатной оболочкой не очень хорошо получается. Чтобы у Земли была мантия из силикатов, ей нужно как минимум 30 весовых процентов кислорода. А его в тридцать раз меньше! Но зато у нас теперь полно кремния, магния, водорода.
Кстати, о водороде…
В рамках старой «теории железного ядра и силикатной оболочки» водорода на Земле почти нет. А тот мизер, что есть, давным-давно связан кислородом и плещется в виде воды в наших кранах и океанах. Но в новой картине мира.
В новой картине мира водород переворачивает все. Буквально все! Он самым кардинальным образом меняет картину прошлого, настоящего, а главное, будущего нашей планеты.
Черт возьми, я взволнован…
Глава 3. А у вас тут уплотнение!.
Слушайте, при таком обилии водорода внутри планеты все остальные элементы там должны быть в виде гидридов, то есть соединений с водородом. Простому человеку это ни о чем не говорит. Металловеду говорит многое, очень многое. Потому что, с одной стороны, свойства металлов, насыщенных водородом, удивительны настолько, что сторонний человек может в них просто не поверить. С другой, несмотря на это, металлогидриды еще не полностью изучены, и все время подкидывают исследователям что-нибудь новенькое.
Большую часть (87 %) массы нашей планеты, как теперь выяснилось, составляют металлы – магний, железо, кальций, алюминий, натрий и кремний, который является полупроводником при обычных условиях, но при огромных давлениях в недрах Земли становится металлом, по свойствам близким к титану. Водорода же по весу всего 4,5 %. Но по количеству атомов его больше всех в нашей планете: 59 % атомов планеты – это атомы водорода (см. таблицу). Почему так получается? Потому что он очень легкий.
Водород – самое простое вещество во Вселенной. Он имеет в таблице Менделеева номер 1. То есть состоит из одного протона и одного электрона. Если водород ионизирован, то есть с его орбиты сорвало электрон, остается только ядро атома – протон. По сути, одна-единственная элементарная частица. Крохотная, беззащитная, одинокая… «Но дел успел наделать он немало», как поется в известной блатной песне.
Пара слов о растворимости водорода в металлах. Представьте себе металлический кубик со стороной в один сантиметр. Его объем, стало быть, 1 кубический сантиметр.
Как вы думаете, сколько таких же объемов водорода можно растворить в этом кубике? Половину кубика? Один кубик? Два? Может быть, семь?
Нет. Сотни, а при некоторых условиях тысячи объемов водорода можно растворить в одном объеме металла! Ну, с газообразным водородом это еще не так пробирает, а вот с жидким водородом картина становится совсем шокирующей. Жидкость, как известно, несжимаема. Но!.. В один кубический сантиметр магния можно влить полтора кубических сантиметра жидкого водорода. Это так же удивительно, как если бы в стакане чая можно было растворить полтора стакана сахара. И тем не менее сие – лабораторно установленный факт, который даже планируется использовать в технике – для производства топливных баков водородных автомобилей.
А что произойдет с нашим кубиком металла после того, как он проглотит несколько тысяч кубиков газа? Его бока раздуются, как у худой бочки, и он станет рыхлым? Нет, напротив – кубик ужмется и станет более плотным!
Стакан чая, в котором мы растворили полтора стакана сахара, ужался по половины стакана!..
Да как такое может быть?..
И что вообще означают слова «растворить газ в металле»?..
Лично для меня это не вопрос. Потому что я окончил Московский институт стали и сплавов и знаю, что в металлургии при производстве стали ее продувают водородом, чтобы лишить вредных примесей (кислорода). Как происходит продувка? По-разному. Иногда водород продувают через жидкую сталь во время ее варки. Это всем понятно… Когда кому-то говоришь, что металлурги продувают сталь водородом, люди обычно именно так и представляют себе этот процесс: жидкая сталь, продуваемая снизу пузырьками газа. Потому что есть бытовой аналог – газировка с пузырьками.
