Инертные газы - Фастовский В.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Инертные газы в космосе. Эта проблема имеет первостепенное значение. Уже достигнуты большие успехи в познании структуры и химического состава Вселенной; новые, более мощные средства позволят еще глубже проникнуть в тайны Вселенной. Как известно, важнейшие процессы, которыми овладела и овладевает современная физика, —ускорение частиц, ядерное деление, термоядерный синтез, превращения элементов и другие — протекают на Солнце и звездах уже на протяжении нескольких миллиардов лет.
Спектральный анализ излучения Солнца и звезд, а также другие наблюдения показали, что распределение элементов во Вселенной и на Земле (включая океаны, атмосферу) резко различно; во Вселенной преобладают легчайшие газы — водород и гелий (~99%), а все остальные элементы составляют небольшую долю (~1%) общей массы в звездах, планетарных туманностях, межзвездном газе [18]. Относительная распространенность атомов инертных газов в космосе характеризуется следующими данными [19]: 81 — 1; Не — 3,08-103; Ые-8,6; Аг — 0,15; Кг — 5,13-Ю-5; Хе — 4-Ю-6. На Земле (включая океаны, атмосферу) это соотношение, по данным Андерсона [20], выглядит так: 81—1; Не —2,16-10"7; Ые-2,68• 10"8; Аг—3,78• 10"6; Кг— 2,45-Ю-10; Хе —2,39-Ю-11. Если сопоставить приведенные данные о распространении атомов инертных газов в космосе и на Земле, то можно убедиться, что Земля по. сравнению с космосом бедна содержанием не только гелия, но и неона и аргона.
В обзоре Юри [21] приведены предполагаемые свойства атмосфер других планет на основе данных наблюдений методами оптической и радиоастрономии, опубликованных до 1958 г. Существуют предположения, что- атмосфера Юпитера состоит преимущественно из гелия, а не из водорода, как считали до сих пор. По Эпику [22], состав атмосферы Юпитера такой: Не —97,2; Н2 —2,3; Ые-0,39; СН4 —0,063; Аг —0,0642; ЫНз — 0,0029.
Из приведенных данных о распространенности инертных газов можно сделать следующие выводы: 1) содержание аргона в воздухе, а гелия в природных газах достаточно велико, и применительно к этим двум газам название «редкие газы» лишено смысла; 2) воздух — единственный источник промышленного пол-учения аргона и редких газов — неона, криптона, ксенона;
9
3) гелионосные природные газы — единственный источник промышленного получения гелия.
Громадные количества природных газов используются в качестве топлива и химического сырья без попутного извлечения гелия; последний вместе с продуктами сгорания уносится в атмосферу, в космическое пространство, рассеивается и обесценивается. Задача сохранения этого природного богатства весьма актуальна, требует увеличения степени извлечения гелия и разработки методов хранения. За последние десятилетия в США не обнаружено новых крупных гелионосных источников, хотя в поисках нефти и газа пробурено громадное число скважин.
Высказываются идеи о доставке гелия из космического пространства и об использовании гелия, который, возможно, аккумулирован в далеких глубинах Земли. Но более вероятным представляется использование в будущем синтетического гелия— продукта управляемой термоядерной реакции, воспроизводящей на Земле звездный процесс слияния протонов в ядра гелия. Однако термоядерные процессы не являются обильными поставщиками гелия. Если принять, что к началу XXI в. годовая выработка энергии термоядерными станциями мира составит 3-Ю13 квт-ч (в настоящее время мировая выработка электрической энергии тепловыми и гидростанциями превышает 4,5 - 1012 квт-ч), то побочным продуктом всех термоядерных станций окажется 1,7-106 м3 Не, что в 16—17 раз меньше его современного годового потребления. Как известно, создание управляемого термоядерного реактора — генеральная задача современной физики, и трудно пока представить себе процесс выделения и отвода гелия из подобного реактора.
Происхождение
Последние десятилетия значительно обогатили наши познания в этой области. Здесь уместно ограничиться описанием лишь некоторых фактов.
Гелий в атмосфере (земной гелий)—продукт а-распада тяжелых радиоактивных элементов (урана, тория, актиния); при этом образуется лишь основной изотоп Не4. Скорость образования гелия ничтожна и составляет [17] около 1,16-Ю-7 см3 на 1 г и и 2,43-10~8 см3 на 1 г Тп в год. Для большей наглядности укажем, что 1 т связанного в минералах урана, являющегося главным источником гелия на Земле, испускает за год всего 0,12 см3 Не. Этот медленный и непрерывно идущий процесс ежегодно накапливаете доступных изучению толщах Земли и вод (25-^28) • 106 м3 газа. Сохранившийся запас гелия в атмосфере, литосфере, гидросфере оценивается в 5-Ю14 м3, а образовалось его во много раз больше. Гелий медленно рассеивается, улетучивается из атмосферы в космос (диссипация гелия).
ю
Обзор теорий происхождения гелия в природных газах приведен в работе Вагера [23].
Уже отмечено крайне низкое содержание Не3 в земном гелии; отношение Не3/Не4 для воздуха равно 1,1-10 в, а для гелия из природных .газов 1,4-10~7 [24]. Установлено, что Не3 получается в результате |3-распада тяжелого изотопа водорода — трития, который образуется в верхних слоях атмосферы при обстреле азота нейтронами космического происхождения. Это объясняет причину высокого содержания Не3 в гелии, извлеченном из некоторых железных метеоритов, и исчезающе малое его содержание в гелии природных газов, в гелиевых включениях урановых и ториевых руд.
