Почему водород — это самый распространенный элемент во Вселенной?
Водород является самым распространенным элементом во Вселенной. Но почему?
Для того чтобы ответить на этот вопрос, мы должны вернуться к Большому взрыву, сказала Майя Найман, профессор химии в Университете штата Орегон.
Большой взрыв привел к созданию всех элементов, которые мы можем найти в периодической таблице. Они являются строительными блоками, помогающими создать Вселенную. Каждый элемент имеет уникальный номер элементарных частиц — протонов (положительно заряженных), нейтронов (нейтральных) и электронов (отрицательно заряженных). 
Самый простой и распространенный элемент
Водород имеет только один протон и один электрон (это единственный элемент без нейтрона). Он является самым простым элементом во Вселенной, что объясняет, почему он также самый распространенный, — сказала Найман. Тем не менее изотоп водорода, называемый дейтерием, содержит один протон и один нейтрон, а другой, известный как тритий, имеет один протон и два нейтрона.
В звездах атомы водорода сливаются, чтобы создать гелий – второй наиболее распространенный элемент во Вселенной. Гелий имеет два протона, два нейтрона и два электрона. Вместе гелий и водород составляют 99,9 процента всей известной материи во Вселенной.
Тем не менее во Вселенной примерно в 10 раз больше водорода, чем гелия, как говорит Найман. «Кислорода, который является третьим самым распространенным элементом, примерно в 1000 раз меньше, чем водорода», — добавила она.
Если говорить в общем, то чем выше атомный номер элемента, тем меньшее его количество можно найти во Вселенной.
Водород в составе Земли
Состав Земли, однако, отличается от того, который имеет Вселенная. Например, кислород является наиболее распространенным элементом по весу в земной коре. За ним следуют кремний, алюминий и железо. В человеческом организме наиболее распространенным элементом по весу является кислород, а затем — углерод и водород.
Роль в человеческом теле
Водород имеет ряд ключевых ролей в человеческом теле. Водородные связи помогают ДНК оставаться скрученным. Кроме того, водород способствует поддержанию правильного рН в желудке и других органах. Если ваш желудок приобретает слишком щелочную среду, выпускается водород, поскольку он связан с регулированием этого процесса. Если же среда в желудке слишком кислая, водород будет связываться с другими элементами.
Водород в составе воды
Кроме того, именно водород позволяет льду плавать на поверхности воды, так как водородные связи увеличивают расстояние между ее замороженными молекулами, что делает их менее плотными.
Как правило, вещество является более плотным, когда оно находится в твердом состоянии, а не жидком, сказала Найман. Вода является единственным веществом, которое становится менее плотным в твердом виде.
В чем опасность водорода
Тем не менее водород также может быть опасным. Его реакция с кислородом привела к катастрофе дирижабля «Гинденбург», который убил 36 человек в 1937 году. Кроме того, водородные бомбы могут быть невероятно разрушительными, хотя их никогда не использовали в качестве оружия. Тем не менее их потенциал продемонстрировали в 1950-х годах такие страны, как США, СССР, Великобритания, Франция и Китай.
Водородные бомбы, как и атомные, используют сочетание ядерного синтеза и реакций деления, что приводит к разрушениям. При взрыве они создают не только механические ударные волны, но и радиацию.
Источник
Водородные облака во Вселенной
Наиболее распространенным веществом в межзвездном пространстве, да и вообще во Вселенной, является водород. Радиоастрономы слышат шум, производимый этим газом во всех частях нашей Галактики. Атом водорода имеет только один электрон. Иногда электрон срывается со своей орбиты, и тогда в пространство посылается радиосигнал.
Каждый отдельный сигнал весьма слаб, по в космическом пространстве так много водорода, что астрономам удается получить общий, суммарный эффект от этого водорода в виде излучения с длиной волны 21 см.
Водородные карты Млечного Пути обнаруживают красивую спиральную форму нашей Галактики с большим количеством водорода, находящегося в ее спиральных рукавах.