Но иногда продувку ведут и другим способом: водород продувают через раскаленные слитки, то есть через твердое тело. И водород сквозит через твердую сталь так же легко, как вода через решето. Да, собственно, именно это и происходит – крохотный водород запросто пролетает сквозь сито кристаллической решетки металла.
При растворении водорода в металле водородный атом лишается электрона и остается один голый протон, который легко просеивается внутри слитка. А электрон уходит в зону проводимости металла, то есть присоединяется к общим, коллективным электронам металла, которые свободно в нем бегают. Именно эта «коллективная собственность» на электроны и делает металлы электропроводниками. При приложении к металлическому кабелю электрического поля коллективные электроны, не принадлежащие персонально никакому атому, но принадлежащие всем атомам на правах «равной долевой собственности», начинают по проводнику свой коллективный бег, который мы называем электрическим током.
Но водород может не только физически растворяться в металле, но и вступать с ним в химическую реакцию с образованием так называемых гидридов. В гидридах водород присутствует уже не в виде голого протона, а в виде аниона, то есть протона, вокруг которого крутятся два электрона. Запомним этот важный факт: он нам понадобится через пару-тройку абзацев.
А пока выясним, как на гидриды влияют температура и давление, ведь в центре планеты очень горячо и давление там – дай боже! Оказывается, это влияние разнонаправленное. Чем больше давление, тем больше растворимость водорода в металле. Чем сильнее давишь – тем больше водорода можно натолкать в металл. И с какого-то момента водорода в металле становится так много, что уже начинает идти химическая реакция между ним и металлом – образуются уже упомянутые металлогидриды.
Температура действует ровно наоборот. Если гидриды нагревать, они начинают разлагаться, потому как с ростом температуры растворимость водорода в металле падает, и образец начинает активно «газить» водородом. Получается, что ситуация в центре планеты очень неоднозначная: давление действует в одну сторону, температура в другую. И для того, чтобы в этой ситуации разобраться, нужно ответить на несколько вопросов.
Вопрос первый. Что будет, если начать обжимать металл? Может ли он уплотняться и за счет чего?.. Говорят, что вода несжимаема. Тогда металл, наверное, еще больше «несжимаемый», ведь он твердый? Оказывается, сжать металл (уплотнить его) все-таки можно. Если постараться, конечно.
Сначала уплотнение идет за счет того, что в металле начинают исчезать все дефекты кристаллической решетки – закрываются поры и микротрещинки, атомы утрамбовываются до так называемой плотнейшей упаковки. Если твердые шарики сложить в ящик максимально плотно, получится как раз то, что в кристаллографии и называют плотнейшей упаковкой. Больше резервов для уминания нет: все промежутки между шариками меньше самих шариков. Дальнейшее уплотнение материала может идти только за счет сминания самих шариков. Но можно ли смять атомы?
Можно, как ни странно. Ведь атом внутри практически пуст. Если ядро атома увеличить до размеров спичечной головки, то мы увидим, что размер всего атома увеличится до габаритов Большого театра. То есть орбита самого дальнего электрона как раз охватит здание театра. А все пространство внутри театра будет практически пустым.
Возьмем тот же углерод и раздуем его. Что видим? Видим в центре Большого театра спичечную головку, состоящую из шести протонов и шести нейтронов. А вокруг нее на расстояниях в десятки метров мельтешат шесть крохотных, не различимых глазом точек, масса каждой из которых в 24 000 раз (!) меньше массы нашей спичечной головки. Атом пуст!
И если давление растет, радиус атомов может уменьшаться: его внешние электронные орбиты стягиваются поближе к ядру, уменьшая габарит всей конструкции. При этом чем более рыхлый мы имеем атом, тем больше его податливость. Рыхлый атом – это атом, у которого во внешней электронной оболочке «совсем почти ничего нет», то есть болтается там всего один электрон, который «легко уговорить». А вот если электронов на внешней орбите восемь, их уже «уговорить» потесниться сложнее.
