Откуда на Земле вся таблица Менделеева?

Автор Иваныч, февраля 09, 2023, 17:24:50

« назад - далее »

Иваныч

Одна из величайших проблем мироздания - происхождение химических элементов. Собственно химия здесь уже ни при чем — это сфера, подвластная ядерной физике.

Например, образование железа возможно только у очень массивных звезд, у менее массивных звезд ядерные реакции НЕ ДОХОДЯТ до этого элемента. Так у звезд с массой до 5 масс Солнца происходит образование ТОЛЬКО водорода, гелия и лития.

Элементы тяжелее железа (порядковый номер 26) не могут синтезироваться в термоядерных процессах, идущих в активно работающей звезде, поскольку такое слияние становится энергетически невыгодным: энергия, необходимая для получения ядер тяжелее железа, больше, чем энергия, выделяющаяся в ходе такого слияния.
Это означает, что большая часть элементов Периодической системы образовалась не в термоядерных «котлах» звезд, а в каких-то иных процессах.

Возникает вопрос: почему вся периодическая система элементов сосредоточилась именно на Земле, а не на Луне и не на огромном Юпитере, представляющем из себя газовый гигант?

Долгое время считалось, что именно вспышки сверхновых ответственны за производство элементов тяжелее железа. Однако оказалось, что наблюдаемого темпа вспышек сверхновых недостаточно для того, чтобы объяснить то обилие тяжелых элементов, которое мы видим в космосе. Измерения распространённости элементов в нашей галактике показали – 92% атомов приходится на долю водорода, 8% - на долю гелия и один атом из тысячи – это атом более тяжелого элемента...

"Откуда дровишки"?

rod1gin

Цитата: Иваныч от февраля 09, 2023, 17:24:50Одна из величайших проблем мироздания - происхождение химических элементов.

На сегодняшний день эта проблема уже изучена до состояния "почти всё понятно".

Тяжёлые элементы, действительно, не синтезируются при "нормальной работе" звезды. Они синтезируются во всяких происходящих со звездой экзотических процессах - зачастую, в последние дни или даже часы существования звезды. В результате этих же процессов они выносятся со звезды в межзвёздное пространство (превращаясь в межзвёздную пыль, из которой потом формируются планеты).

Синтез элементов тяжелее железа идёт с ПОГЛОЩЕНИЕМ энергии.

Вот здесь есть подробная таблица по всем элементам периодической системы:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/91/Nucleosynthesis_periodic_table-ru.svg

Цитата: Иваныч от февраля 09, 2023, 17:24:50почему вся периодическая система элементов сосредоточилась именно на Земле, а не на Луне и не на огромном Юпитере

На Юпитере, на самом деле, тяжёлых элементов больше, чем на Земле, если считать в тоннах, а не в процентах. Но к Юпитеру, сверх того, "прилипло" очень много водорода и гелия, а на Земле они не удержались по двум причинам:
1) Земля сформировалась из космической пыли, обращавшейся по орбитам, сравнительно близким к Солнцу. Пылинки нагревались Солнцем, и все вещества с низкой температурой кипения с них испарялись.
2) Земля сравнительно маленькая планета - у неё маленькая вторая космическая скорость, и лёгкие газы постепенно улетучиваются с неё в космос,

Луна и планеты земной группы столь же богаты тяжёлыми элементами, как и Земля.

rod1gin

Ещё советую в Википедии прочитать статью "Эволюция звёзд", особенно параграф "Реакции термоядерного синтеза".

Иваныч

#3
Цитата: rod1gin от февраля 10, 2023, 19:40:42
Цитата: Иваныч от февраля 09, 2023, 17:24:50Одна из величайших проблем мироздания - происхождение химических элементов.

На сегодняшний день эта проблема уже изучена до состояния "почти всё понятно".
...
Луна и планеты земной группы столь же богаты тяжёлыми элементами, как и Земля.
Стесняюсь спросить, а какими конкретно методами, кроме гипотез, данная проблема изучалась до состояния «почти всё понятно»? Где происходил «лабораторный нуклеосинтез»? Или дадите ссылку на  рецензируемое издание, с цитатой, где кому-то вдруг стало «почти всё понятно»?

Небесные тела не формируются "из пыли" хронологически до момента возникновения центра масс, сравнимого по силе гравитации с совокупной массой стянутой материи. На кометах и астероидах много "пыли налипло"? Там обратные процессы только наблюдаются...

Вы невнимательны – у меня изложено про «железный порог».

Откуда у вас данные о химическом составе внутренних слоёв Юпитера, если никакой спектральный анализ этого определить не в состоянии?

