Геохимия природных процессов презентация

содержания первых 50 элементов
Очень низкое содержание тяжёлых элементов – нет больших вариаций содержаний
Элементы с чётным атомным номером более распространены, чем с нечётным
Li, Be, B аномально мало
Fe заметно высокая концентрация
43Tc and 61Pm не обнаружены
> 83 не стабильные изотопы: продукты распада U и Th

преобразования 4-х ядер водорода в ядро 4He, которые могут обеспечить достаточное выделение энергии для поддержания светимости звезды:     - протон - протонная цепочка (pp - цепочка), в которой водород превращается непосредственно в гелий;     - углеродно - азотно - кислородный цикл (CNO - цикл), в котором в качестве катализатора участвуют ядра C, N и O.     Какая из этих двух реакций играет более существенную роль, зависит от температуры звезды.     В звездах, имеющих массу, сравнимую с массой Солнца, и меньше, доминирует протон - протонная цепочка.
В более массивных звездах, имеющих более высокую температуру, основным источником энергии является CNO - цикл. При этом, естественно, необходимо, чтобы в составе звездного вещества присутствовали ядра C, N и O. По современным представлениям температура внутренних слоев Солнца составляет 1.5 ·107 K и доминирующую роль в выделении энергии играет протон - протонная цепочка.

процессов, поддерживающих длительное выделение энергии в звездах. При горении водорода происходит слияние 4-х ядер водорода с образованием ядра 4He. Этот процесс происходит либо в pp-цепочке, либо в циклических ядерных реакциях с участием более тяжелых ядер - C, N, O, Ne и др., играющих роль катализатора. Сюда же относятся процессы с участием протонов, в которых производится некоторое количество легких элементов.
Горение гелия. После того, как в звезде накапливается гелий, под действием сил гравитации гелиевое ядро сжимается, становится достаточно плотным и горячим и в нем начинается процесс горения гелия с образованием ядер 12C, 16O, 20Ne.
α-Процесс. Это процесс последовательного добавления α-частиц к ядру 20Ne с образованием ядер 24Mg, 28Si, 32S, 36Ar, 40Ca. Он описывает повышенную распространенность элементов типа N ·α, где α - ядро 4He, а N - целое число.
E-процесс. Это процесс, в котором в условиях термодинамического равновесия образуются элементы, расположенные в районе железного максимума.
s-Процесс. Это образование ядер тяжелее железа в результате медленного последовательного захвата нейтронов. Скорость s-процесса меньше скорости β-распада образующихся в процессе захвата нейтронов радиоактивных ядер. Длительность s-процесса от 102 до 105 лет. s-Процесс отвечает за образование максимумов в распространенности элементов при A ~ 90, 138 и 208.
r-Процесс. Это образование ядер тяжелее железа в результате быстрого последовательного захвата нейтронов со скоростью, существенно превышающей скорость  -распада образующихся радиоактивных ядер. Характерное время r-процесса 0.01 - 100 с. В результате r-процесса в кривой распространенности элементов возникают максимумы при A = 80, 130 и 195.
p-Процесс. Это образование наиболее легких изотопов ядер. Он включает в себя образование и захват позитронов, захват протона, фоторождение нейтрона, (p,n) - реакции.
X-процесс. Это процесс нуклеосинтеза, ответственный за образование изотопов 6,7Li, 9Be, 10,11B. Считается, что эти элементы образуются в реакциях расщепления под действием космических лучей.

с ядра углерода, сводится к последовательному добавлению 4-х протонов с образованием в конце CNO - цикла ядра 4He

Ne - цикл и Mg - Al - цикл. В звездах второго поколения, содержащих Ne, Mg, Al, возможны замкнутые циклы, приводящие к горению водорода с образованием 4He

В звездах с массой большей, чем у Солнца, pp - цепочка не является главным источником энергии.  Вещество звезд второго поколения наряду с водородом и гелием содержит более тяжелые элементы, образующиеся в реакциях горения водорода и гелия, и, в частности, азот, углерод, кислород, неон и другие. Эти элементы играют роль катализаторов в реакциях горения водорода. Когда температура в центре звезды приближается к 20 млнK, в звездах начинается цепочка ядерных реакций, в ходе которых ядра углерода испытывают ряд последовательных превращений, а из водорода образуется гелий. Эта цепочка реакций называется CNO - циклом.

