Распределение атомов во вселенной
В рассмотренной выше классификации одним из наиболее интересных участков М-оси является тот, где расположены атомы. Он имеет две наиболее характерные точки на М-оси: средний размер атома и его ядра. Согласно уточненным расчетам, наиболее характерными для этих систем размерами являются размеры 1,6 · 10 -8 см и 1,6 · 10 -13 см соответственно.
Атомы (КЛАСС №5). Атомные радиусы определяются по тесноте сближения атомов в структуре молекул и кристаллов. Полученный таким способом радиус (r) приблизительно соответствует радиусу максимума радиальной плотности в распределении заряда нейтральных атомов. Кроме того, величина 2r, или диаметр атома, приблизительно равен газокинетическому диаметру движения одноатомных молекул.
Если воспользоваться значениями r для различных атомов, приведенными в справочнике К.У. Аллена 145 , то можно построить гистограмму распределения химических элементов по ТЭМ в зависимости от атомного диаметра (см. рис. 1.49).
| Рис. 1.49. Гистограмма распределения элементов Таблицы элементов Менделеева (ТЭМ) в зависимости от диаметра элементов. На гистограмме видно, что все разнообразие атомного состава Вселенной связано с двумя основными размерами (модами) — 1,4 и 2,8 ангстрема. Если построить аналогичную гистограмму, с учетом количества атомов каждого элемента во Вселенной, то водород придаст первой моде вес более 90%, а гелий – второй моде – около 7%. Остальные элементы будут по сути создавать незначительный фон, которым можно пренебречь. Это свидетельствует о том, что две моды, выделенные нами, являются чрезвычайно представительными с любых точек зрения |
Эти два особых размера, или моды, имеют следующие координаты на М-оси:
первая мода — 1,2…1,6 · 10 -8 см
и вторая мода — 2,4…3,6 · 10 -8 см.
К первой моде относятся такие элементы, как:
- водород — 1,4
- углерод — 1,5
- азот — 1,4
- кислород — 1,2
- фтор — 1,2
Ко второй моде — около 60 остальных наиболее распространенных в природе элементов.
Причем гелий — второй номер, идущий сразу же за водородом по таблице элементов Менделеева и по распространенности во Вселенной, имеет диаметр, относящийся не к первой моде, что, казалось бы, было очень логично, а ко второй — 2,44 · 10 -8 см.
Тенденция к увеличению роста диаметра атома по мере увеличения его ядра и числа электронов на орбите проста и понятна. Однако при более детальном рассмотрении обнаруживается весьма противоречивая картина: эта тенденция имеет «возвратно-поступательный» характер. Для иллюстрации мы построили простейшую диаграмму (см. рис. 1.50) зависимости диаметра атома от номера группы в периодической системе элементов Д.И. Менделеева .
На диаграмме видно, что ряды выстраиваются примерно «параллельно» друг другу. Чтобы на диаграмме не образовалась «каша» из точек, для элементов нижних рядов ТЭМ больших периодов выделено отдельное место, а номера групп для нижних рядов помечены индексом «н». В результате получена развернутая в плоскости диаграмма распределения атомов вдоль М-оси.
Выбор в качестве второй координаты столь формального критерия, как номер группы, обусловлен стремлением сделать акцент на распределении атомов по размерам. Можно было бы построить и более физически наполненные диаграммы, взяв в качестве второго параметра, например, потенциал ионизации или плотность распределения электронов в объеме атома, но суть от этого изменится мало.
Анализ диаграммы показывает, что размер атомов растет по мере увеличения массы атомов.
Это вполне логичное явление имеет, однако, на первый взгляд, весьма странное внутреннее проявление: рост размеров происходит не постепенно, а скачками. Скачки эти носят, казалось бы, нелогичный характер: все элементы, с которых начинаются периоды, в своих периодах являются самыми большими атомами, хотя имеют наименьшее число протонов и электронов
Анализируя эту диаграмму, мы видим, что по мере продвижения вдоль порядкового номера элементов проявляется одна и та же схема: резкий скачок размера атома I группы в начале каждого периода и последующее замедляющееся уменьшение размеров атома по мере приближения к концу периода.
Если не брать во внимание инертные газы, то создается впечатление, что достраивание оболочек до максимальной полноты, начиная с III периода и далее, возможно только в пределах очень узкого диапазона размеров: 2-3,6 ангстрема.
Более того, если внимательно рассмотреть построенную диаграмму, то создается впечатление, что на ней явно присутствуют два «центра притяжения» всех «траекторий», две области повышенной устойчивости на М-оси: первая — в области размеров 1,2 — 1,6 ангстрема (I и II периоды), вторая — в области размеров 2,4 — 3,6 ангстрема. Они выделены на диаграмме пятнами.