Откуда у вас данные, что Земля «сформировалась из пыли», учитывая её уникальное магнитное ядро и пыльную Луну,  которая притягивается Солнцем в два раза сильнее, чем Землёй, когда находится между?

Вы это серьёзно про «маленькую скорость Земли и улетучивающиеся с неё в космос лёгкие газы»?

Ещё раз спрашиваю, откуда конкретно у вас данные по хим. составу внутренних слоёв планет солнечной системы?  Если не источник, то  хотя бы метод?




Иваныч

Цитата: rod1gin от февраля 10, 2023, 19:45:43Ещё советую в Википедии прочитать статью "Эволюция звёзд", особенно параграф "Реакции термоядерного синтеза".
Не пробовали интересоваться сутью вопросов нуклеосинтеза посредством более серьёзных источников, чем Википедия?
Рекомендую - вас ожидает много нового: https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3815
или
Collapsars as a major source of r-process elements // Nature. 2019. V. 569. P. 241–244.

rod1gin

Цитата: Иваныч от февраля 10, 2023, 20:46:49Рекомендую - вас ожидает много нового: https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.3815

Да, действительно, узнал новое. Я не знал, что слияние нейтронных звёзд это такой важный для нуклеосинтеза процесс (только я узнал это вчера, из Википедии, когда писал Вам ответ, а в статье, на которую Вы сослались, сегодня увидел подтверждение).

"Collapsars" это и есть взрывы сверхновых звёзд. Понятно, что тяжёлые элементы вылетают не из самой чёрной дыры, а из оболочки, которую звезда сбрасывает, когда со взрывом превращается в чёрную дыру. В таблице, ссылку на которую я привёл, это называется "взрыв массивных звёзд" и "взрыв белых карликов". И ещё, наверное, "слияние нейтронных звёзд" тоже, чаще всего, завершается образованием чёрной дыры.

rod1gin

Цитата: Иваныч от февраля 10, 2023, 20:39:38Вы это серьёзно про «маленькую скорость Земли и улетучивающиеся с неё в космос лёгкие газы»?

Да. Это общепринятая на сегодняшний день точка зрения. Только не "маленькая скорость", а "маленькая вторая космическая скорость". То есть, из-за того, что Земля такая относительно маленькая, молекуле надо набрать не такую уж большую скорость, чтобы улететь с неё в космос.

В плотных слоях атмосферы газы перемешаны друг с другом, но на очень большие высоты залетают только те молекулы, которым достаточно лёгкого толчка, чтобы приобрести очень большую скорость. На высотах свыше 1000 километров атмосфера Земли состоит, главным образом, из водорода (см. "экзосфера"). Если молекула, находящаяся в экзосфере, получает ещё один толчок (например, в результате столкновения с гамма-квантом космических лучей), её осколки могут улететь в межпланетное пространство.

Считается, что это одна из причин, из-за которых атмосфера Земли потеряла гелий, а также водород, не связанный с кислородом. Но, считается, что их и до этого на Земле было мало, потому что в пыли, из которой образовалась Земля, их было мало.

rod1gin

Цитата: Иваныч от февраля 10, 2023, 20:39:38Вы невнимательны – у меня изложено про «железный порог».

Ваша мысль была такая: синтез ядер тяжелее железа энергетически невыгоден, поэтому, он не может идти в "термоядерных котлах звёзд". Я же хотел сказать что, да, он энергетически невыгоден, но, тем не менее, может там идти. Это вам не экономика.

Грубо говоря, если по ядру атома железа за короткое время сильно долбануть одним протоном и двумя нейтронами, всё это, с большой вероятностью, прилипнет, и получится ядро кобальта. Да, это будет энергетически невыгодно, в том смысле, что получившееся ядро будет лететь медленнее, чем исходные ингредиенты - ну и что с того?

rod1gin

Цитата: Иваныч от февраля 10, 2023, 20:39:38Небесные тела не формируются "из пыли" хронологически до момента возникновения центра масс, сравнимого по силе гравитации с совокупной массой стянутой материи. На кометах и астероидах много "пыли налипло"? Там обратные процессы только наблюдаются..

Кометы и астероиды это разные вещи, в данном случае. Кометы летят с большой скоростью относительно межпланетной среды, поэтому, при столкновениях к ним ничего не прилипает. Наоборот, они разрушаются и "пылят". Астероиды - другое дело. Они обращаются вокруг Солнца по близким орбитам. Иногда они сталкиваются друг с другом и с частицами летящей по тем же орбитам пыли. В 99% случаев они после этого снова разлетаются, но уже с меньшими скоростями, чем до этого. В результате взаимные скорости астероидов, относящихся к одному поясу, постепенно становятся всё меньше, и они начинают всё реже отскакивать, и всё чаще слипаться.

