Космическое распределение химических элементов во вселенной

Космическое распределение химических элементов во вселенной

Значения распространенностей наиболее обильных элементов приведены на рисунке и в таблице, в к-рой дополнительно указаны их концентрации по массе, т.е. массы элементов (в г) в 1 г космич. вещества. Для практич. целей кончентрации по массе водорода, гелия и всех остальных более тяжелых элементов, обозначаемые обычно как X, Y и Z, можно принять раными соответственно 0,77, 0,21 и 0,12.

Космическая распространенность наиболее обильных элементов (по А. Камерону, 1982)

Теоретич. истолкование Р.э. — одна из важнейших задач ядерной астрофизики. Преобладание в масштабах Вселенной водорода свидетельствует о том, что он — исходный элемент для ядерных процессов синтеза более тяжелых элементов. Р.э. от C до Ca, ядра к-рых могут быть составлены из целого числа ядер гелия (-частиц), весьма высока. Эти элементы образовались в результате термоядерных реакций (см. Ядерные реакции ) в недрах звезд-гигантов, а также при термоядерных взрывах звезд. Максимум для железа — результат т.н. e-процесса, предшествующего вспышкам сверхновых звезд (см. также Гравитационный коллапс ). Р.э., более тяжелых, чем железо, объясняется процессами захвата атмоными ядрами нейтронов (см. Нейтронный захват ). Эти процессы захвата, протекающие в звездах, могут быть медленными (s-процессы) и быстрыми (r-процессы). Двойные максимумы вблизи магич. чисел служат убедительным доказательством существования в природе двух указанных процессов нейтронного захвата.

Резкое уменьшение Р.э. с ростом атомной массы объясняется ограниченной мощностью источников нейтронов. Ядра дейтерия D (тяжелого водорода H), Li, Be, B, а также обойденные ядра, вероятнее всего, представляют собой продукт как холодных ядерных реакций в неравновесной космич. плазме, так и взаимодействия нейтрино со звездным веществом. Особенно низкая Р.э. Li, Be и B связана с легким разрушением их при термоядерных реакциях. Как с точки зрения наблюдений, так и и с точки зрения теории не вполне ясны вопросы Р.э. гелия и дейтерияю Проблема гелия связана с общей космологией, т.к. согласно модели горячей Вселенной 20-30% первичного водорода (по массе) должно было превратиться в гелий еще в начальной стадии космологич. расширения Вселенной.

Лит.:
Тейлер Р.Дж., Происхождение химических элементов, пер. с англ., М., 1975; Новиков И.Д., эволюция Вселенной, М., 1979; Ядерная астрофизика, пер. с англ., М., 1985.

(Д.А. Франк-Каменецкий, Д.К. Надежин)

Источник

Космическое распределение химических элементов во вселенной

— Зверь и птица, звёзды и камень — все мы одно, все одно. — бормотала Кобра, опустив свой клобук и тоже раскачиваясь. — Змея и ребёнок, камень и звезда — все мы одно.

Памела Треверс. «Мэри Поппинс»

Чтобы установить распространённость химических элементов во Вселенной, нужно определить состав её вещества. А оно сосредоточено не только в крупных объектах — звёздах, планетах и их спутниках, астероидах, кометах. Природа, как известно, не терпит пустоты, поэтому и космическое пространство за полнено межзвёздными газом и пылью. К сожалению, нам для непосредственного изучения доступно лишь земное вещество (и только то, которое «под ногами») да очень небольшое количество лунного грунта и метеориты — обломки некогда существовавших космических тел.

Как же определить химический состав объектов, удалённых от нас на тысячи световых лет? Получать всю необходимую для этого информацию стало возможным после разработки в 1859 г. немецкими учёными Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном метода спектрального анализа. А в 1895 г. профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген случайно обнаружил неизвестное излучение, которое учёный назвал Х-лучами (ныне они известны как рентгеновские). Благодаря этому открытию появилась рентгеновская спектроскопия, которая позволяет непосредственно по спектру определять порядковый номер элемента.

