Распространенность химических элементов в природе. Закономерности
Все доступное для исследования вещество состоит из одних и тех же химических элементов; их количественные соотношения (распространенность), в пределах порядка величины, практически одинаковы (Вернадский, 1926). “Abandance” среднее содержание хим элемента в том или ином обьекте. -в солнечной системе, оболочках Земли, горной породе?Обьекты неоднородны, следовательно это статистическая задачараспределение случ. величин описывается Гауссовым распределением (параметры:среднее арифм, дисперсия). • распределение нормальное или асимметричное и тогда среднее значение рассчитывается по другому. • Распространенность – всегда среднее арифметическое независимо от закона распределения. •Для хар-ки распространенности используют вес доли %, но атомный вес меняется, следовательно, весоваядоля не отражает соотношения элементов – необходимо ввести понятие ат% (отражает доли атомов)иногда используют число ат/10*6Si. М.б. использованы число атомов в ед. обьема. -вес доли %, - ат%, - ат/10*6Si. - число атомов в ед. обьема в любом случае Распространенность отражает соотношения хим элементов, образованных во время нуклеосинтеза.
1.Космическая распространенность элементов –закономерности:1. Чем тяжелее элемент, тем его меньше (распространенность уменьшается с ростом заряда ядра). 2. Распространенность четных элементов всегда больше нечетных соседей (правило Оддо-Гаркинса, не имеет исключений. 3. На фоне этих колебаний атомы, ядра которых кратны 4-м, характеризуются дополнительной устойчивостью (правило 4q- Ферсман). 4. Есть максимум по Fe. 5. Li, Be, B имеют ничтожную распространенность (Гольдшмит-разрушаются от потока элементарных частиц. 2.Космическая распространенность элементов –эмпирические закономерности:1 Чем тяжелее элемент, тем его меньше (распространенность уменьшается с ростом заряда ядра). 2. Распространенность четных элементов всегда больше нечетных соседей (правило Оддо-Гаркинса, не имеет исключений. 3. На фоне этих колебаний атомы, ядра которых кратны 4-м, характеризуются дополнительной устойчивостью (правило 4q- Ферсман). 4. Есть максимум по Fe (элементов группы Fe (Cr, Mn, Fe, Co, Ni), а также менее выраженные в области Xe-Ba, Pt и Pb); 5.зависимость распространенности элементов от заряда ядра имеет две ветви - крутую для легких элементов (до Cu, Zn) и значительно более пологую для более тяжелых; 6. Li, Be, B имеют ничтожную распространенность (Гольдшмит-разрушаются от потока элементарных частиц. Эти закономерности имеют физический смысл – есть корреляция между распространенностью и стабильностью ядер. Распространенность предопределена устойчивостью в ядерных реакциях. Распространенность элементов в метеоритах:Основное положение, разработанное еще Гольдшмитом по хондритам,Тождество распространенности элементов в хондритах и в Солнечной системе. Распространенность элементов в метеоритах:Обоснованно считается, что хондриты являются недифференцированным первичным веществом. Но есть и отличия от Солнечной системы:1.В метеоритах очень мало распространены Н и инертные газы. 2. Обеднены Pb, Ge, Cd, Bi, Hg, но не так сильно как инертными газами. Т.е Хондриты являются лишь твердой фракцией первичного вещества (без летучего вещества)
Нуклеосинтез. Образование химических элементов в природе
Химические элементы образуются в ходе ядерных процессов (процессов нуклеосинтеза), протекающих на разных стадиях эволюции Вселенной.•Ядра элементов образуются в недрах звезд в равновесных условиях. Не +р———Li+yреакция обратимая,теоретически можно рассчитано кол-во элементов которые могут образоваться таким образом.Эта зависимость обратная. Т.е. теория хорошо обьясняет распространенность легких ядер, но бесполезна для тяжелых, следовательно недостаточно равновесных процессовобразования тяжелых ядер обьясняется неравновесные процессами (захват элементарных частиц и легких ядер). Рождение химических элементов. С историей развития этих звезд связано рождение всех других химических элементов путем последовательной смены следующих ядерных процессов: 1) сгорание водорода с образованием гелия («протон-протонный» цикл) (из каждых 5*106 протонов образуется одно ядро гелия). 2) сгорание гелия с образованием изотопов с массовым числом, кратным четырем: l2C, 16O, 20Nе, 24Mg; («слияние ядер гелия»). 3) процессы с а-частицами (ядра гелия, выбитые из ранее созданных изотопов мощным излучением, связанным с ростом температуры звездных недр) и ядрами 16О и 20Nе, приводящие к образованию четных изотопов: 24Mg, 28Si, 32S, 36Cl, 40Са; 4) равновесный процесс захвата p,n, протекающий при высоких температурах4*109 К. Он обеспечил наличие «железного максимума» (54Мn, 56Fе, 56Со, 58Ni) на кривой космической распространенности элементов;5) s-npouecc, при котором происходил захват существующими элементами медленных нейтронов с образованием все более тяжелых элементов до Bi209 включительно. 6) г-процесс — процесс быстрого нейтронного захвата, при котором происходит образование также тяжелых и сверхтяжелых элементов в трансвисмутовой области (Z>83). 7) р- процесс протонного захвата, при котором образовались богатые протонами нуклиды; 8) х-процесс, но существу неизвестный, определивший образование легких малораспространенных элементов.Т.е., в звездах происходит термоядерный синтез, в основном превращение Н в Не, но при этом образуются и тяжелые элементы вплоть до трансурановых.Док-во – тяжелые ядра 254Cf – был обнаружен в продуктах взрыва водородных бомб. Следствие - современная радиоактивность Земли, и тем более радиоактивность ранней Земли является закономерным следствием ядерной эволюции вещества в звездных космических условиях. В планетах, метеоритах идет не синтез, а распад (синтез только локально на поверхности тел – космогенные изотопы. Вещество звезд второго и более поздних поколений, рассеянной материи (газо-пылевых туманностей), планетных систем является, с точки зрения происхождения химических элементов, гетерогенным, представляя собой смесь продуктов ядерных реакций, протекавших на разных стадиях предшествующей истории; последний этап нуклеосинтеза в районе Солнечной системы произошел незадолго (за 200 - 400 млн. лет) до формирования твердой фракции ее вещества. (4.55 млрд. лет назад). 129Jбета распад— 129Хe(ксенон не захватывается космическим веществом, а йод сорбируется, следовательно, по количеству радиогенного ксенона можно рассчитать абсолютный возраст (`200 млн. Лет). Процессы смешения продуктов нуклеосинтеза оказываются в высшей степени эффективными и приводят к тому, что в главной своей массе протопланетное вещество Солнечной системы достаточно хорошо перемешено но при этом некоторая (очень небольшая по массе) фракция метеоритного вещества отличается изотопными аномалиями, прямыми свидетелями гетерогенности нуклеосинтеза.
Метеориты