Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Космохімічні основи геохімії

Енергетика Землі

Головним джерелом тепла є гравітаційна енергія, що виділилася при відділенні земного ядра і нагромадилася всередині землі, а також радіоактивний розпад ізотопів U, Th, and ⁴⁰K. Теперішній потік тепла через поверхню Землі (теплові втрати Землі) складає 4,18 х 10¹³ Дж/см²/сек = 4.18 х 10¹³ Ват. Треба врахувати, що енергія також витрачається на роботу магнітного динамо в ядрі.

Ці втрати врівноважуються радіогенною генерацією тепла, охолодженням внутрішніх оболонок Землі і, можливо, виділенням теплоти кристалізації у внутрішньому ядрі.

Встановлення точного теплового балансу необхідне для побудови точних динамічних моделей Землі. Мз цим пов’язано ряд геохімічних проблем; зокрема, при високих тисках в атомах K електрон із зовнішньої 4s-орбіталі переходить на незаповнену 3d-орбіталь і калій стає d-елементом, що полегшує його входження в речовину ядра – таким чином створюється можливість формування важливого джерела радіогенної енергії за рахунок ⁴⁰K в ядрі

Хімічні елементи в природі існують у вигляді ізотопів. Ізотопи мають однакову будову електронних оболонок: але різну масу ядра, зумовлену зміною кількості нейтронів, що розділяють (ізолюють) протони.

Характеристики ізотопа – масове число A, атомний номер Z, кількість нейтронів N, константа розпаду λ і період піврозпаду t_½.

Ізотопи позначаються як ^mЕ, де m – масове число (наприклад, ¹³C, ¹⁶O, ³²S, ²³⁵U)

Нуклон – загальна назва протона і нейстрона: складових атомного ядра

Порядковий номер = число протонів в ядрі

Масове число A= протони Z + нейтрони N

Енергія ядра

m(Z,A)=Zm_протон+ Nm_{нейтрон}– E_зв (Z,A)/с² (с – швидкість світла)

маса ядра=маса протонів + маса нейтронів + енергія зв’язку

Якщо E_зв>0 – енергія виділяється, ізотоп стабільний

Якщо E_зв < 0 – енергія поглинається, ізотоп нестабільний

Це зумовлено співвідношенням двох сил-антиподів: сил зв’язку між нуклонами і сил кулонівського відштовхування. Нейтрони є ніби ізолятором між протонами. При малій кількості протонів співвідношення N/Z близьке до 1; із збільшенням кількості протонів це співвідношення зростає до 1,5

Із рис. залежності вкладу енергії зв’язку на нуклон до атомного номера видно: 1) наявність максимуму на кривій вказує, що з’єднання ядер в одно енергетично вигідно для мас <60 (при цьому виділяється багато енергіх – термоядерний синтез), але є енергетичний бар’єр, тому реакція не йде спонтанно); 2) Для мас A> 60, енергетично вигідним є розщеплення великих нуклідів на менші, що відбувається із виділенням енергії (радіоактивний розпад, приклад ядерні реактори на ²³⁵U або атомні бомби). Відмітьте, що і в цьому випадку існує енергетичний бар’єр, що стримує самовільний розпад.

Проблема походження атомів виникла при встановленні природи джерела енергії Сонця і зірок і при розробці теорії Великого Вибуху (Big Bang) Всесвіту. Проблема джерела енергії на Сонці була розв'язана у кінці 30-х років XX століття Х. Беті і К. Вейцзекером. На основі розрахунків вони дійшли висновку, що механізм генерації енергії на Сонці і в інших зірках пов'язаний з утворенням ядер гелію з чотирьох протонів: р-р-цикл і CNO -цикл. Проте розрахунки показали, що в надрах зірок за час існування Всесвіту може утворитися відносно мало гелію (~ 2%) в порівнянні із спостережуваною його поширеністю (~ 25%).

Десятиліття опісля після публікації робіт Х. Беті і К. Вейцзекера, Г. А. Гамовым була розроблена теорія Великого Вибуху Всесвіту. Згідно цієї теорії, Всесвіт пройшов еру нуклеосинтезу в самий початковий момент, коли утворилися протони і нейтрони і услід за ними ізотопи водню, гелію і літію.

