В настоящее время благодаря многочисленным наблюдениям установлено, что при взаимодействии космических протонов, обладающих очень высокой энергией, с атомами элементов в атмосфере образуется несколько вторичных частиц, которые, в свою очередь, способны при столкновении с другими ядрами давать еще несколько частиц. Таким образом, одна быстрая частица, пришедшая в атмосферу из космоса, дает начало целой гамме вторичных частиц — протонов, нейтронов, мезонов, электронов, позитронов и, наконец, фотонов. Такие «ливни» частиц образуются в атмосфере повсеместно. Иногда они бывают очень больших размеров и захватывают огромные площади земной поверхности. Образующиеся в ливнях позитроны и электроны поглощаются в очень тонком слое земной коры. Они и образуют мягкую компоненту космического излучения. Нейтроны и мезоны составляют жесткую компоненту этого излучения; они могут полностью поглотиться только большим слоем земной коры и поэтому проникаю] далеко вглубь ее.
Наша Галактика окружена своеобразной «короной» из космических лучей. Эта «корона» имеет форму сферы, в области экватора которой расположена основная часть звезд нашей Галактики. Радиус такой сферы составляет примерно 5 · 1022 см, или 50 000 световых лет. В ней обнаружены и магнитные поля, которые в основном расположены произвольно. Частицы космических лучей проходят в Галактике очень большие расстояния. Вследствие отсутствия какой-либо направленности магнитных полей космические лучи в Галактике равномерно распределены во всем объеме сферы. Таким же образом распространены космические лучи и в галактике созвездия Андромеды и, по-видимому, во всех спиральных галактиках.
На основании рассмотренного материала можно сделать вывод, что вещество во Вселенной находится в основном в трех видах — в виде плазмы, состоящей из ионизированных атомов с различной плотностью и температурой (звезды с их оболочками, оболочки планет, газовые туманности, космические лучи), в виде разнообразных химических соединений при сравнительно низкой температуре (планеты, астероиды, метеориты, кометы, пылевые туманности) и, наконец, в виде сверхплотного вещества (белые карлики, нейтронные звезды, ядра планет). Ниже мы покажем, что состояние вещества, так же как и его химический состав, тесно связано с процессом эволюции звезд, планет и других космических тел во Вселенной.
9. Основные закономерности в распространенности элементов и их изотопов
Чем выше атомный вес элемента, тем реже он встречается в природе. Обращает на себя внимание также факт повышенной распространенности элементов с четными порядковыми номерами. Содержание их составляет в целом для Земли 97,21 вес.%, по числу атомов — 97,35 %. Содержание нечетных элементов значительно меньше. Преобладание четных элементов над нечетными особенно резко проявляется в группе редкоземельных элементов. Эти элементы имеют чрезвычайно близкие химические свойства, что обусловлено одинаковым строением их наружных электронных оболочек. Все 14 элементов этой группы сопутствуют друг другу при различных геологических и геохимических процессах, и соотношение их содержания практически не изменяется. На рис. 28 показаны кривые распространенности элементов этой группы в земной коре и метеоритах. Видно последовательное повышение распространенности четных элементов по сравнению с нечетными.
По мере того как выяснялись все новые и новые закономерности в распространенности химических элементов в земной коре, естественно появлялись и попытки объяснить наблюдаемые закономерности.
Рис. 28. Распространенность редкоземельных элементов в земной коре (1) и метеоритах (2). (Распространенность лантана принята за единицу.)
Прежде всего пытались найти зависимость периодических изменений в величинах распространенности элементов от их атомных весов. Такой подход был тесно связан с общим развитием химии в последней четверти XIX века. К этому времени Д. И. Менделеев открыл закон о периодических изменениях разнообразных химических и физических свойств химических элементов и их соединений. Однако все попытки найти какую-либо периодическую закономерность в распространенности элементов не увенчались успехом. Оказалось, что распространенность химических элементов в земной коре не связана с их химическими свойствами.
Элементы с очень близкими химическими свойствами часто имеют самую различную распространенность. В качестве примера можно привести данные по распространенности в земной коре щелочных металлов. Так, содержание калия равно 2,35 вес. %, натрия — 2,4, лития — 0,005, рубидия — 0,008 и, наконец, цезия — 0,001 вес. %. И наоборот, часто распространенность элементов с совершенно различными химическими свойствами почти одинакова. Например, распространенность фосфора равна 0,12, марганца—0,1 вес. %. Почти одинакова распространенность кадмия и йода: 0,0005 и 0,0001 вес. % соответственно и т. д.