Это сложный процесс - там надо учитывать не только гравитацию и неупругие столкновения, но и, например, электростатику. Но учёные утверждают, что, на сегодняшний день, уже неплохо всё это понимают.

К астероидам летало уже много космических аппаратов, и всё это можно уже наблюдать на фотографиях. Рыхлые астероиды, состоящие из груды камней разного размера, слипшихся друг с другом. Астероиды из двух частей, слипшихся друг с другом на манер гантели. И т.п.

Иваныч

Цитата: rod1gin от февраля 11, 2023, 09:11:34"Collapsars" это и есть взрывы сверхновых звёзд. Понятно, что тяжёлые элементы вылетают не из самой чёрной дыры, а из оболочки, которую звезда сбрасывает, когда со взрывом превращается в чёрную дыру. В таблице, ссылку на которую я привёл, это называется "взрыв массивных звёзд" и "взрыв белых карликов". И ещё, наверное, "слияние нейтронных звёзд" тоже, чаще всего, завершается образованием чёрной дыры.

Ну если кому-то что-то "понятно", то за этого человека можно лишь порадоваться.
"Красивые" гипотезы и догадки, исключающие воспроизводимое подтверждение, но приводящие к "пониманию" - это область веры, утверждающей, что 96%  состава вселенной - это "тёмные сущности", которые НИКАК не охватываются современными науками.

Поэтому забавно бывает слышать, что кому-то "почти всё понятно" в вопросах нуклеосинтеза, учитывая, что мы способны зафиксировать лишь 4% от от известных науке физических процессов...

rod1gin

Цитата: Иваныч от февраля 10, 2023, 20:39:38откуда конкретно у вас данные по хим. составу внутренних слоёв планет солнечной системы?  Если не источник, то  хотя бы метод?

Всё это, как и любые сложные научные данные, результат построения моделей.

Вот, например, Юпитер. Довольно точно известны его диаметр и его масса. Может ли Юпитер состоять, например, из глины. Считаем его объём по формуле четыре третьих пи эр куб, умножаем на плотность глины, получаем массу, во много раз большую настоящей. Может ли Юпитер состоять из воздуха? Строим более точную модель, учитывающую то, какое давление на какой глубине получается, и какую плотность будет иметь воздух при таком давлении. Видим, что масса всё равно больше, чем нужно. Какой из известных химических элементов не возьми, получаем массу, большую чем нужно, пока мы не предположим, что Юпитер состоит, в основном, из водорода. Никакая другая гипотеза, даже самая экзотическая, не даст правдоподобных результатов. Например, если мы предположим, что Юпитер состоит из паров свинца, нагретых до десяти тысяч градусов, мы получим правдоподобную плотность, но перед нами встанет задача объяснить, почему всё это тепло не просачивается наружу. В общем, либо водород, либо некая сложная конструкция, включающая в себя подпорки из материала в миллиард раз твёрже алмаза и слои теплоизоляции из материала, в миллион раз эффективнее ваты.

То есть, знания диаметра и массы Юпитера достаточно, чтобы вычислить основной его элемент. Чтобы узнать состав более точно, надо строить более точные модели, а для этого надо привлекать дополнительные данные. Таких данных не то, чтобы сильно много, но кое-что у нас есть. Например, благодаря тому, что Юпитер из-за быстрого вращения представляет собой не шар, а эллипсоид, мы знаем не только его массу, но и то, как эта масса распределена по глубине. В частности, мы знаем, что в центре Юпитера есть сравнительно маленькое плотное ядро, массой примерно вдвое больше Земли. У нас есть данные по магнитному полю Юпитера. У нас есть данные по потоку тепла из недр. У нас есть данные о том, что Юпитер вращается не как твёрдое тело. У нас есть данные по составу верхних слоёв атмосферы.

В случае Юпитера такая реконструкция получается не очень точной. Для Земли у нас данных намного больше. Очень много информации даёт сейсмический метод, который позволяет довольно точно измерить продольную и поперечную упругость вещества в любой точке внутри Земли. У нас есть образцы вещества, вынесенного магмой с глубин до 200 км. (см. "ксенолиты"). Более точно: у нас есть образцы вынесенного магмой вещества, которое могло образоваться только при давлениях в диапазоне от X до Y, из чего мы делаем вывод, что оно образовалось на глубинах от A до B километров.

Для Луны, Марса и, по-моему, Меркурия также получены сейсмические данные, хотя их и немного.