Самые «уговариваемые» атомы – щелочные металлы: у них на внешней орбите по одному электрону, причем радиус орбиты этого электрона вдвое больше радиуса внутренних орбит, на которых крутятся все остальные электроны. Такого наглого одиночку легко подвинуть – ишь, раскинулся!..
Взять, например калий. Его номер в таблице Менделеева 19-й. То есть у калия 19 электронов. Причем 18 из них шебуршатся на внутренних орбитах, поближе к ядру, а один – на внешней. И эта внешняя орбита занимает объем в пять раз больший, чем внутренняя! Ну как его не попросить подвинуться? И просят. При давлении в 100 атмосфер калий, например, уплотняется в 2 раза. А дальше?
Дальше – хуже. Когда внешний электрон притиснут к внутренним, начинается возмущение перенаселением, и процесс резко затормаживается. Увеличили давление вдвое, до 200 атмосфер, а калий уплотнился совсем чуть-чуть – до 2,3 единиц. Даешь 250 атмосфер! Получи, поганый калий!.. Нет. Не «получает». График сжимаемости выходит на плато. Дальше давить бесполезно. Металл перестает уплотняться. Чё делать будем?..
А ничего тут уже не поделаешь. Не хочет. Говорит, некуда уже. И тут самое время задаться вторым вопросом.
Вопрос второй. А как ведет себя при сжатии металл, в котором содержится водород? Берем гидрид этого самого калия и… Ты смотри, что творится! Мы еще даже сжимать не начали, а замер показывает, что плотность гидрида калия при атмосферном давлении в 1,7 раз выше, чем у чистого калия. Что же дальше-то будет?
И когда давление прижимает электронные орбиты к водородному ядру, гидрид-ион становится таким маленьким, что легко умещается в дырочках между крупными «шарами» атомов калия. Точнее, не атомов, а ионов калия – это важное примечание, поскольку теперь наш калий живет без одного электрона (который перешел к водороду), то есть без внешней электронной оболочки. Поэтому ион калия почти вдвое меньше, чем атом калия, ведь именно внешняя оболочка составляет 5/6 объема атома.
Атом сам разделся, «просить» не пришлось. А если еще и «попросить» с помощью хорошего давления, то «раздетому» атому будет легче сжиматься, поскольку электронная теснота уже не так плотна, как в чистом калии.
На рисунке внизу схематически показан процесс уплотнения гидрида калия и сжатие пузатых гидрид-ионов, которые теперь помещаются в промежутках между ионами калия.
Рис. 6. Уплотнение гидрида
И так ведет себя не только калий. Аналогичным аномальным образом сжимаются литий, натрий, рубидий, кальций и другие металлы. Но нас с вами интересуют не эти ничтожества, а магний и кремний – основа нашей планеты.
Если у магния сорвать внешнюю электронную оболочку, то его размер здорово уменьшится. Диаметр атома магния – 3,2 ангстрема. А диаметр положительного иона магния, лишенного двух электронов, всего 1,3 ангстрема. С кремнием та же хрень: диаметр полного атома кремния – 2,7 ангстрема, а «без башни» – 1,1.
Что это означает на практике? Это означает, что при определенных условиях плотность магния и кремния может вырасти в 14 раз и превысить плотность золота. Таков теоретический предел плотности гидридов магния и кремния. Это полностью снимает аргумент противников металлогидридной Земли о том, что у магния и кремния недостаточная плотность, чтобы быть «кандидатами на ядро». Действительно, плотность земного ядра, измеренная методами геофизики, составляет 12,5 г/см3, а плотность кремния 2,3 г/см3, магния – 1,74 г/см3. Маловато. Но если учесть, что плотность гидридов кремния и магния может быть увеличена до 14 раз, то вполне хватит. Причем с большим запасом.