Образно говоря, элементы каждой новой группы, образовавшиеся вдалеке от этих областей, по мере роста своей массы стремительно притягиваются этими областями, а «траектории» каждого периода «изгибаются» под действием притяжения этих двух областей.
Этот уникальный факт можно интерпретировать следующим образом.
Устойчивость конфигурации электронных орбит атомов повышается при заполнении ими устойчивых ячеек пространства с двумя основными характерными (устойчивыми) размерами — (1,2 — 1,6) и (2,4 — 3,6) ангстрема.
Следует отметить, что все «траектории» на диаграмме ведут себя очень похоже. Последовательности, на которых «сидят» атомы, сдвигаются в сторону больших размеров, а их нижние части, заселенные предельными атомами, оказываются при этом в очень узкой размерной зоне, как будто эта область М-оси втягивает их в себя.
Выявленная выше бимодальность приводит к необходимости некоторого уточнения построенной нами ранее модели ВУ. Ведь если первая мода (
1,6 · 10 -8 см) рассчитывается этой моделью, то значимая вторая мода (
3 · 10 -8 см) заранее моделью не предсказывается. Если же учитывать роль атомов, как важнейших элементов структуры Вселенной, то этим достоверным фактом пренебрегать не следует.
Итак, еще раз зафиксируем полученные результаты.
Табл. 1.2. Распространенность групп элементов во Вселенной 146 . Для водорода принято значение 100
|
Во-первых, устойчивый размер 1,6·10 -8 см, который дает модель ВУ, представлен не только водородом, но и еще четырьмя наиболее распространенными элементами во Вселенной (исключая гелий), массовая доля которых (см. табл. 1.2) более чем в 3 раза превышает долю всех остальных элементов.
Во-вторых, рядом с этим наиболее «весомым» размером мы обнаруживаем еще один выделенный размер, который почти в 2 раза больше первого, примерно 3,0 · 10 -8 см. Этот размер характеризует большинство остальных элементов Вселенной, как по их численности (60 элементов ТЭМ), так и по массе.
Таким образом, лишь где-то около 30 остальных элементов имеют размеры, не принадлежащие двум основным устойчивым размерам, но эти 30 элементов по их количеству во Вселенной составляют не более 0,01% (см. табл. 1.2). В принципе на первом этапе их можно вообще не рассматривать ввиду их крайне незначительной доли.
Следовательно, если рассматривать гребень ВУ в области атомных размеров, мы должны ориентироваться в основном на два размера (с учетом небольшой дисперсии). Один размер нам известен, мы рассчитали его, используя коэффициент масштабной симметрии — 10 5 . Другой — неожиданный для нашей модели размер, существование его наша модель в своем первоначальном виде не предсказывала.
Кстати, может возникнуть вопрос, почему мы уделяем столь много внимания узкому диапазону размеров, который занимает на М-оси меньше одного порядка? Ведь во Вселенной существуют и молекулы, и частицы, размеры которых близки к двум вычисленным размерам.
Ответ прост. Весовая доля молекул и пыли во Вселенной по отношению к свободным атомам исчезающе мала, так же мала весовая доля планет и комет. Если мы мысленно начнем перемещаться по М-оси вправо от двух выделенных нами размеров, то практически вплоть до размеров звезд, что на 20 порядков правее по М-оси, мы не сможем найти объекты во Вселенной, массовая доля которых дала бы нам хоть какое-то возвышение на диаграмме на фоне массовой доли атомов.
Если же мы сдвинемся с атомного гребня влево, то через пять порядков окажемся в масштабной зоне ядер атомов (КЛАСС №4). В них содержится более 99,9% атомной массы. Для них тоже важно исследовать характерные точки на М-оси.
Источник
Сколько атомов во Вселенной?
Вселенная > Сколько атомов во Вселенной?
Наверняка, каждый знает, что Вселенная представляет собою масштабное место. По общим оценкам, перед нами открывается лишь 93 миллиарда световых лет («Видимая Вселенная»). Это огромное число, особенно если не забывать, что это лишь та часть, которая доступна нашим приборам. И, учитывая подобные объемы, не будет странным предположить, что и количество вещества должно быть также значительным.
Интересно начать изучение вопроса с крошечных масштабов. Ведь наша Вселенная вмещает 120-300 секстиллионов звезд (1.2 или 3 х 10 23 ). Если же мы увеличим все до уровней атомов, то эти цифры покажутся просто немыслимыми. Сколько же атомов во Вселенной?