У той же період Э. Салпетер показав, що за умов, характерних для надр зірок, разом з горінням водню (р-р- і CNO -цикли) можливе горіння гелію з утворенням вуглецю. Так виникли перші основні уявлення стосовно ядерного синтезу, великий внесок у розвиток яких окрім названих вище вчених внесли У. Фаулер, Ф. Хойл, Дж. і М. Бербиджи, А. Камерон. Згідно з сучасними науковими уявленнями, практично усі хімічні елементи утворилися і утворюються в результаті процесів, що відбуваються в зірках, що призводить до еволюційних змін стану зірок. Тому проблема утворення нуклідів тісно пов'язана також і з питаннями еволюції зірок.

ПОШИРЕНІСТЬ АТОМІВ У ВСЕСВІТІ

Космічна поширеність хімічних елементів визначається стабільністю ядер атомів (Вернадский, 1921, Goldschmidt, 1930)

Ще в 1923 р. В. М. Гольдшмидт сформулював основний закон геохимии: загальна поширеність елементу залежить від властивостей його атомного ядра, а характер поширення - від властивостей зовнішньої електронної оболонки його атома. Ферсман отримав графік залежності атомних кларків від заряду ядра для парних і непарних елементів періодичної системи Д. И. Менделєєва (мал. 6.2). Він з'ясував, що з ускладненням атомного ядра, збільшенням його маси кларки елементів зменшуються, але ці криві виявилися немонотонними. Легкі атоми (займаючі місця на початку періодичної системи) поширеніші. Їх ядра містять невелике число нуклонів (протонів і нейтронів). Дійсно, після заліза (Z = 26) немає жодного поширеного елементу. На це вказував ще Д. И. Менделєєв. У 1869 р. одночасно з періодичним законом він сформулював правило: елементи з малими атомними вагами загалом поширеніші, ніж важкі елементи.

Рис. Залежність між логарифмом середнього вмісту хімічного елементу в земній корі (кларку) і його атомним номером (за А.І. Ферсманом)

Інша закономірність була встановлена в 1914 р.. Г. Оддо (Італія) і В. Гаркинсоном (США) в 1915-1928 рр. Вони помітили, що в земній корі переважають елементи з парними порядковими номерами і парними атомними масами. Серед сусідніх елементів у парних кларки завжди вищі, ніж у непарних. Для перших 9 елементів по поширеності парні кларки складають 86,43%, а непарні - 13,03%. Особливо великі кларки елементів, атомна маса яких ділиться на 4. Серед атомів одного і 334 ті ж елементи переважають ізотопи з масовим числом, кратним 4. Таку будову Ферсман позначив як 4q, де q - ціле число. Нижче приведено співвідношення поширеності різних ізотопів кисню і сірки :

¹⁶O - 99,76 ¹⁷O - 0,04 ¹⁸O - 0,20

³²S - 55,01 ³³S - 0,75 ³⁴S - 4,22 ³⁶S - 0,02.

По Ферсману, ядра типу 4q складають 83,39% земної кори. Менш поширені ядра 4q+3 (12,7%). Зовсім мало ядер 4q+l і 4q+2 (1%). Було відмічено також, що серед парних елементів, починаючи з гелію, найбільші кларки має кожен шостий: кисень (№ 8), кремній (№ 14), кальцій (№ 20), залізо (№ 26). Для непарних елементів існує аналогічне правило (починаючи з водню, № 1) : азот (№ 7); алюміній (№ 13); калій (№ 19); марганець (№ 25). Ядра, що містять 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 протонів або нейтронів, особливо стійкі. Ці числа називаються магічними. Найбільш стійкі двічі магічні ядра, що містять магічні числа протонів і нейтронів (²⁰⁸Pb).

Таким чином, поширеність елементів в земній корі пов'язана переважно з будовою атомного ядра. У земній корі переважають ядра з невеликим і парним числом протонів і нейтронів.