Большую часть (87 %) массы нашей планеты, как теперь выяснилось, составляют металлы – магний, железо, кальций, алюминий, натрий и кремний, который является полупроводником при обычных условиях, но при огромных давлениях в недрах Земли становится металлом, по свойствам близким к титану. Водорода же по весу всего 4,5 %. Но по количеству атомов его больше всех в нашей планете: 59 % атомов планеты – это атомы водорода (см. таблицу). Почему так получается? Потому что он очень легкий.
Водород – самое простое вещество во Вселенной. Он имеет в таблице Менделеева номер 1. То есть состоит из одного протона и одного электрона. Если водород ионизирован, то есть с его орбиты сорвало электрон, остается только ядро атома – протон. По сути, одна-единственная элементарная частица. Крохотная, беззащитная, одинокая… «Но дел успел наделать он немало», как поется в известной блатной песне.
Пара слов о растворимости водорода в металлах. Представьте себе металлический кубик со стороной в один сантиметр. Его объем, стало быть, 1 кубический сантиметр.
Как вы думаете, сколько таких же объемов водорода можно растворить в этом кубике? Половину кубика? Один кубик? Два? Может быть, семь?
Нет. Сотни, а при некоторых условиях тысячи объемов водорода можно растворить в одном объеме металла! Ну, с газообразным водородом это еще не так пробирает, а вот с жидким водородом картина становится совсем шокирующей. Жидкость, как известно, несжимаема. Но!.. В один кубический сантиметр магния можно влить полтора кубических сантиметра жидкого водорода. Это так же удивительно, как если бы в стакане чая можно было растворить полтора стакана сахара. И тем не менее сие – лабораторно установленный факт, который даже планируется использовать в технике – для производства топливных баков водородных автомобилей.
А что произойдет с нашим кубиком металла после того, как он проглотит несколько тысяч кубиков газа? Его бока раздуются, как у худой бочки, и он станет рыхлым? Нет, напротив – кубик ужмется и станет более плотным!
Стакан чая, в котором мы растворили полтора стакана сахара, ужался по половины стакана!..
Да как такое может быть?..
И что вообще означают слова «растворить газ в металле»?..
Лично для меня это не вопрос. Потому что я окончил Московский институт стали и сплавов и знаю, что в металлургии при производстве стали ее продувают водородом, чтобы лишить вредных примесей (кислорода). Как происходит продувка? По-разному. Иногда водород продувают через жидкую сталь во время ее варки. Это всем понятно… Когда кому-то говоришь, что металлурги продувают сталь водородом, люди обычно именно так и представляют себе этот процесс: жидкая сталь, продуваемая снизу пузырьками газа. Потому что есть бытовой аналог – газировка с пузырьками.
Но иногда продувку ведут и другим способом: водород продувают через раскаленные слитки, то есть через твердое тело. И водород сквозит через твердую сталь так же легко, как вода через решето. Да, собственно, именно это и происходит – крохотный водород запросто пролетает сквозь сито кристаллической решетки металла.
При растворении водорода в металле водородный атом лишается электрона и остается один голый протон, который легко просеивается внутри слитка. А электрон уходит в зону проводимости металла, то есть присоединяется к общим, коллективным электронам металла, которые свободно в нем бегают. Именно эта «коллективная собственность» на электроны и делает металлы электропроводниками. При приложении к металлическому кабелю электрического поля коллективные электроны, не принадлежащие персонально никакому атому, но принадлежащие всем атомам на правах «равной долевой собственности», начинают по проводнику свой коллективный бег, который мы называем электрическим током.
Но водород может не только физически растворяться в металле, но и вступать с ним в химическую реакцию с образованием так называемых гидридов. В гидридах водород присутствует уже не в виде голого протона, а в виде аниона, то есть протона, вокруг которого крутятся два электрона. Запомним этот важный факт: он нам понадобится через пару-тройку абзацев.