Водородные облака вращаются в Галактике точно так же, как планеты обращаются вокруг Солнца. Скорость перемещения водородного облака зависит от того, как далеко находится оно от центра нашей Галактики. Исходя из скоростей водородных облаков мы можем вычислить общий объем и форму Галактики.
Облака молекулярного водорода — древнейшего строительный материал во Вселенной
В рамках исследования ученые использовали данные, полученные спектрометром HIRES, установленном на телескопе обсерватории Кека.
При помощи данного инструмента ученые проанализировали свет, идущий от двух удаленных квазаров на расстоянии 12 миллиардов световых лет от Земли.
В результате астрономам удалось обнаружить, что по дороге к Земле этот свет прошел через два облака водорода, расположенных на расстоянии 11,8 и 11,6 миллиарда световых лет от нашей планеты. По словам ученых, в обнаруженных облаках почти отсутствуют следы элементов тяжелее водорода. Это означает, что облака сформировались на заре развития Вселенной, когда сверхновые еще не успели «засеять» пространство более тяжелыми элементами.
Новые данные позволят пересмотреть современные представления об эволюции Вселенной.
В начале сентября 2011 года в The Astrophysical Journal появилась статья о том, что источником тяжелых элементов в космосе могут служить не только сверхновые. Известно, что данные элементы образуются в результате процесса, который протекает при взрывах звезд.
Оказалось, однако, что этот процесс может происходить и во время столкновения пары нейтронных звезд в двойных системах. По словам ученых, новые результаты позволяют разрешить известное противоречие — согласно существующим компьютерным моделям, одних сверхновых недостаточно, чтобы создать тяжелых элементов столько, сколько наблюдается во Вселенной сейчас.
Астрономические наблюдения водородных облаков
Водородное облако окружило галактику Вертушку
Американские астрономы обнаружили вокруг галактики М51 гигантское облако ионизированного водорода. Из-за своего спирального внешнего вида она носит название «Вертушка». В свое время, именно Вертушка дала ученым ключевые представления о спиралевидных галактиках и их роли в космическом пространстве.
Команда из Университета Кейс Вестерн резерв, впервые провели наблюдение за огромным водородным облаком, которое было вытеснено за пределы галактики, а позже разогрето посредством излучения от центральной сверхмассивной черной дыры.
Осуществить данное исследование стало возможным благодаря 75-летнему телескопу, находящемуся в Аризонских горах.
Специалистам известно о том, что в глубоком космосе происходят подобные процессы, но на столь близком расстоянии от Земли их наблюдать еще не удавалось. Поэтому астрономы используют этот уникальный шанс для изучения функционирования черной дыры, процесса извержения водородного газа из ее недр, а также оценки влияния данного процесса на прилегающие области космоса.
Гигантское водородное облако
Внушительно большое облако нейтрального водорода обнаружено во Вселенной совершенно случайно при решении других астрономических задач в Аресибо американскими астрономами из Корнеллского университета. В поперечнике это облако раз в 10 больше нашей Галактики, а водородная масса в облаке почти в миллиард раз больше массы нашего светила.
Облако располагается по направлению к созвездию Льва на расстоянии 65 млн световых лет от Земли и вращается вокруг центра масс со скоростью 80 км/с.
Как предполагают ученые, из этого гигантского водородного облака возможно рождение новой галактики. Тем самым под сомнение подпадает столь распространенная теория большого взрыва об одновременном рождении всех галактик после колоссального взрыва во Вселенной.
Рой водородных облаков, летящих от центра нашей галактики
Группа астрономов обнаружила то, что кажется великим исходом из более чем 100 водородных облаков, вытекающих из центра Млечного Пути и направляющихся в межгалактическое пространство.
Это наблюдение, сделанное с помощью Зеленого банковского телескопа Национального научного фонда (GBT), может дать астрономам более четкое представление о так называемых Ферми-пузырях, гигантских воздушных шарах перегретого газа, вздымающихся выше и ниже диска нашей галактики.