По подсчетам выходит, что Вселенную наполняют 10 78 -10 82 атомов. Но даже эти показатели не отображают того, сколько именно вещества она содержит. Выше упоминалось, что мы можем постичь 46 миллиардов световых лет в любую сторону, а это значит, что нам не увидеть всей картинки. К тому же, Вселенная постоянно расширяется, что отдаляет от нас объекты.
История Вселенной началась с Большого Взрыва
Не так давно, немецкий суперкомпьютер выдал результат о существовании 500 миллиардов галактик в зоне видимости. Если обратиться к консервативным источникам, то получим 300 миллиардов. В одной галактике может вместиться 400 миллиардов звезд, поэтому общее количество во Вселенной способно достигать 1.2 х 10 23 – 100 секстиллионов.
Средний вес звезды – 10 35 грамм. Общая масса – 10 58 грамм. Вычисления показывают, что в каждом грамме содержится 10 24 протонов или столько же атомов водорода (в одном водороде – один протон). В сумме получаем 10 82 водорода.
За основу берем видимую Вселенную, в пределах которой это количество должно распределиться равномерно (на 300 миллионов световых лет). Но в меньших масштабах материя будет создавать скопления светящейся материи, о которой мы все знаем.
Если обобщить, то большая часть атомов Вселенной сосредоточена в звездах, создающих галактики, те объединяются в скопления, которые в свою очередь формируют сверхскопления и завершают все это образованием Великой Стены. Это при увеличении. Если пойти в обратную сторону и взять меньшие масштабы, то скопления наполнены облаками с пылью, газом и прочей материей.
Временная шкала Вселенной за 13.7 миллиардов лет и расширение
Вещество имеет тенденцию распространяться изотропно. То есть, все небесные участки одинаковые и в каждом содержится одно и то же количество. Пространство насыщено волною мощного изотропного излучения, приравниваемого к 2.725 К (чуть выше абсолютного нуля).
Об однородной Вселенной гласит космологический принцип. Основываясь на нем, можно утверждать, что законы физики будут одинаково действенными в любой точке Вселенной и не должны нарушаться в крупных масштабах. Эта идея подпитывается и от наблюдений, демонстрирующий эволюцию вселенской структуры после Большого Взрыва.
Исследователи пришли к согласию, что большая часть материи образовалась в момент Большого Взрыва, и расширение не прибавляет нового вещества. Механизмы последних 13.7 миллиардов лет – это расширение и рассеивание основных масс.
Но теория усложняется эквивалентностью массы и энергии Эйнштейна, формирующейся из общей теории относительности (прибавление массы постепенно увеличивает количество энергии).
Заметно, что плотность атомов больше слева (старт эксперимента), чем в 80 миллисекундном отрезке после «воссозданного» Большого Взрыва.
Однако, плотность Вселенной остается стабильной. Современная достигает 9.9 х 10 30 грамм на см 3 . Здесь сосредоточено 68.3% темной энергии, 26.8% темной материи и 4.9% светящегося вещества. Получается, что плотность – один атом водорода на 4 м 3 .
Ученые все еще не могут расшифровать свойства темной энергии и материи, так что нельзя сказать точно: распределены ли они равномерно или же образуют плотные сгустки. Но полагают, что темная материи замедляет расширение, а вот темная энергия работает на ускорение.
Все указанные числа, касательно количества атомов во Вселенной, – приблизительная оценка. Не стоит забывать главную мысль: мы говорим о вычислениях видимой Вселенной.
Источник
Сколько атомов во Вселенной?
Не секрет, что вселенная — чрезвычайно обширное место. То, что мы можем наблюдать (известное как «известная вселенная»), оценивается примерно в 93 миллиарда световых лет. Это довольно внушительное число, особенно если учесть, что это только то, что мы наблюдали до сих пор. И учитывая огромный объем этого пространства, можно было бы ожидать, что количество вещества, содержащегося в нем, будет столь же впечатляющим.
Но что интересно, именно когда вы смотрите на этот вопрос в самых маленьких масштабах, цифры становятся самыми ошеломляющими. Например, считается, что в нашей наблюдаемой вселенной существует от 120 до 300 секстиллионов (то есть от 1,2 x 10 2 до 3,0 x 10 2) звезд. Но при ближайшем рассмотрении в атомном масштабе цифры становятся еще более немыслимыми.
На этом уровне считается, что в известной наблюдаемой вселенной существует от 10 78 до 10 82 атомов. С точки зрения непрофессионала, это получается между десятью квадриллионными атомами вининтиллиона.