В основе спектрального и рентгеноспектрального анализа лежит способность атомов каждого химического элемента излучать или поглощать энергию в виде волн строго определённой, только ему одному свойственной длины, что и улавливают специальные приборы — спектрометры. Атом испускает волны видимого света при переходах электронов на внешних уровнях, а за рентгеновское излучение отвечают более «глубинные» электронные слои. По интенсивности определённых линий в спектре и узнают содержание элемента в том или ином небесном теле.

К концу XX в. исследованы спектры многих объектов во Вселенной, накоплен огромный статистический материал. Разумеется, данные о химическом составе космических тел и межзвёздного вещества не окончательны и постоянно уточняются, но благодаря уже собранным сведениям удалось устано вить среднее содержание элементов в космосе.

Все тела во Вселенной состоят из атомов одних и тех же химических элементов, но содержание их в разных объектах различно. При этом наблюдаются интересные закономерности. Лидеры по распространённости — водород (его атомов в космосе — 88,6 %) и гелий (11,3 %). На долю остальных элементов приходится всего 1 %! В звёздах и планетах распространены также углерод, азот, кислород, неон, магний, кремний, сера, аргон и железо. Таким образом, лёгкие элементы преобладают. Но есть и исключения. Среди них — «провал» в области лития, бериллия и бора и низкое содержание фтора и скандия, причина которого до сих пор не установлена.

Выявленные закономерности можно представить в виде графика. Внешне он напоминает старую пилу, зубья которой сточились по-разному, а некоторые вообще сломались. Верхушки зубьев соответствуют элементам с чётными порядковыми номерами (т. е. тем, у которых количество протонов в ядрах чётное). Данная закономерность носит название правила Олдо — Харкинса в честь итальянского химика Джузеппе Оддо (1865—1954) и американского физика и химика Уильяма Харкинса (1873— 1951). Согласно этому правилу, распространённость элемента с чётным зарядом больше, чем его соседей с нечётным количеством протонов в ядре. Если же у элемента и количество нейтронов чётное, то он встречается ещё чаше и изотопов образует больше. Во Вселенной существует 165 стабильных изотопов, у которых и число нейтронов, и число протонов чётное; 56 изотопов с чётным числом протонов и нечётным — нейтронов; 53 изотопа, у которых число нейтронов чётное, а протонов — нечётное; и всего 8 изотопов с нечётным количеством и нейтронов, и протонов.

Бросается в глаза и ещё один максимум, приходящийся на железо — один из наиболее распространённых элементов. На графике его зубец возвышается, как Эверест. Это связано с большой энергией связи в ядре железа — самой высокой среди всех химических элементов.

А вот и сломанный зуб у нашей пилы — на графике нет значения распространённости технеция, элемента № 43, вместо него здесь пробел. Казалось бы, что в нём такого особенного? Технеций находится в середине периодической системы, распространённость его соседей подчиняется общим закономерностям. А дело вот в чём: этот элемент просто-напросто давно «закончился», период полураспада его самого долгоживущего изотопа 2,12•10 6 лет. Технеций даже не был открыт в традиционном понимании этого слова: его синтезировали искусственно в 1937 г., и то случайно. Но вот что интересно: в 1960 г. в спектре Солнца была обнаружена линия «несуществующего» элемента № 43! Это блестящее подтверждение того факта, что синтез химических элементов в недрах звёзд продолжается и поныне.

Второй сломанный зуб — отсутствие на графике прометия (№ 61), и объясняется оно теми же причинами. Период полураспада самого устойчивого изотопа этого элемента очень мал, всего 18 лет. И пока нигде в космосе он не дал о себе знать.

Совсем нет на графике и элементов с порядковыми номерами больше 83: все они тоже очень нестабильны, и в космосе их исключительно мало.

Осколок железного метеорита.

Источник

Распространение химических элементов на Земле и в космосе. Образование химических элементов в процессе первичного нуклеосинтеза и в недрах звезд.

Научно-реферативная конкурсная работа победителя регионального конкурса учащихся «Человек и Вселенная»

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 20 г. Краснодара

Распространение химических элементов на Земле и в космосе. Образование химических элементов в процессе первичного нуклеосинтеза и в недрах звезд.

