Читать книгу Природа космических тел Солнечной системы - Дмитрий Николаевич Тимофеев - Страница 14

Гипотеза 6

Предложен расчет состава Земли по энергии связей нуклонов в ядрах атомов [Тимофеев, 2013б]. Элементы рождались 4,5 миллиардов лет назад при взрыве нейтронной звезды в условиях высоких температур, в процессе протекания одновременно различных ядерных реакций разрушения нейтронного вещества на атомы, распада ядер, слияния ядер, сильнейшей бомбардировки ядер всевозможными частицами, сильнейшего излучения нейтронов, протонов, электронов. По теории вероятности образовывались элементы с самым разным сочетанием нуклонов в ядрах, но при столь жестких условиях в образовавшейся смеси концентрация элементов с более прочными и стабильными ядрами, очевидно, будет выше. Прочность ядер элементов зависит от энергии связей их нуклонов, которая известна. Проведено сравнение энергий связей нуклонов в ядрах элементов и их процентного содержания в коре Земли. Были взяты содержания легких элементов, поскольку они из-за своей малой плотности атомов в максимальной степени должны были сосредоточиться в верхней геосфере Земли, а поэтому соотношение их концентраций в коре должно в большей степени соответствовать соотношению их концентраций во всей Земле.

Выявлена корреляция концентрации элементов в земной коре, от прочности атомов (рис. 8). Водород и гелий выпадают из этой закономерности, что объяснимо. Эти элементы в ходе ядерных реакций образуются по другому механизму. Водород образуется при распаде нейтронов, гелий – из альфа-частиц, поэтому оба эти элемента продолжают образовываться в результате ядерных реакций в глубинах Земли, а так же воздействия космического излучения. Водород и гелий легко утекают из земной атмосферы в космос, что снижает их концентрацию в составе Земли, в тоже время они легче других элементов просачиваются через породы к поверхности. Аномально низкое содержание неона объясняется значительным уносом этого легкого инертного газа на большое растояние от места взрыва нейтронной звезды разлетающимися частицами. Остальные элементы вписываются в закономерность, при этом концентрации элементов за кремнием в коре Земли уже снижаются из-за их погружения в результате сепарации.

Рис. 8. Концентрации и прочность ядер элементов начала таблицы Д. И. Менделеева: 1 – энергии связей нуклонов в ядрах (прочность атомов); 2 – массовые концентрации в коре Земли

Хорошо заметно повышение содержания углерода и кислорода в коре Земли, соответствующее повышеной прочности ядер их атомов.

Расчет содержания элементов в Земле

Массовый процент элемента в Землезависит от двух факторов. Фактора удельной энергии связи нуклонов в ядрах атомов и фактора особенностей ядер. Состав элементов можно рассчитать по формуле:

N = K∙D_св

N – массовый % элемента в Земле

K – фактор особенностей ядер (коэффициент разброса содержания элемента)

D_св – фактор удельной энергии связи нуклонов в ядрах атомов

Содержание того или иного элемента в Земле (что в определенной степени подходит и для других планет Солнечной системы, и для Солнца) равно произведению фактора удельной энергии связи нуклонов в ядрах атомов на фактор особенностей ядер.

Зависимость концентраций элементов в коре Земли от удельных энергий связи нуклонов в ядрах для легких элементов (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость концентрации элементов в коре Земли от удельной энергии связи нуклонов

Этот график доказывает, что имеется прямо пропорциональная зависимость значений концентраций легких элементов от лагорифма энергии связи нуклонов в ядерах атомов. Вид этой зависимости выражается формулой:

D_св= а∙10 ^(έ-7.95)

έ – удельная энергия связи нуклонов в ядре элемента (Мэв)

а – постоянная равна 0.0289361

Физический смысл фактора удельной энергии связи нуклонов в ядрах атомов D_св– это процентное содержание элемента в Земле, если бы не действовал фактор особенностей ядер.

Предполагается, что такая зависимость распространяется на все элементы таблицы Д. И. Менделеева. Таким образом, можно гипотезу содержания элементов в составе Солнечной системы сформулировать следующим образом.

Процентное содержание элементов в космических телах Солнечной системы находится в логарифмической зависимости от удельной энергии связи нуклонов в их ядрах.

Заметно, что концентрации элементов не строго лежат на прямой удельной энергии (рис. 9), а имеют некоторый разброс, который учитывается фактором особенностей ядер—K, индивидуальным для каждого элемента.

Непосредственный расчет коэффициента разброса содержания элемента является в настоящее время неразрешимой задачей, поскольку отсутствует теория строения атомных ядер, хотя ядерные факторы, которые влияют на разброс, можно назвать.

Ядерные факторы

Четность частиц в ядрах атомов. Замечено, что наиболее стабильны ядра атомов с четным количеством протонов и нейтронов. Ядра с нечетным количеством протонов и нейтронов менее устойчивы. Этим объясняется определенная периодичность содержания соседних по атомной массе элементов в составе земной коры. Особенно это заметно у лантаноидов, химические свойства которых близки.

Масса ядер. Тяжелые элементы с атомной массой больше, чем у висмута, радиоактивны, нестабильны, поэтому, за исключением урана и тория, имеют незначительные концентрации в Земле.