А пока выясним, как на гидриды влияют температура и давление, ведь в центре планеты очень горячо и давление там – дай боже! Оказывается, это влияние разнонаправленное. Чем больше давление, тем больше растворимость водорода в металле. Чем сильнее давишь – тем больше водорода можно натолкать в металл. И с какого-то момента водорода в металле становится так много, что уже начинает идти химическая реакция между ним и металлом – образуются уже упомянутые металлогидриды.
Температура действует ровно наоборот. Если гидриды нагревать, они начинают разлагаться, потому как с ростом температуры растворимость водорода в металле падает, и образец начинает активно «газить» водородом. Получается, что ситуация в центре планеты очень неоднозначная: давление действует в одну сторону, температура в другую. И для того, чтобы в этой ситуации разобраться, нужно ответить на несколько вопросов.
Вопрос первый. Что будет, если начать обжимать металл? Может ли он уплотняться и за счет чего?.. Говорят, что вода несжимаема. Тогда металл, наверное, еще больше «несжимаемый», ведь он твердый? Оказывается, сжать металл (уплотнить его) все-таки можно. Если постараться, конечно.
Сначала уплотнение идет за счет того, что в металле начинают исчезать все дефекты кристаллической решетки – закрываются поры и микротрещинки, атомы утрамбовываются до так называемой плотнейшей упаковки. Если твердые шарики сложить в ящик максимально плотно, получится как раз то, что в кристаллографии и называют плотнейшей упаковкой. Больше резервов для уминания нет: все промежутки между шариками меньше самих шариков. Дальнейшее уплотнение материала может идти только за счет сминания самих шариков. Но можно ли смять атомы?
Можно, как ни странно. Ведь атом внутри практически пуст. Если ядро атома увеличить до размеров спичечной головки, то мы увидим, что размер всего атома увеличится до габаритов Большого театра. То есть орбита самого дальнего электрона как раз охватит здание театра. А все пространство внутри театра будет практически пустым.
Возьмем тот же углерод и раздуем его. Что видим? Видим в центре Большого театра спичечную головку, состоящую из шести протонов и шести нейтронов. А вокруг нее на расстояниях в десятки метров мельтешат шесть крохотных, не различимых глазом точек, масса каждой из которых в 24 000 раз (!) меньше массы нашей спичечной головки. Атом пуст!
И если давление растет, радиус атомов может уменьшаться: его внешние электронные орбиты стягиваются поближе к ядру, уменьшая габарит всей конструкции. При этом чем более рыхлый мы имеем атом, тем больше его податливость. Рыхлый атом – это атом, у которого во внешней электронной оболочке «совсем почти ничего нет», то есть болтается там всего один электрон, который «легко уговорить». А вот если электронов на внешней орбите восемь, их уже «уговорить» потесниться сложнее.
Самые «уговариваемые» атомы – щелочные металлы: у них на внешней орбите по одному электрону, причем радиус орбиты этого электрона вдвое больше радиуса внутренних орбит, на которых крутятся все остальные электроны. Такого наглого одиночку легко подвинуть – ишь, раскинулся!..
Взять, например калий. Его номер в таблице Менделеева 19-й. То есть у калия 19 электронов. Причем 18 из них шебуршатся на внутренних орбитах, поближе к ядру, а один – на внешней. И эта внешняя орбита занимает объем в пять раз больший, чем внутренняя! Ну как его не попросить подвинуться? И просят. При давлении в 100 атмосфер калий, например, уплотняется в 2 раза. А дальше?
Дальше – хуже. Когда внешний электрон притиснут к внутренним, начинается возмущение перенаселением, и процесс резко затормаживается. Увеличили давление вдвое, до 200 атмосфер, а калий уплотнился совсем чуть-чуть – до 2,3 единиц. Даешь 250 атмосфер! Получи, поганый калий!.. Нет. Не «получает». График сжимаемости выходит на плато. Дальше давить бесполезно. Металл перестает уплотняться. Чё делать будем?..