Реферат по физике

10 «Б» класса МБОУ СОШ № 20 г. Краснодара

Скрылева Зинаида Владимировна

1. Химия космоса, что изучает химия космоса.
2. Некоторые термины.
3. Химический состав планет Солнечной системы и Луны.
4. Химический состав комет, метеоритов.
5. Первичный нуклеосинтез.
6. Другие химические процессы во вселенной.
7. Звезды.
8. Межзвездная среда
9. Распространенность химических элементов в космосе
10. Список использованных ресурсов

Химия космоса. Что изучает химия космоса?

Предметом изучения химии космоса является химический состав космических тел (планет, звезд, комет и т.д), межзвездного пространства, а также химические процессы, которые происходят в космосе.

Химия космоса занимается преимущественно процессами, протекающими при атомно-молекулярном взаимодействии веществ, а нуклеосинтезом внутри звезд занимается физика.

Для простоты восприятия следующего материала необходим словарь терминов.

Звезды – светящиеся газовые массивные шары, в недрах которых протекают реакции синтеза химических элементов.

Планета – небесные тела, которые вращаются по орбитам вокруг звезд или их остатков.

Кометы – космические тела, которые состоят из замороженных газов, пыли.

Метеориты – малые космические тела, попадающие на Землю из межпланетного пространства.

Метеоры – явления в виде светящегося следа, которое обусловлено попаданием в атмосферу Земли метеорного тела.

Межзвездная среда – разряженное вещество, электромагнитное излучение и магнитное поле, заполняющие пространство между звездами.

Основные компоненты межзвездного вещества: газ, пыль, космические лучи.

Нуклеосинтез – процесс образования ядер химических элементов (тяжелее водорода) в ходе реакций ядерного синтеза.

Химический состав планет Солнечной системы и Луны

Планеты Солнечной системы – это небесные тела, вращающиеся вокруг звезды под названием Солнце.

Солнечная система состоит из 8 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

Рассмотрим каждую планету в отдельности.

Самая близкая планета к Солнцу в Солнечной системе, самая маленькая планета. Диаметр Меркурия составляет примерно 4870 км.

Ядро планеты – железное, ферромагнитное. Содержание железа = 58%

Атмосфера по одним данным состоит большей частью из азота (N 2 ) с примесью углекислого газа (CO 2 ), по другим – из гелия (He), неона (Ne) и аргона (Ar).

Вторая планета Солнечной системы. Диаметр ≈ 6000 км.

Ядро железное, мантия содержит силикаты, карбонаты.

Атмосфера состоит на 97% из углекислого газа (CO 2 ), остальное приходится на азот (N 2 ), воду (H 2 O) и кислород (O 2 ).

Третья планета Солнечной системы, единственная планета Солнечной системы с наиболее благоприятными условиями для жизни. Диаметр примерно 12500 км.

Ядро железное. Земная кора содержит кислород O 2 (49%), кремний Si (26%), алюминий Al (4,5%), а также другие химические элементы. Атмосфера на 78% состоит из азота (N 2 ), на 21% из кислорода (O 2 ) и на 0,03% из углекислого газа (CO 2 ), остальное приходится на инертные газы, пары воды и примеси. Гидросфера состоит в большей степени из кислорода O 2 (85,82%), водорода H 2 (10,75%) и других элементов. В состав всех живых существ обязательно входит углерод (C).

Марс – четвертая планета Солнечной системы. Диаметр примерно 7000 км

Ядро железное. В коре планеты содержатся оксиды железа и силикаты.

Юпитер – пятая планета от Солнца. Самая крупная планета солнечной системы. Диаметр более 140000 км.

Ядро – сжатые водород (H 2 ) и гелий (He). В атмосфере содержатся водород (H 2 ), метан (CH 4 ), гелий (He), аммиак (NH 3 ).

Сатурн – шестая планета от Солнца. Имеет диаметр около 120000 км.

Данных о ядре и земной коре нет. Атмосфера состоит из тех же газов, что и атмосфера Юпитера.

Уран и Нептун – седьмая и восьмая планеты соответственно. Обе планеты имеют примерный диаметр 50000 км.

Данных о ядре и коре нет. Атмосфера образована метаном (CH 4 ), гелием (He), водородом (H 2 ).

Луна – спутник Земли, ее сырьевая база. Лунный грунт называют реголитом, в ее состав входят оксид кремния (IV), оксид алюминия и оксиды других металлов, много урана, нет воды.