Рис. 9. Розподіл вмістів хімічних елементів в земній корі (зверху) і у Всесвіті (нормовано на 10⁶ атомів Si) (внизу) залежно від атомного номера

Ґрунтуючись на даних про поширеність хімічних елементів в природі учені дійшли висновку, що найбільш вірогідним джерелом утворення більшості ядер є послідовності дискретних ядерних процесів, що протікають в надрах зірок, тобто окремих груп ядерних реакцій. Тому дуже важливо в першу чергу розглянути деякі дані про вміст ізотопів атомів і нуклідів у Сонячній системі, зірках і газових туманностях.

Для Землі, метеоритів і Місяця вміст елементів визначається безпосередньо, хоча і для цих об'єктів є певні обмеження і труднощі. Метеорити, що летять через атмосферу Землі, втрачають частину своєї речовини, тому елементний аналіз досліджуваних об'єктів виявляється недостатньо повним. Хімічний склад планет Сонячної системи менш відомий. Відомості про нього ґрунтуються у більшості випадків на величині середньої густини речовини планет. Вміст хімічних елементів на Сонці, в зірках і газових міжзоряних туманностях визначають методами спектрального аналізу, при цьому потрібно врахувати, що для Сонця і зірок можна визначити хімічний склад тільки їхньої атмосфери . У спектрі атмосфери Сонця встановлені лінії більше 70 хімічних елементів. Проте і в атмосферах зірок і Сонця деякі елементи не уда-ется виявити з об'єктивних причин. Виходячи із спостережливих даних про поширеність элементів у Сонці було зроблено висновок, що, в хорошому наближенні, відносний зміст їх узгоджується із вмістом елементів для Землі і метеоритів, хоча є і відмінності в деталях. Є явна розбіжність у кількості легких елементів Li і Be, яких в Землі і метеоритах значно більше, чим в Сонці. Ядра цих атомів легко руйнуються в ядерних реакціях при температурі Сонця. Земля і метеорити, у свою чергу, бідні легкими леткими елементами.

Уся доступна для дослідження речовина складається з одних і тих же хімічних елементів; їх кількісні співвідношення (поширеність), в межах порядку величини, практично однакові (Вернадський, 1926).

Уперше таблиця поширеності елементів у Всесвіті була складена Г. Зюсом і Г. Юрі у 1956 році на основі хімічного складу земної кори, метеоритів і Сонця. Сучасні дані про поширеність нуклідів показані на рис.10 графічною залежністю змісту нуклідів від масового числа. Графік завершується останніми стійкими ізотопами Pb і Bi і ілюструє багато особливостей, що відображають характерні властивості різних процесів нуклеосинтезу.

Серед найбільш помітних особливостей виділяється пік групи заліза, зміст елементів в якому на 2-3 порядки вище, ніж на згладженій частині. Є також невеликі подвійні списи поблизу масових чисел 90, 135 і 200.


Відносна поширеність нуклідів lgN (N - число атомів, IgN_Si = 6) залежно від атомної маси А (за А. Камероном). Ізотопи одного і того ж елементу (аж до Ge) з’єднані прямими лініями. Символи вказують основні процеси синтезу нуклідів : D - вибухове горіння С, O і Si, ¡ - повільне захоплення нейтронів (s -процесс), + - швидке захоплення нейтронів (r -процесс), Å- порівнянний вклад s - і r -процессов, - ядерна статистична рівновага ( е -процесс). Нукліди, що утворюються в інших процесах, відмічені точками. Штриховою лінією сполучені обійдені ядра.

Рис.10. Розподіл вмістів хімічних елементів у Всесвіті (нормовано на 10⁶ атомів Si) залежно від масового числа

Хімічні елементи утворюються в ході ядерних процесів (процесів нуклеосинтезу), що відбуваються на різних етапах еволюції Всесвіту (Gamov, 1939, 1946; Alpher, Bethe, Gamov, 1948; Чердынцев, 1956; E.Burbidge, G.Burbidge, Fowler, Hoyle, 1957; Fowler, 1985).