И тем не менее, эти цифры не совсем точно отражают, сколько материи действительно может вместить вселенная. Как уже говорилось, эта оценка учитывает только наблюдаемую вселенную, которая достигает 46 миллиардов световых лет в любом направлении, и основана на том, где расширение пространства охватило самые отдаленные наблюдаемые объекты.
История Вселенной начинается с Большого взрыва.
Немецкий суперкомпьютер провел симуляцию и оценил, что в пределах диапазона наблюдения существует около 500 миллиардов галактик, более консервативная оценка оценивает их в 300 миллиардов. Поскольку число звезд в галактике может доходить до 400 миллиардов, то общее число звезд вполне может быть около 1,2 × 10 23 — или чуть более 100 секстиллионов.
В среднем каждая звезда может весить около 10 35 грамм. Таким образом, общая масса будет около 10 58 граммов (это 1,0 x 10 52 метрических тонн). Поскольку известно, что на каждый грамм вещества приходится около 10 24 протонов или примерно одинаковое количество атомов водорода (поскольку один атом водорода имеет только один протон), то общее число атомов водорода будет примерно 10 86 — иначе. сто тысяч квадриллионов вигинтиллионов.
В пределах этой наблюдаемой вселенной это вещество равномерно распространяется по всему пространству, по крайней мере, при усреднении по расстояниям, превышающим 300 миллионов световых лет. В меньших масштабах, однако, наблюдается образование материи в пучки иерархически организованной светящейся материи, с которой мы все знакомы.
Короче говоря, большинство атомов сконденсировано в звезды, большинство звезд сконденсировано в галактики, большинство галактик — в скопления, большинство скоплений — в сверхскопления и, наконец, в структуры самого большого масштаба, такие как Великая стена галактик (или Великая стена Слоана ), В меньшем масштабе эти скопления пронизаны облаками пылевых частиц, газовыми облаками, астероидами и другими небольшими скоплениями звездного вещества.
Представление временной шкалы Вселенной за 13,7 миллиардов лет и последующего расширения Вселенной. Предоставлено: НАСА / Научная команда WMAP.
Наблюдаемое вещество Вселенной также распространяется изотропно; Это означает, что ни одно направление наблюдения не отличается от любого другого, и каждая область неба имеет примерно одинаковое содержание. Вселенная также омывается волной высокоизотропного микроволнового излучения, которое соответствует тепловому равновесию примерно 2,725 Кельвина (чуть выше абсолютного нуля).
Гипотеза о том, что крупномасштабная вселенная однородна и изотропна, известна как космологический принцип. Это говорит о том, что физические законы действуют равномерно по всей вселенной и, следовательно, не должны приводить к заметным нарушениям в крупномасштабной структуре. Эта теория была подкреплена астрономическими наблюдениями, которые помогли наметить эволюцию структуры вселенной, так как она была первоначально заложена Большим взрывом.
Текущий консенсус среди ученых состоит в том, что подавляющее большинство материи было создано в этом событии, и что расширение Вселенной с тех пор не добавило новую материю в уравнение. Скорее, считается, что то, что происходило в течение последних 13,7 миллиардов лет, было просто расширением или рассеянием первоначально созданных масс. То есть, во время этого расширения не было добавлено никакого количества вещества, которого не было в начале.
Однако эквивалентность массы и энергии Эйнштейном представляет небольшое усложнение этой теории. Это является следствием специальной теории относительности , в которой добавление энергии к объекту увеличивает его массу постепенно. Между всеми слиянием и делением атомы регулярно превращаются из частиц в энергии и обратно.
Плотность атомов больше слева (начало эксперимента), чем 80 миллисекунд после симулированного Большого взрыва. Предоставлено: Чен-Лунг Хунг.
Тем не менее в больших масштабах общая плотность вещества во Вселенной остается неизменной во времени. Присутствует плотность наблюдаемой Вселенной оценивается как очень низкая — примерно 9,9 × 10- 30 грамм на кубический сантиметр. Эта массовая энергия состоит из 68,3% темной энергии, 26,8% темной материи и только 4,9% обычной (светящейся) материи. Таким образом, плотность атомов составляет порядка одного атома водорода на каждые четыре кубических метра объема.
Свойства темной энергии и темной материи в значительной степени неизвестны и могут быть равномерно распределены или организованы в сгустки, подобные нормальной материи. Тем не менее считается, что темная материя тяготеет, как обычная материя, и, таким образом, работает, чтобы замедлить расширение Вселенной. Напротив, темная энергия ускоряет свое расширение.
Еще раз, это число — приблизительная оценка. Когда используется для оценки общей массы Вселенной, она часто не соответствует тому, что предсказывают другие оценки. И, в конце концов, мы видим лишь меньшую часть целого.
Источник