ядер гелия-4 в недрах звёзд. Она начинается при температуре около 1,5·108 К и плотности порядка 5·107 кг/м3. Эта реакция идёт в два этапа:
образование нестабильного ядра бериллий-8 (период полураспада 10−16 с)
                             ,
Q0 = 0,092 МэВ
образование возбуждённого ядра углерода -12
                            ,
Q1 = 7,367 МэВ

Возникают ядра углерода-12, кислорода – 16 и неона - 20

Горение гелия
Когда температура в центральной части звезды, содержащей гелий, достигает 108 K, включается новая ядерная реакция - горение гелия.

Тройной α-процесс эффективно происходит при температурах ~ 100 - 200 млн K. Поэтому процесс горения гелия начнется лишь тогда, когда в результате гравитационного сжатия в центре звезды будут достигнуты такие температуры.

звезды плотного ядра, состоящего преимущественно из углерода и кислорода.
По мере истощения запасов водорода в центре звезды и образования в центре гелиевого ядра процесс горения водорода постепенно перемещается к периферии звезды. При этом плотность гелиевого ядра продолжает увеличиваться за счет гравитационного сжатия и температура его резко возрастает. Увеличение излучения приводит к увеличению размеров внешней оболочки в десятки и сотни раз, что влечет за собой падение температуры внешних слоев звезды. В итоге звезда сходит с главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга - Рассела и перемещается в область красных гигантов.

гелия следуют фазы горения углерода (Z = 6), неона (Z = 10) и кислорода (Z = 8). Поскольку эти ядра обладают достаточно большими зарядами и роль кулоновского барьера существенно возрастает, требуются более высокие температуры, достижимые лишь в массивных звездах. Горение углерода начинается при температуре около 8·108 K и плотности ~ 105 г/см3.

Синтез лёгких ядер путём α-захвата.
Возникают Mg-24, Si-28, S-32, Cl-36, Ca-40, Sc-44, Ti-48.

в центре звезды последовательно запасов водорода, гелия, кислорода, кремния, ядро звезды сжимается, плотность в центре звезды последовательно увеличивается, а термоядерные реакции синтеза перемещаются на периферию звезды, приводя к расширению её оболочки. Если на начальной стадии звезды она имела однородный состав и в основном состояла из водорода и гелия, то теперь она имеет слоистый состав. В центре звезды содержатся тяжелые элементы группы железа, никеля, а на периферии расположены более легкие элементы. Внешняя оболочка состоит из водорода.

современным представлениям тяжелые элементы образуются в реакциях захвата нейтронов. Обычно различают быстрый (r) и медленный (s) процессы захвата нейтронов (от английских слов rapid и slow).

Подходящие условия для образования ядер в s-процессе существуют в красных гигантах. За счет s-процесса можно объяснить образование всех элементов вплоть до Z = 83. Ядра с Z = 84 - 89 не имеют стабильных изотопов и являются радиоактивными. Поэтому в s-процессе преодолеть эту область Z невозможно. В то же время в природе существуют ядра с Z = 90 (торий) и Z = 92 (изотопы урана 235U и 238U). Для объяснения существования этих ядер необходимо предположить их образование в результате быстрого захвата нейтронов нестабильными ядрами в результате r-процесса.

тяжелее железа, включая все ядра тяжелее 209Bi, образуются в r-процессе путем быстрого последовательного захвата большого количества нейтронов. Главное условие - скорость захвата нейтронов должна быть больше скорости β-распада. Основной механизм захвата нейтронов - реакция (n,γ). Захват нейтронов происходит до тех пор, пока скорость реакции (n,γ) не станет меньше скорости распада изотопа. Образующееся ядро распадается затем в результате β--распада и вновь начинается последовательный захват нейтронов.

лития, бериллия и бора 6,7Li, 9Be, 10,11B - не могут образовываться в обычных реакциях нуклеосинтеза в звездах.
Были предложены различные модели:
1. Такой средой могла бы быть поверхность молодой звезды или внешняя оболочка газа и плотного вещества, окружающая звезду. При звездных вспышках протоны и -частицы, ускоренные до достаточно высоких энергий, могли бы разрушать тяжелые элементы с образованием Li, Be, B. Однако, детальные расчеты показывают, что такая модель не проходит. Так, например, для звезд типа Солнца значительная часть полной гравитационной энергии должна быть израсходована на требуемое ускорение протонов и -частиц, что противоречит наблюдаемым данным.
2. Li, Be, B могли бы образовываться при вспышке сверхновой. Внешние слои звезды в результате расширения образуют туманности или облака из газа и пыли. Ударная волна, проходя через внешние слои, может вызвать реакции расщепления. Однако такая возможность также практически исключается, так как температура в таком процессе, по-видимому, недостаточна для образования энергичных частиц, способных вызвать реакции расщепления.
3. Li, Be, B могут образовываться в реакциях расщепления при взаимодействии галактических космических лучей с веществом межзвездной среды. Эта последняя модель в настоящее время является общепризнанной.
4. Исследования последних лет, не отвергая рассмотренных выше гипотез, легли в основу ещё одной возможности образования изотопов Li, Be, B. Если предположить, что эти ядра образуются в окрестностях сверхновых в результате следующего механизма. После вспышки сверхновой в её окрестности образуются вполне подходящие условия для ускорения легких заряженных ядер 12C, 14N, 16O до достаточно высоких энергий. В результате столкновения ускоренных легких ядер с медленными протонами и образуются изотопы Li, Be и B