А ничего тут уже не поделаешь. Не хочет. Говорит, некуда уже. И тут самое время задаться вторым вопросом.
Вопрос второй. А как ведет себя при сжатии металл, в котором содержится водород? Берем гидрид этого самого калия и… Ты смотри, что творится! Мы еще даже сжимать не начали, а замер показывает, что плотность гидрида калия при атмосферном давлении в 1,7 раз выше, чем у чистого калия. Что же дальше-то будет?
100 атмосфер. Плотность 2,5 единицы.Плотность растет линейно и даже не думает останавливаться!.. Что там вообще происходит? Почему металл с примесью уплотняется лучше, чем без примеси, хотя, по идее, должно было быть наоборот?.. Тут надо вспомнить, что водород в металлогидриде представляет собой протон с двумя электронами. Откуда взялся лишний электрон? А от калия, больше неоткуда. При образовании химической связи между калием и водородом калий теряет один электрон, а водород приобретает, превращаясь в пузатый гидрид-ион. Гидрид-ионы большие и «рыхлые». Их очень легко сжать, потому что, собственно говоря, и сжимать-то там особо нечего – один протон, вокруг которого крутятся два электрона. Сплошная пустота. Водород – это вам не атом металла, который может состоять из полутора сотен протонов и нейтронов и почти сотни электронов! Водород – фитюлька нехитрая.
200 атмосфер. Плотность 3 единицы.
250 атмосфер. Плотность 3,5 единицы.
И когда давление прижимает электронные орбиты к водородному ядру, гидрид-ион становится таким маленьким, что легко умещается в дырочках между крупными «шарами» атомов калия. Точнее, не атомов, а ионов калия – это важное примечание, поскольку теперь наш калий живет без одного электрона (который перешел к водороду), то есть без внешней электронной оболочки. Поэтому ион калия почти вдвое меньше, чем атом калия, ведь именно внешняя оболочка составляет 5/6 объема атома.
Атом сам разделся, «просить» не пришлось. А если еще и «попросить» с помощью хорошего давления, то «раздетому» атому будет легче сжиматься, поскольку электронная теснота уже не так плотна, как в чистом калии.
На рисунке внизу схематически показан процесс уплотнения гидрида калия и сжатие пузатых гидрид-ионов, которые теперь помещаются в промежутках между ионами калия.
Рис. 6. Уплотнение гидрида
И так ведет себя не только калий. Аналогичным аномальным образом сжимаются литий, натрий, рубидий, кальций и другие металлы. Но нас с вами интересуют не эти ничтожества, а магний и кремний – основа нашей планеты.
Если у магния сорвать внешнюю электронную оболочку, то его размер здорово уменьшится. Диаметр атома магния – 3,2 ангстрема. А диаметр положительного иона магния, лишенного двух электронов, всего 1,3 ангстрема. С кремнием та же хрень: диаметр полного атома кремния – 2,7 ангстрема, а «без башни» – 1,1.
Что это означает на практике? Это означает, что при определенных условиях плотность магния и кремния может вырасти в 14 раз и превысить плотность золота. Таков теоретический предел плотности гидридов магния и кремния. Это полностью снимает аргумент противников металлогидридной Земли о том, что у магния и кремния недостаточная плотность, чтобы быть «кандидатами на ядро». Действительно, плотность земного ядра, измеренная методами геофизики, составляет 12,5 г/см3, а плотность кремния 2,3 г/см3, магния – 1,74 г/см3. Маловато. Но если учесть, что плотность гидридов кремния и магния может быть увеличена до 14 раз, то вполне хватит. Причем с большим запасом.