«Центр Млечного Пути — особое место», — отмечает Джей Локман, астроном в Обсерватории «Зеленый берег» в Западной Вирджинии. «В основе его лежит черная дыра, в несколько миллионов раз более массивная, чем Солнце, и есть районы интенсивного рождения звезд и разрушения взрывной звезды».
Над и под диском Млечного Пути появляются водородные облака. Нейтральный водородный газ, основной компонент этих облаков, ярко светит на радиоволне 21 см. Эти водородные облака были впервые обнаружены командой Австралийского национального университета. Свойства этих облаков позволяют ученым узнать о форме ветхого региона и огромных энергиях, которые задействованы.
Путем моделирования распределения и скоростей облаков астрономы обнаружили, что они заполнят конус, простирающийся выше и ниже Млечного Пути на расстояние не менее 5000 световых лет от центра. Облака имеют среднюю скорость около 330 километров в секунду.
«Дело в том, что мы так и не нашли края этого роя водородных облаков. Где-то над галактическим центром они должны рассеиваться или становиться ионизированными. Но пока неизвестно, где находится эта граница, поэтому нам еще предстоит проделать большую работу», – заключил Эрико ДиТедоро, соавтор исследования из Австралийского национального университета.
Интересный факт
Огромное водородное облако возвращается в нашу Галактику!
По данным на декабрь 2019 года космический телескоп Hubble получил новые данные об огромном водородном облаке, которое несется по направлению к нашей галактике со скоростью более 300 км/ с.
Траектория облака хорошо известна астрономам. Объект получил название Облако Смит. Оно было открыто студенткой Гейл Смит в начале 1960-х гг.
Новые наблюдения, проведенные Hubble, свидетельствуют о том, что облако образовалось во внешних районах галактического диска около 70 млн. лет назад. Сейчас оно бумерангом возвращается в Млечный Путь.
Чем опасно гигантское водородное облако Смит?
Встреча облака с нашей галактикой запустит активный процесс звездообразования. Согласно расчетам астрономов, в облаке достаточно газа для того, чтобы произвести 2 млн. звезд. В настоящий момент облако имеет форму кометы. В длину оно простирается на 11 тыс. световых лет, а его ширина составляет 2,5 тыс. световых лет.
Если бы облако было видимым в небе, оно бы занимало область, размер которой был бы в 30 раз больше диаметра Луны во время полнолуния.
Исследование показало, что в Облаке Смит много серы. В нем ее столько же, сколько во внешнем диске Млечного Пути – регионе, расположенном на расстоянии около 40 тыс. световых лет от центра галактики (на 15 тыс. световых лет дальше, чем наша Солнечная система).
Таким образом, было выявлено, что Облако Смит содержит в большом количестве материал, произведенный звездами. Это указывает на то, что облако было выброшено из Млечного Пути и сейчас оно возвращается бумерангом обратно.
Полученные Hubble данные вызывают новые вопросы:
- что выбросило облако из Млечного Пути;
- каким образом облаку удалось остаться при этом невредимым;
- есть ли связь с прохождения сквозь диск темной материи, вырвавшей газ из Млечного Пути.
Возможно, ответы на эти вопросы удастся получить во время будущих исследований.
Видео
Источник
Водород во вселенной
ВОДОРОД ВО ВСЕЛЕННОЙ
Обычно, чтобы подчеркнуть значение того или иного элемента, говорят если бы его не было, то случилось бы то-то и то-то. Но, как правило, это не более чем риторический прием. А вот водорода может когда-нибудь действительно не стать, потому что он непрерывно сгорает в недрах звезд, превращаясь в инертный гелии. И когда запасы водорода иссякнут, жизнь во Вселенной станет невозможной — и потому, что погаснут солнца, и потому, что не станет воды…
Водород и Вселенная
Когда-то люди обожествляли Солнце. Но теперь оно стало объектом точных исследований, и мы редко задумываемся о том, что само наше существование целиком и полностью зависит от происходящих на нем процессов.