примерно 107 K. Звезда находится в состоянии квазистатического равновесия, при котором энергия, высвобождаемая в термоядерных реакциях, компенсирует потери энергии на излучение с поверхности звезды. Звезда будет устойчива, когда уравновешиваются противодействующие эффекты гравитации и стремления горячих газов к расширению.     Рассмотрим, что будет происходить со звездой, если температура внутри неё внезапно начнет увеличиваться или уменьшаться.
Если температура в центре звезды начнет увеличиваться, то там будет вырабатываться больше энергии, чем излучается с поверхности. При этом давление внутри звезды повышается, и она начнет расширяться. Увеличение размеров звезды приведет к тому, что скорость протекания термоядерных реакций уменьшится и температура в центре звезды начнет падать. И, наоборот, если поверхность звезды охлаждается быстрее, чем вырабатывается энергия в звезде, то звезда начнет сжиматься и скорость протекания ядерных реакций увеличивается. Процесс стабилизации температуры звезды на этой стадии её эволюции происходит таким образом, что вырабатываемая в результате термоядерных реакций энергия, излучается без каких-либо резких изменений.

ядерного синтеза, зависят от массы звезды.

Массивные звезды (с массой значительно превышающей солнечную), в центральной части которых последовательно осуществляются все возможные ядерные реакции синтеза вплоть до образования элементов группы железа, взрываются затем как сверхновые с формированием плотного нейтронного ядра и выбросом наружных слоев в межзвездное пространство. На месте сверхновой остается либо нейтронная звезда, либо черная дыра в зависимости от конечной массы.
Звезды, массы которых недостаточны, чтобы они завершили свою жизнь как сверхновые, после окончания ядерных реакций будут постепенно остывать. В зависимости от величины конечной массы такие звезды могут превратиться либо в белый карлик, либо в нейтронную звезду.

Массивные Звёзды вносят главный вклад в синтез химических элементов.
Распространённые элементы (имеют максимумы на диаграмме)
Лёгкие – входят во флюидную (газовую, жидкую, ледяную) фазу космических объектов (H, He, C, O, Ne)
Тяжёлые концентрируются в железокаменном материале (Mg, Si, Fe)

останавливается на стадии так называемого “белого карлика”. Плотность белого карлика больше 107 г/см3, температура поверхности ~ 104K. При столь высокой температуре атомы должны быть полностью ионизованы и внутри звезды ядра должны быть погружены в море электронов, образующих вырожденный электронный газ. Давление этого газа препятствует дальнейшему гравитационному коллапсу звезды. Давление вырожденного электронного газа имеет квантовую природу. Оно возникает как следствие принципа Паули, которому подчиняются электроны. Принцип Паули устанавливает предельный минимальный объем пространства, который может занимать каждый электрон. Внешнее давление не в состоянии этот объем уменьшить. В белом карлике все электроны достигли минимального объема и гравитационное сжатие уравновешено внутренним давлением электронного газа.

25M   остается плотное нейтронное ядро (нейтронная звезда) с массой ~ 1.6M   . В звездах с остаточной массой M > 1.4M   , не достигших стадии сверхновой, давление вырожденного электронного газа также не в состоянии уравновесить гравитационные силы и звезда сжимается до состояния ядерной плотности. Механизм этого гравитационного коллапса тот же, что и при взрыве сверхновой. Давление и температура внутри звезды достигают таких значений, при которых электроны и протоны как бы “вдавливаются” друг в друга и в результате реакции
p + e-        n +    e
после выброса нейтрино образуются нейтроны, занимающие гораздо меньший фазовый объем, чем электроны. Возникает так называемая нейтронная звезда, плотность которой достигает 1014 - 1015 г/см3. Характерный размер нейтронной звезды 10 - 15 км. В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой гигантское атомное ядро. Дальнейшему гравитационному сжатию препятствует давление ядерной материи, возникающее за счет взаимодействия нейтронов. Это также давление вырождения, как ранее в случае белого карлика, но - давление вырождения существенно более плотного нейтронного газа. Это давление в состоянии удерживать массы вплоть до 3.2M Солнца   .

