Космические лучи при попадании в атмосферу Земли испытывают соударения с атомными ядрами элементов атмосферы, в результате чего возникают вторичные нейтроны разнообразных энергий и мезоны. Во всей толще атмосферы образуется в среднем 2,6 нейтр/см2 сек. В зависимости от энергии нейтронов в атмосфере протекают следующие ядерные реакции:
Ν14(n, р)С14 (тепловые нейтроны);
Ν14(n, Не4)В11(En >1 Мэв);
N14(n, Н3)С12(En ≥ 4 Мэв).
Первая реакция является источником С14 в атмосфере и земной коре. Общее количество этого изотопа в земной коре достигает 80 т, что соответствует образованию 10 кг С14 в год.
Тритий образуется в земной коре главным образом под действием нейтронов космических лучей в количестве 0,12 атом/см2 сек. Это соответствует общему содержанию 1,8 кг трития в земной коре. Из этого количества лишь 1 % содержится в атмосфере и 1 % — в речных водах. Определение содержания трития в атмосферных осадках, в водах озер л морей дает ответ на ряд геохимических вопросов, позволяет установить, время, прошедшее с момента испарения воды из океана и выпадения ее в виде дождя, отличить подземные воды от поверхностных.
Недавно в дождевой воде был впервые обнаружен изотоп Be7. Он образуется в атмосфере под действием быстрых протонов по реакции N14(p, 2α)Ве7. Скорость его образования равна 2300 атом/см2 в день. Обнаружены также и долгоживущие изотопы Be10, Р32 и S35, Последний изотоп возникает, по-видимому, в результате расщепления атмосферного аргона под действием космических протонов. Содержание S35 оценивается равным 100—1175 атомов в 1 мл воды.
В последнее время начались исследования по обнаружению различных продуктов ядерных реакций, протекающих под действием космических лучей на атомы элементов, входящих в состав минералов и горных пород земной коры. Эти исследования сопряжены с большими трудностями, но они будут преодолены, и тогда можно будет, по-видимому, найти ответы на многие очень интересные вопросы относительно наблюдаемых аномалий в распространенности отдельных элементов-и их изотопов.
Еще много лет назад акад. В. И. Вернадский указал на то, что наблюдаемое рассеяние всех элементов в веществе земной коры нельзя объяснить полностью различными химическими, биохимическими и геологическими процессами. Он высказал предположение, что это явление может быть обусловлено ядерными реакциями элементов земной коры с космическими лучами. Изучение этого вопроса представляет, несомненно, большой интерес.
Таким образом, в веществе, которое выбрасывается при гигантских вспышках Новых и Сверхновых (и из которого затем образуются туманности и тела планетных систем), а также в веществе большинства звезд в результате различных ядерных реакций на их поверхности происходит постепенный процесс разрушения ядер химических элементов и превращение их в ядра водорода и других легких элементов. Этот процесс необратим. Синтез элементов в веществе, из которого состоят туманности, планеты, астероиды, кометы и метеориты, не происходит. Следовательно, во Вселенной наблюдается круговорот атомов химических элементов. В недрах звезд происходят ядерные реакции синтеза атомов тяжелых элементов в основном из водорода. Тепло, выделяемое в этих реакциях, обусловливает физическое состояние звезд, представляющих собой большие массы газа, нагретого до высокой температуры. В холодных телах значительно меньших размеров протекает обратный процесс — разрушение ядер химических элементов. Таким образом, количественное изменение в массах космических тел приводит к количественному изменению характера ядерных процессов, в них протекающих.
7. Судьба химических элементов в белых карликах
Мы уже указывали на то, что после вспышек Новых и Сверхновых звезд основная их масса превращается в белые карлики — плотные звезды малых размеров. Они состоят в основном из ядер тяжелых элементов, и поэтому ядерные реакции синтеза элементов в них не протекают. Их атомы, безусловно, так же, как и в холодных телах, подвергаются радиоактивному распаду и другим ядерным реакциям, приводящим к их постепенному разрушению. Но не эти процессы, по-видимому, определяют судьбу ядер химических элементов в белых карликах.