Наконец, у нас есть вещество метеоритов, которое, по современным представлениям о формировании Солнечной системы, близко к составу "внутренностей" планет земной группы. Если мы принимаем эти представления, мы можем ещё больше уточнить нашу модель и сказать, например, что примесь к расплавленному железу в ядре Земли это именно никель, а не какой-нибудь другой металл.

rod1gin

Цитата: Иваныч от февраля 10, 2023, 20:39:38Где происходил «лабораторный нуклеосинтез»?

В ядерных реакторах, ясное дело. На сегодняшний день неплохо изучено, какие условия нужны, чтобы протекала та или иная ядерная реакция, и с какой скоростью идёт эта реакция в таких условиях. Дальше ищем в космосе места, в которых эта реакция идёт со скоростью, достаточной для того, чтобы дать наблюдаемое количество интересующего нас элемента. Если нашли, значит, мы построили неплохую модель, на которую можем опираться при построении других моделей. Если нет, начинаем волноваться.

Не все части паззла пока встали на место. Вон, в Википедии написано, что для лития-7 теоретическая оценка в 4 раза превышает наблюдаемое значение...

Иваныч

Цитата: rod1gin от февраля 11, 2023, 11:30:35
Цитата: Иваныч от февраля 10, 2023, 20:39:38откуда конкретно у вас данные по хим. составу внутренних слоёв планет солнечной системы?  Если не источник, то  хотя бы метод?

Всё это, как и любые сложные научные данные, результат построения моделей.

Действенные модели лучше строить, начиная с иного масштаба. Вот, например:

Если планета будет чуть ближе к Солнцу, вода испарится и жизнь умрет; если чуть дальше — все замерзнет. Это касается и угла её наклона. Если массивный Юпитер будет чуть дальше от Земли, он не сможет отклонять кометы, угрожающие нашей планете. Если чуть ближе — изменит траекторию Земли.

Луна балансирует Землю, давая длительность суткам, периодичность приливам и отливам, задавая цикличность многим процессам, видимые окружности Солнца и Луны совпадают при затмениях. Луна играет жизненно важную роль для наклона Земли, что обеспечивает смену времен года и поддерживает температурный баланс.

Масса нашей планеты делает оптимальной толщину атмосферы, космическую радиацию на поверхности, климат, силу тяжести и взаимодействие с Луной.

Состав атмосферы крайне сбалансирован в аспекте пожароопасности, дыхания и метаболизма - они находятся в оптимальном соотношении.

Магнитное поле никеле - железного магнитного ядра, является щитом Земли, т.к. атмосфера от высокого уровня радиации Солнечных протуберанцев не спасает. Вместе с тем магнитное поле в среднем по планете теряет по 20 нанотесла в год, то есть слабеет на 5% за столетие. Это происходит, конечно, неравномерно — где-то поле и усиливается. Но в целом за последние 150 лет уменьшилось на десять процентов...

Быстрое вращение Земли вокруг оси уменьшает суточные колебания температуры и делает возможным фотосинтез. Угол осевого наклона именно такой, который делает невозможными экстремальные сезонные колебания климата. А если наклона вообще не будет, то не будет и смены времён года. Но Луна стабилизирует угол наклона, что делает невозможным хаотическое его изменение.

Вода имеет аномальные характеристики, на основе таблицы Менделеева, она должна замерзать при - 70°С, но она расширяется уже при + 4°C, водоёмы промерзают от поверхности, сохраняя свою флору и фауну.

Вот как-то так - и это мы ещё не коснулись химии.

rod1gin

Цитата: Иваныч от февраля 10, 2023, 20:39:38Откуда у вас данные, что Земля «сформировалась из пыли», учитывая её уникальное магнитное ядро и пыльную Луну,  которая притягивается Солнцем в два раза сильнее, чем Землёй, когда находится между?

Это я вообще не понял. Ну и что? Магнитное поле есть у многих планет. На Луне есть пыль, хотя её меньше, чем считалось сто лет назад. Земля вместе с Луной обращается вокруг Солнца по орбите, значит, они находятся как-бы в свободном падении относительно Солнца, и влиянием Солнца, в первом приближении, можно пренебречь, даже если оно больше.

rod1gin

Цитата: Иваныч от февраля 11, 2023, 12:01:16Если планета будет чуть ближе к Солнцу,

Ответ простой: антропный фактор. Если бы Земля (или наша Вселенная в целом) не была бы приспособлена к существованию человечества, нас бы тут не было, и некому было бы сказать "теперь всё нормально, никаких аномалий не наблюдается".