равновесии плотно упакованными нейтронами. Этот предел невозможно вычислить точно, так как поведение вещества при плотностях, существенно превышающих плотность ядерной материи, недостаточно изучено. Оценки массы звезды, которая уже не может стабилизироваться за счет вырожденных нейтронов, дают значение ~ 3M  .
    Таким образом, если при взрыве сверхновой сохраняется остаток массы M > 3MСолнца  , то он не может существовать в виде устойчивой нейтронной звезды. Ядерные силы отталкивания на малых расстояниях не в состоянии противостоять дальнейшему гравитационному сжатию звезды. Возникает необычный объект - черная дыра. Основное свойство черной дыры состоит в том, что никакие сигналы, испускаемые ею, не могут выйти за её пределы и достигнуть внешнего наблюдателя.
В настоящее время нет прямых экспериментальных подтверждений существования черных дыр.

и природа её эндогенной активности
«Наука», 1999.

и их спутников разработана на петрологической основе новая оригинальная версия их происхождения, основывающаяся на детальном исследовании метеоритов в сравнении с лунными и земными горными породами. Согласно предложенной гипотезе, планеты формируются путем аккреции ледяных (кометоподобных) планетезималей, испытывают полное плавление за счет тепла гравитационного сжатия и расслаиваются на железокаменные ядра и гигантские флюидные оболочки, с быстрым вращением которых связывается отделение расплавного флюидно-силикатного вещества, формирующего спутниковые системы. Под воздействием Солнца планеты его ближайшего окружения теряли флюидные оболочки, превращаясь в железокаменные планеты, эндогенная активность которых, как и спутников планет, обусловлена запасом флюидных компонентов, сосредоточившихся в их ядрах. Создаваемое ими флюидное давление реализовывалось на планетах развитием эксплозивного вулканизма и эндогенного импактогенеза, а планеты, недостаточно стабилизировавшиеся путем расслаивания, подвергались при этом взрывному распаду, образовав пояс астероидов в качестве главного источника метеоритов.

давлением флюидных оболочек планет в режиме нарастания восстановительной обстановки, что определило изотопные аномалии метеоритов и их алмазоносность.
Вторая стадия (после миграции флюидных оболочек планет) отличалась режимом низкого давления и характеризовалась последовательным нарастанием окислительной обстановки в ходе первичной кристаллизации и вторичных преобразований.

Марс и Земля, первоначально были такими же планетами-гигантами, какими являются сегодня Юпитер или Сатурн.
Причем, чем ближе к Солнцу, тем объемнее была планета. Иными словами, Протоземля была самой меньшей из этой четверки космических тел, имевших сходное строение. Все они, так же, как сейчас Юпитер и Сатурн, были окутаны огромной оболочкой из флюидов — уплотненных до жидкообразного состояния смесей газов. Постепенно под действием колоссальных давлений своих флюидных оболочек протопланеты начали расслаиваться на расплавные составляющие — силикатную часть и железное ядро.

А.А. Маракушев предложил рассматривать единую систему:
Солнце –Протомеркурий –Протовенера - Протоземля (имела много спутников)- Протомарс – Юпитер – Сатурн – Уран – Нептун – Плутон – Кометы

Планеты земной группы на протопланетной стадии формировались в виде железо-силикатных расплавных ядер в материнских He-H оболочках протопланет.

Протовенеры и Протомарса — планет, относительно близко расположенных к светилу унес солнечный ветер — поток плазменных частиц, несущихся от солнечной короны в космическое пространство со скоростью около 450 километров в секунду. Солнечный ветер сорвал с силикатно-железных ядер этих планет их флюидные оболочки.

Происходила дегазация флюидных оболочек.
Они потеряли и свои спутники. Реликты: Луна, Фобос и Деймос у Марса.


Вследствие столь существенной потери давление внутри истончившихся оболочек резко понизилось. Из-за этого жидкие ядра трех перечисленных планет успели захватить мало флюидов, что, в конечном итоге, привело к быстрому остыванию и затвердеванию расплавленного вещества и потере его внутренней активности. Иными словами, газовые планеты-гиганты превратились в «мертвые» твердые тела незначительных по космическим меркам размеров.

этого жидкие ядра трех перечисленных планет успели захватить мало флюидов, что, в конечном итоге, привело к быстрому остыванию и затвердеванию расплавленного вещества и потере его внутренней активности. Иными словами, газовые планеты-гиганты превратились в «мертвые» твердые тела незначительных по космическим меркам размеров.