Каждую секунду Солнце излучает в космическое пространство энергию, эквивалентную примерно 4 млн. т массы. Эта энергия рождается в ходе слияния четырех ядер водорода, протонов, в ядро гелия; реакция идет в несколько стадий, а ее суммарный результат записывается вот таким уравнением
4¹H⁺ → ⁴He²⁺ + 2e⁺ + 26,7 Мэв
Много это или мало — 26,7 Мэв на один элементарный акт? Очень много: при «сгорании» 1 г протонов выделяется в 20 млн. раз больше энергии, чем при сгорании 1 г каменного угля. На Земле такую реакцию еще никто не наблюдал: она идет при температуре и давлении, существующих лишь в недрах звезд и еще не освоенных человеком.
Мощность, эквивалентную ежесекундной убыли массы в 4 млн. т, невозможно представить: даже при мощнейшем термоядерном взрыве в энергию превращается всего около 1 кг вещества. Но если отнести всю излучаемую Солнцем энергию к его полной массе, то выяснится невероятное удельная мощность Солнца окажется ничтожно малой-много меньше, чем мощность такого «тепловыделяющего устройства», как сам человек. И расчеты показывают, что Солнце будет светить, не ослабевая, еще по меньшей мере 30 млрд. лет.
Наше Солнце по меньшей мере наполовину состоит из водорода. Всего на Солнце обнаружено 69 химических элементов, но водород — преобладает. Его в 5,1 раза больше, чем гелия, и в 10 тыс. раз (не по весу, а по числу атомов) больше, чем всех металлов, вместе взятых. Этот водород расходуется не только на производство энергии. В ходе термоядерных процессов из него образуются новые химические элементы, а ускоренные протоны выбрасываются в околосолнечное пространство.
Последнее явление, получившее название «солнечного ветра», было открыто сравнительно недавно во время исследования космического пространства с помощью искусственных спутников. Оказалось, что особенно сильные порывы этого «ветра» возникают во время хромосферных вспышек. Достигнув Земли, поток протонов, захваченный ее магнитным полем, вызывает полярные сияния и нарушает радиосвязь, а для космонавтов «солнечный ветер» представляет серьезную опасность. Но только ли этим ограничивается воздействие на Землю потока ядер солнечного водорода? По-видимому, нет. Во-первых, виток протонов рождает вторичное космическое излучение, достигающее поверхности Земли; во-вторых, магнитные бури могут влиять на процессы жизнедеятельности; в-третьих, захваченные магнитным полем Земли ядра водорода не могут не сказываться на ее массообмене с космосом.
Судите сами: сейчас в земной коре из каждых 100 атомов 17 —это атомы водорода. Но свободного водорода на Земле практически не существует: он входит в состав годы минералов, угля, нефти, живых существ… Только вулканические газы иногда содержат немного водорода, который в результате диффузии рассеивается в атмосфере. А так как средняя скорость теплового движения молекул водорода из-за их малой массы очень велика — она близка ко второй космической скорости,— то из слоев атмосферы эти молекулы улетают в космическое пространство.
Но если Земля теряет водород, то почему она не может его получать от того же Солнца? Раз «солнечный ветер» — это ядра водорода, которые захватываются магнитным полем Земли, то почему бы им на ней не остаться? Ведь в атмосфере Земли есть кислород; реагируя с залетевшими ядрами водорода, он свяжет их, и космический водород рано или поздно выпадет на поверхность планеты в виде обыкновенного дождя. Более того, расчет показывает, что масса водорода, содержащегося в воде всех земных океанов, морей, озер и рек, точно равна массе протонов, занесенных «солнечным ветром» за всю историю Земли. Что это — простое совпадение?
…Мы должны сознавать, что наше Солнце, наше водородное Солнце,— это лишь заурядная звезда во Вселенной, что существует неисчислимое множество подобных звезд, удаленных от Земли на сотни, тысячи и миллионы световых лет. И кто знает — может быть именно в диапазоне радиоизлучения межзвездного водорода (запомните— 21 сантиметр!) человечеству впервые удастся связаться с иноземными цивилизациями… Как говорится, поживем — увидим.
Вы читаете, статья на тему Водород во вселенной
Источник