Глава 4. Чудеса в решете. Точнее, в решетке
Теперь, отдав должное металловедению и кристаллографии, вновь вернемся в прошлое и посмотрим, что происходило дальше с нашей туманностью, которая доэволюционировала наконец до глобул – разреженных газовых шаров по миллиону километров в диаметре. Именно так выглядела когда-то наша будущая Земля. Впрочем, слово «выглядела» здесь совершенно неуместно, поскольку протоземля была невидима в силу своей разреженности – ее плотность в 1000 раз меньше плотности воздуха. Смотреть не на что! Абсолютно прозрачный шар, который и газовым-то назвать можно с некоторой натяжкой. Почти вакуум!
Но постепенная гравитационная конденсация вещества приводила к его разогреву. Тот же самый процесс мы уже наблюдали ранее в протосолнце, когда стискивание газа привело к его нагреву до полутора-двух тысяч градусов и легкому бордовому свечению. Однако дальнейшего нагрева – до двух-трех тысяч градусов на Земле не произошло. Потому что энергия гравитационного сжатия теперь расходовалась уже не на нагрев, а на создание химических связей между водородом и металлами. Дело в том, что реакции образования гидридов эндотермические, то есть идут с поглощением тепла. Получается, что тепловая энергия самым буквальным образом запасалась, аккумулировалась в гидридах. Чтобы потом высвободиться и дать толчок теперь уже не космической, но геологической истории планеты.
Выше мы «проходили», что давление способствует проникновению водорода в металлы. А температура, напротив, способствует разложению металлогидридов. На первом этапе работало именно давление, формируя металлогидридное ядро планеты. Причем поскольку процесс шел с поглощением тепла, ядро не нагревалось до той температуры, при которой гидриды уже начали бы разлагаться, высвобождая водород обратно. Это случилось позже…
Это случилось тогда, когда радиогенное тепло разогрело недра новенькой, только что из-под пресса, планеты. Радиогенное тепло – это тепло от распада радиоактивных элементов. Когда-то короткоживущие (время жизни около миллиона лет) радиоактивные элементы сыграли свою роль в эволюции небулы: ионизировали нейтральный газ, благодаря чему стала возможной магнитная сепарация элементов. А вот теперь уже «долгоиграющие» радиоактивные элементы типа урана сыграли свою роль в запуске геологического двигателя нашей планеты.
Что это за двигатель такой?
Да очень просто. Следите за мыслью…
Неспешный распад трансурановых начал постепенно прогревать планету изнутри по всему ее объему. И металлогидриды начали постепенно разлагаться. Химические связи металл – водород рвались, и освобожденный водород, для которого металл прозрачен, устремлялся наружу. Разумеется, сначала металлогидриды начали распадаться там, где их не сдерживало давление, – неподалеку от поверхности планеты. И постепенно этот процесс продвигался вглубь.
Через какое-то время планета расслоилась на несколько геосфер, вложенных друг в друга, как матрешки. Внутри планеты оставалось тяжелое и очень плотное ядро из металлогидридов. Его окружил пояс металлов, в которых гидриды уже разложились и теперь это были просто металлы с обильно растворенным в них водородом, который интенсивно утекал вверх. С течением времени, по мере радиогенного прогрева, слой металлов расширялся, а металлогидридное ядро уменьшалось из-за распада гидридов.
Заметьте важную деталь. Вот уже 4,5 миллиарда лет внутри Земли работает радиоактивная печка. А Земля не нагрелась, не расплавилась. Почему? Потому что избыточное тепло интенсивно отводится утекающим вверх водородом. Который, достигнув поверхности планеты, затем улетает в открытый космос. Об этом у нас еще будет конкретный базар.
Заметьте еще одну важную деталь. Улетающий из металлогидридного ядра водород прошивает окружающую ядро металлическую оболочку. А что делает водород, прошивающий металл? Мы это тоже проходили! Он выносит из металла кислород. И это значит, что в результате водородной продувки практически весь кислород, ранее равномерно размазанный по объему планеты, оказался вынесенным к ее поверхности. Именно поэтому складывается ощущение, что кислорода на нашей планете полно. Нет, не полно! Его, как и указано в таблице, всего 1 % от массы Земли. Просто теперь весь этот процент сосредоточен у поверхности планеты, а не в ее объеме. И только поэтому его хватило на формирование океанов, атмосферы и даже тонкой силикатной (окисной) корочки планеты.