Химический состав комет, метеоритов

Метеориты бывают железными, железно-каменными и каменными. Чаще всего на Землю падают именно каменные метеориты. В среднем по подсчетам на каждый железный метеорит приходится 16 каменных.

Химический состав железных метеоритов: 90% железа (Fe), 8,5% никеля (Ni), 0,6% кобальта (Co) и 0,01% кремния (Si).

Каменные метеориты в основном состоят из кислорода (0 2 ) (41%) и кремния (Si) (21%).

Кометы представляют собой твердые тела, которые окружены газовой оболочкой. Ядро состоит из замороженных метана (CH 4 ) и аммиака (NH 3 ) с минеральными примесями. В газовых кометах было обнаружено множество радикалов и ионов. Наиболее современные наблюдения проводились за кометой Хейла-Боппа, в ее состав входили сероводород, вода, тяжелая вода, сернистый газ, формальдегид, метанол, муравьиная кислота, циановодород, метан, ацетилен, этан, фостерит и другие соединения.

Для рассмотрения первичного нуклеосинтеза обратимся к таблице.

Состояние и состав вещества

нейтроны, протоны, электроны, позитроны в тепловом равновесии. Число n и p одинаково.

Частицы те же, но отношение числа протонов к числу нейтронов 3:5

электроны и позитроны аннигилируют, p:n =3:1

Начинают образовываться ядра дейтерия D и гелия 4 Не, исчезают электроны и позитроны, есть свободные протоны и нейтроны.

Устанавливается количество D и Не по отношению к числу p и n

4 Не:Н + ≈24-25% по массе

Химической энергии достаточно для образования устойчивых нейтральных атомов. Вселенная прозрачна для излучения. Вещество доминирует над излучением.

Сущность первичного нуклеосинтеза сводится к образованию из нуклонов ядер дейтерия, из ядер дейтерия и нуклонов – ядер гелия с массовым числом 3и трития, а из ядер 3 Не, 3 Н и нуклонов – ядер 4 Не.

Другие химические процессы во Вселенной

При высоких температурах (в околозвездных пространствах температура может достигать порядка нескольких тысяч градусов) все химические вещества начинают распадаться на составляющие – радикалы (СН 3 С 2 , СН и т.д.) и атомы (Н, О и т.д.)

Звезды различаются по массе, размерам, температуре, светимости.

Наружные слои звезд состоят в основном из водорода, а также из гелия, кислорода и других элементов (С, Р, N, Ar, F, Mg и т.д)

Звезды субкарлики состоят из более тяжелых элементов: кобальт, скандий, титан, марганец, никель и т.д.

В атмосфере звезд гигантов могут встречаться не только атомы химических элементов, но и молекулы тугоплавких оксидов (например, титана и циркония), а также некоторые радикалы: CN, CO, C 2

Химический состав звезд изучают спектроскопическим методом. Таким образом, на Солнце были найдены железо, водород, кальций и натрий. Гелий был впервые найден именно на Солнце, а позднее уже обнаружен в атмосфере планеты Земля. В настоящее время в спектрах Солнца и других небесных тел найдено 72 элемента, все эти элементы обнаружены и на Земле.

Источником энергии звезд являются термоядерные реакции синтеза.

На первом этапе жизни звезды в ее недрах происходит превращение водорода в гелий

Затем гелий превращается в углерод и кислород

На следующем этапе топливом являются углерод и кислород, в альфа процессах образуются элементы неона до железа. Дальнейшие реакции захвата заряженных частиц являются эндотермическими, поэтому нуклеосинтез останавливается. Из-за остановки термоядерных реакций нарушается равновесие железного ядра, начинается гравитационное сжатие, часть энергии которого расходуется на распад ядра железа на α-частицы и нейтроны. Этот процесс называется гравитационным коллапсом и протекает около 1 с. В результате резкого повышения температуры в оболочке звезды происходят термоядерные реакции горения водорода, гелия, углерода и кислорода. Выделяется огромное количество энергии, что приводит к взрыву и разлету вещества звезды. Это явление называется сверхновой. При взрыве сверхновой выделяется энергия, которая придает частицам большое ускорение, потоки нейтронов бомбардируют ядра элементов, которые образовались ранее. В процессе нейтронных захватов с последующим β-излучением происходит синтез ядер элементов тяжелее железа. До этой стадии доходят только наиболее массивные звезды.