Эндогенно-активные планеты и спутники «живые»:
Земля, спутники Юпитера (Ио, Европа, Ганнимед), Юпитер, Сатурн,
Уран, Нептун

«Мёртвые»:
Меркурий, Венера, Марс, Луна, Фобос и Деймос (спутники Марса),
спутники Юпитера (Каллисто и др.), спутники Сатурна,
Урана и Плутона

распада
протопланет)
Внешние планеты:
Юпитер
Сатурн
имеют тяжёлые ядра и He-H оболочки (аналоги Солнца)
Уран
Нептун
имеют тяжёлые ядра и водные оболочки
(похожи на кометное вещество)



«Плутон+Харон» водяной лёд и Fe-Si пыль ……Кометы

Астероиды, кометы, метеорные тела, космическая пыль, метеориты

отстоит от светила, плотность солнечного ветра существенно ниже, так что выдуванию из оболочки за тот же период подверглась лишь какая-то доля флюидов. В целом флюидное давление оболочки на протяжении нескольких последующих миллиардов лет оставалось весьма высоким. В результате расплавленное жидкое ядро активно захватывало атомы водорода, углекислого газа, метана, гелия, воды. (Подобные процессы, как считают многие современные ученые, происходят сейчас на Юпитере.)

Земля постепенно тоже лишилась флюидной оболочки, но, в отличие от других планет своей группы, успела насытить собственное ядро значительным количеством флюидов.
Именно из-за высокого уровня насыщенности флюидами, утверждает гипотеза Маракушева, жидкое земное ядро затвердело к настоящему моменту только наполовину. В нем и поныне не прекращаются бурные процессы. В центре планеты продолжается кристаллизация твердой части ядра из железа с примесью никеля, что одновременно влечет повышение флюидного давления в жидкой части ядра

коры. Таким образом, наша планета напоминает сильно перегретый и, вместе с тем, «дырявый» газовый котел, через «дырки» в котором регулярно выбрасывается наверх лишний «пар». Он-то и является причиной циклических природных катаклизмов. Предугадать, в каком именно месте произойдет очередной выброс и какой он достигнет силы, практически невозможно.
Следует добавить, что флюидные потоки, покидая жидкое ядро, вызывая землетрясения и вулканизм, прихватывают с собой богатую добычу в виде рудных металлов и нередко образуют в земной коре и даже на поверхности планеты обширные месторождения никеля, меди, урана, серебра, золота, платины...
Гипотеза Маракушева перекликается с новейшими данными об экзопланетах, представляющих собой гигантские газовые шары, расположенные очень близко от своих звезд.

в процессе эволюции, в межзвездное пространство. Если после взрыва сохраняется большая часть массы звезды, в межзвездное пространство выбрасываются лишь внешние слои сверхновой, состоящие преимущественно из легких элементов - водорода и гелия. Наряду с этими элементами будут выброшены также более тяжелые элементы, образовавшиеся в результате взрывного нуклеосинтеза в короткий интервал времени взрыва сверхновой. Внутренние слои звезды при этом не затрагиваются и поэтому элементы, образовавшиеся в результате горения в условиях термодинамического равновесия на спокойной стадии эволюции звезды, остаются внутри звезды. Если же в результате взрыва сверхновой в межзвездное пространство выбрасывается значительная масса звезды, то содержание выброшенных элементов будет в большей мере отражать относительное содержание различных элементов, образовавшихся в условиях термодинамического горения звезды, вплоть до стадии, предшествующей взрыву сверхновой. Современные данные пока не дают убедительных доказательств в пользу одной из точек зрения. Механизм взрыва сверхновых II нуждается в дальнейшем уточнении. Конечные стадии эволюции звезд после того, как они проходят последовательность реакций ядерного синтеза, зависят от массы звезды. Как уже отмечалось, массивные звезды (с массой значительно превышающей солнечную), в центральной части которых последовательно осуществляются все возможные ядерные реакции синтеза вплоть до образования элементов группы железа, взрываются затем как сверхновые с формированием плотного нейтронного ядра и выбросом наружных слоев в межзвездное пространство. На месте сверхновой остается либо нейтронная звезда, либо черная дыра в зависимости от конечной массы. Звезды, массы которых недостаточны, чтобы они завершили свою жизнь как сверхновые, после окончания ядерных реакций будут постепенно остывать. В зависимости от величины конечной массы такие звезды могут превратиться либо в белый карлик, либо в нейтронную звезду.