Но постепенная гравитационная конденсация вещества приводила к его разогреву. Тот же самый процесс мы уже наблюдали ранее в протосолнце, когда стискивание газа привело к его нагреву до полутора-двух тысяч градусов и легкому бордовому свечению. Однако дальнейшего нагрева – до двух-трех тысяч градусов на Земле не произошло. Потому что энергия гравитационного сжатия теперь расходовалась уже не на нагрев, а на создание химических связей между водородом и металлами. Дело в том, что реакции образования гидридов эндотермические, то есть идут с поглощением тепла. Получается, что тепловая энергия самым буквальным образом запасалась, аккумулировалась в гидридах. Чтобы потом высвободиться и дать толчок теперь уже не космической, но геологической истории планеты.
Выше мы «проходили», что давление способствует проникновению водорода в металлы. А температура, напротив, способствует разложению металлогидридов. На первом этапе работало именно давление, формируя металлогидридное ядро планеты. Причем поскольку процесс шел с поглощением тепла, ядро не нагревалось до той температуры, при которой гидриды уже начали бы разлагаться, высвобождая водород обратно. Это случилось позже…
Это случилось тогда, когда радиогенное тепло разогрело недра новенькой, только что из-под пресса, планеты. Радиогенное тепло – это тепло от распада радиоактивных элементов. Когда-то короткоживущие (время жизни около миллиона лет) радиоактивные элементы сыграли свою роль в эволюции небулы: ионизировали нейтральный газ, благодаря чему стала возможной магнитная сепарация элементов. А вот теперь уже «долгоиграющие» радиоактивные элементы типа урана сыграли свою роль в запуске геологического двигателя нашей планеты.
Что это за двигатель такой?
Да очень просто. Следите за мыслью…
Неспешный распад трансурановых начал постепенно прогревать планету изнутри по всему ее объему. И металлогидриды начали постепенно разлагаться. Химические связи металл – водород рвались, и освобожденный водород, для которого металл прозрачен, устремлялся наружу. Разумеется, сначала металлогидриды начали распадаться там, где их не сдерживало давление, – неподалеку от поверхности планеты. И постепенно этот процесс продвигался вглубь.
Через какое-то время планета расслоилась на несколько геосфер, вложенных друг в друга, как матрешки. Внутри планеты оставалось тяжелое и очень плотное ядро из металлогидридов. Его окружил пояс металлов, в которых гидриды уже разложились и теперь это были просто металлы с обильно растворенным в них водородом, который интенсивно утекал вверх. С течением времени, по мере радиогенного прогрева, слой металлов расширялся, а металлогидридное ядро уменьшалось из-за распада гидридов.
Заметьте важную деталь. Вот уже 4,5 миллиарда лет внутри Земли работает радиоактивная печка. А Земля не нагрелась, не расплавилась. Почему? Потому что избыточное тепло интенсивно отводится утекающим вверх водородом. Который, достигнув поверхности планеты, затем улетает в открытый космос. Об этом у нас еще будет конкретный базар.
Заметьте еще одну важную деталь. Улетающий из металлогидридного ядра водород прошивает окружающую ядро металлическую оболочку. А что делает водород, прошивающий металл? Мы это тоже проходили! Он выносит из металла кислород. И это значит, что в результате водородной продувки практически весь кислород, ранее равномерно размазанный по объему планеты, оказался вынесенным к ее поверхности. Именно поэтому складывается ощущение, что кислорода на нашей планете полно. Нет, не полно! Его, как и указано в таблице, всего 1 % от массы Земли. Просто теперь весь этот процент сосредоточен у поверхности планеты, а не в ее объеме. И только поэтому его хватило на формирование океанов, атмосферы и даже тонкой силикатной (окисной) корочки планеты.