Во время коллапса идет образование нейтронов из протонов и электронов по схеме:

+1 1 р + -1 0 е → 1 0 n + v

Образуется нейтронная звезда.

Ядро сверхновой может превратиться в пульсар – ядро, которое вращается с периодом в доли секунды и излучает электромагнитное излучение. Ее магнитное поле достигает колоссальных размеров.

Также возможно, что большая часть оболочки преодолевает силу взрыва и падает на ядро. Получая дополнительную массу, нейтронная звезда начинает сжиматься до образования «черной дыры».

Межзвездная среда состоит из газа, пыли, магнитных полей и космических лучей. Поглощение излучения звезд происходит за счет газа и пыли. Пыль межзвездной среды имеет температуру 100-10 К, температура межзвездного газа может колебаться в пределах от 10 до 10 7 К и зависит от плотности и источников нагрева. Межзвездный газ может быть как нейтральным, так и ионизированным (Н 2 0 , Н 0 , Н + , е — , Не 0 ).

Первое химическое соединение в космосе было обнаружено в 1937 году с помощью спектроскопии. Этим соединением был радикал СН, через несколько лет был найден циан CN, а в 1963 году обнаружили гидроксил ОН.

С применением в спектроскопии радиоволн и инфракрасного излучения стало возможным изучение «холодных» участков космического пространства. Сначала были обнаружены неорганические вещества: вода, аммиак, угарный газ, сероводород, а потом органические: формальдегид, муравьиная кислота, уксусная кислота, уксусный альдегид и муравьиный спирт. В 1974 году в космосе нашли этиловый спирт. Потом японскими учеными был обнаружен метиламин CH 3 -NH 2 .

В межзвездном пространстве движутся потоки атомных ядер – космические лучи. Около 92% из этих ядер составляют ядра водорода, 6% — гелия, 1% — ядра более тяжелых элементов. Считается, что космические лучи образуются вследствие взрыва сверхновых.

Пространство между космическими телами заполнено межзвездным газом. Он состоит из атомов, ионов и радикалов, а также в ее состав входит пыль. Доказано существование таких частиц как: CN, CH, OH, CS, H 2 O, CO, COS, SiO, HCN, HCOOH, CH 3 OH и другие.

Столкновение частиц космического излучения, солнечного ветра и межзвездного газа приводит к образованию разнообразных частиц, в том числе и органических.

При столкновении протонов с атомами углерода образуются углеводороды. Из силикатов, карбонатов и различных оксидов образуется гидроксил OH.

Под действием космических лучей в атмосфере Земли образуются такие изотопы, как: углерод с массовым числом 14 14 С, бериллий, массовое число которого равно 10 10 Ве, и хлор с массовым числом 36 36 Cl.

Изотоп углерода с массовым числом 14 накапливается в растениях, кораллах, сталактитах. Изотоп бериллия с массовым числом 10 – в донных отложениях морей и океанов, полярном льду.

Взаимодействие космического излучения с ядрами земных атомов дает информацию о процессах, протекающих в космосе. Этими вопросами занимается современная наука – экспериментальная палеоастрофизика.

К примеру, протоны космических лучей, сталкиваясь с молекулами азота в воздухе, разбивают молекулу на атомы, и протекает ядерная реакция:

7 14 N + 1 1 H→2 2 4 He + 4 7 Be

В результате этой реакции образуется радиоактивный изотоп бериллия.

Протон в момент столкновения с атомами атмосферы выбивает из этих атомов нейтроны, эти нейтроны взаимодействуют с атомами азота, что приводит к образованию изотопа водорода с массовым числом 3 – трития:

7 14 N + 0 1 n→ 1 3 H + 6 12 C

Тритий, подвергаясь β-распаду, выбрасывает электрон:

1 3 H→ -1 0 e + 2 3 He

Так образуется легкий изотоп гелия.

Радиоактивный изотоп углерода образуется в ходе захвата атомами азота электронов:

7 14 N + -1 0 e → 6 14 C

Распространенность химических элементов в космосе

Рассмотрим распространенность химических элементов в галактике Млечный путь. Данные о наличии тех или иных элементов были получены путем спектроскопии. Для наглядного представления используем таблицу.

Источник