Початок всього – Великий Вибух (13.75±0.15 млрд. років тому)

Великий вибух (англ. Big Bang) - космологічна теорія початку розширення Всесвіту, перед яким Всесвіт знаходився в сингулярному стані.

За сучасними уявленнями, спостережуваний нами зараз Всесвіт виник з деякого початкового "сингулярного" стану і відтоді безперервно розширюється і охолоджується.

Екстраполяція спостережуваного розширення Всесвіту назад в часі приводить при використанні загальної теорії відносності і деяких інших альтернативних теорій гравітації до нескінченної щільності і температури в кінцевий момент часу у минулому. Більше того, теорія не дає ніякої можливості говорити про що-небудь, що передувало цьому моменту (тому, що наша математична модель простору-часу у момент Великого вибуху втрачає застосовність: при цьому теорія зовсім не заперечує можливість існування чого-небудь до Великого вибуху), а розміри Всесвіту тоді дорівнювали нулю - вона була стиснена в точку. Цей стан називається космологічною сингулярностью і сигналізує про недостатність опису Всесвіту класичною загальною теорією відносності. Наскільки близько до сингулярности можна екстраполювати відому фізику, є предметом наукових дебатів, але практично загальноприйнято, що допланківскую епоху розглядати відомими методами не можна. Багато учених напівжартома-напівсерйозно називають космологічну сингулярность "народженням" (чи "створенням") Всесвіту. Неможливість уникнення сингулярности в космологічних моделях загальної теорії відносности була доведена разом з іншими теоремами про сингулярності Р. Пенроузом і С. Хокингом у кінці 1960-х років. Її існування є одним із стимулів побудови альтернативних і квантових теорій гравітації, які прагнуть вирішити цю проблему.

Згідно з відомими обмеженнями по застосовності сучасних фізичних теорій, найбільш раннім моментом, що допускає опис, вважається момент планківської епохи з температурою приблизно 1032 K (Планківська температура) і щільністю близько 1093 г/см³ (Планківська щільність). Ранній Всесвіт був високооднорідним і ізотропним середовищем з надзвичайно високою щільністю енергії, температурою і тиском. В результаті розширення і охолодження у Всесвіті сталися фазові переходи, аналогічні конденсації рідини з газу, але стосовно елементарних часток.

Приблизно через 10 − 35 секунд після настання планківської епохи (Планківський час - 10 − 43 секунд після Великого вибуху, в цей час гравітаційна взаємодія відокремилася від інших фундаментальних взаємодій) фазовий перехід викликав експоненціальне розширення Всесвіту. Цей період дістав назву Космічної інфляції. Після закінчення цього періоду будівельний матеріал Всесвіту був кварк-глюонною плазмою. Із часом температура впала до значень, при яких став можливий наступний фазовий перехід, званий баріогенезисом. На цьому етапі кварки і глюони об'єдналися в баріони, такі як протони і нейтрони. При цьому одночасно відбувалося асиметричне утворення як матерії, яка переважала, так і антиматерії, які взаємно анігілювали, перетворюючись на випромінювання.

Подальше падіння температури привело до наступного фазового переходу - утворення фізичних сил і елементарних часток в їх сучасній формі. Після чого наступила епоха нуклеосинтезу, при якій протони, об'єднуючись з нейтронами, утворили ядра дейтерію, гелия- 4 і ще декількох легких ізотопів. Після подальшого падіння температури і розширення Всесвіту наступив перехідний момент, при якому гравітація стала домінуючою силою. Через 380 тисяч років після Великого вибуху температура знизилася настільки, що стало можливим існування атомів водню (до цього процеси іонізації і рекомбінації протонів з електронами знаходилися в рівновазі).

Після ери рекомбінації матерія стала прозорою для випромінювання, яке, вільно поширюючись в просторі, дійшло до нас у вигляді реліктового випромінювання.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Розділ I ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ	\|	НУКЛЕОСИНТЕЗ ВАЖКИХ І НАДВАЖКИХ ЕЛЕМЕНТІВ ПРИ ВИБУХУ СУПЕРНОВОЇ

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.