Наличие нескольких стабильных изотопов. Содержания элементов с несколькими стабильными изотопами, например, олова (10 стабильных изотопов), свинца (4 стабильных изотопа), как правило, выше содержания элементов, имеющих один стабильный изотоп, например, золота или висмута. Такую закономерность проще понять, если учесть, что для ядерной физики разные изотопы – это разные вещества. Они имеют разные ядерные свойства, например, образуются из разных элементов и даже зачастую имеют разные названия. Например, элемент 86 у ядерщиков называется «эманацией», который существует как Em²²²радон Rn—продукт α-распада радия, Em²²⁰ торон Tn—продукт α-распада тория и Em²¹⁹ актинон An—продукт α-распада актиния. Для ядерных реакций, в которых образовались элементы, это три разных вещества. В кошмарном аду образования элементов у каждого изотопа был свой путь ядерного синтеза, поэтому и содержание элементов, имеющих несколько стабильных изотопов, получается больше, но у химиков они идут под одним названием, поскольку имеют одинаковые химические свойства.

Осколки деления тяжелых ядер. Содержание элементов, таких, например, как Sr, Zr, Ва, которые могут образоваться как осколки деления тяжелых ядер урана и тория, должно быть несколько выше.

Образование по механизму излучения. Водород может образовываться из протонов или нейтронов, что обеспечивает его достаточно высокую концентрацию. Гелий может образовываться из альфа частиц. Водород и гелий образуются постоянно в процессе распада радиоактивных элементов.

Большое сечение захвата нейтронов. Элементы с большим сечением захвата нейтронов, например, бериллий, имеют меньшее содержание, поскольку вероятность распада их ядер выше. По этой причине более низкая концентрация бериллия образовалась еще во время синтеза элементов при рождении веществ Солнечной системы.

Радиоактивный распад элементов. В составе Земли с момента образования сохранились долгоживущие радиоактивные изотопы U²³⁸, Th²³², К^40, которые постепенно распадаются. Поскольку период полураспада U²³⁸ составляет Т_1/2= 4,507 х 10⁹ лет, а столько времени прошло с момента образования вещества Солнечной системы, то количество урана за весь исторический период в массе Земли из-за радиоактивного распада уменьшилось примерно в два раза.

Наличие нестабильного соседнего элемента. При ядерных преобразованиях одного элемента в другой содержание образовавшегося стабильного элемента может увеличиться из-за распада соседнего нестабильного элемента. Так, в результате распада урана и тория образуются атомы свинца. При этом надо учесть не только существующие в настоящее время нестабильные элементы, но и те, которые давно распались, а их более 900. Кроме того, нужно учитывать и нестабильные изотопы, которые не образовались в процессе взрыва нейтронной звезды, а появились позже по цепочке ядерных преобразований. Некоторые ряды таких преобразований показаны в работе [Тихонов, 2016].

Такое многообразие и сложность различных ядерных факторов делают невозможным непосредственный расчет фактора особенностей ядер K. По этой причине приближенный расчет фактора особенностей ядер K выполнен аналоговым методом, ориентируясь на соотношение концентраций элементов в коре Земли с учетом химических факторов и введением ряда поправок.

Ядерные особенности определяют разброс концентраций элементов во всей Земле и мало влияют на распределение элементов по геосферам.

Аналоговый метод определения фактора разброса содержания элементов К

Допустим, что соотношение соседних элементов по таблице Д. И. Менделеева во всей Земле соответствует их соотношению в коре Земли, с некоторыми отклонениями, обусловленными их химическими свойствами. Коэффициенты разброса определены путем вычисления процентного содержания элемента в коре Земли из суммы содержаний семи элементов по таблице Д. И. Менделеева.

Возможен и другой метод расчета, когда соседние элементы взяты не из таблицы Д. И. Менделеева, а из таблицы плотностей атомов. В этом случае результаты расчета будут несколько другие. Какой способ расчета более соответствует реальности, необходимо уточнить.

Взята сумма процентных содержания в коре Земли рассчитываемого элемента, трех более легких и трех более тяжелых его соседей по таблице Д. И. Менделеева. Принимая сумму этих семи элементов за 100%, вычисляем процентное содержание в этой группе искомого элемента, используя эту величину как фактор разброса содержания элементов К. Используя такой метод, мы снижаем влияние на расчеты фактора гравитации. Оценка разброса получается по содержанию близких по атомным массам элементов в коре Земли.

Такой способ позволяет достаточно обоснованно рассчитать отклонение содержания элемента в составе Земли от содержания, определенного по прочности ядер элементов.

Отклонения среднего состава элементов Земли от состава элементов ее коры, объяснимые химическими свойствами элементов

Химические свойства ряда элементов влияют на способность их концентрироваться в земной коре и создавать видимость их преобладания в окружающем мире. Аномально высокое содержание кислорода в коре Земли обусловлено, вероятно, вытеснением его в глубинных породах из соединений другими элементами – серой, хлором, фтором, инертными газами, а также относительно малой плотностью его соединений, которые по этой причине поднимаются из мантии. В определенной степени концентрации всех элементов в коре Земли связаны с рядом их химических свойств, которые или способствуют присутствию здесь того или иного элемента, или его малым концентрациям, что представлено ниже.