Читать книгу Природа космических тел Солнечной системы - Дмитрий Николаевич Тимофеев - Страница 27

Гипотеза 19

При нагревании нижней поверхности мантии породы разлагаются и при дополнительном повышении температуры, элементы переходят в атомарное состояние, например, по реакциям:

2UH₃→2U+6H Температура разложения 430^оС

2PdO→2Pd+2O Температура разложения 875^оС

ThJ₄→Th+4J Температура разложения 900^оС

Смеси должны быстро расслаиваться и сепарироваться под действием гравитации, разделяясь слоями элементов в зависимости от плотностей. При сжатии атомарного газообразного вещества межатомное пространство уменьшается до относительного объема, соответствующего объему, имеющемуся между шарами при максимально плотной укладке. В условиях высокого давления и отсутствия химического взаимодействия, однородные атомы структурируются в наиболее плотную гексагональную или кубическую упаковки [Тимофеев, 2009б; Тимофеев, 2011]. При таких упаковках атомы способны заполнить общий объем пространства на 74.05%. В нормальных условиях такая плотная гексагональная упаковка атомов с ковалентными связями невозможна, поскольку предполагает валентность элементов равную двенадцати, несуществующую в природе. Гексагональная упаковка атомов в нормальных условиях существует только для некоторых веществ с металлическими связями, например, для осмия. У большинства веществ упаковка менее плотная. Например, атомы в кристалле алмаза занимают только 34.01% объема пространства. Сближению атомов мешают прочные ковалентные связи. При разрушении связей и трансформации элемента в более плотную упаковку, плотность станет больше, чем у того же вещества в конденсированном (твердом, жидком) состоянии. Такое состояние было названо КРИСТАЛЛИЧЕСКИМ ГАЗОМ.

Кристаллический газ – фазовое состояние элемента, нагретого до температуры, при которой энергия атомов выше энергии химических связей, что приводит к их исчезновению, и сжатого давлением до соприкосновения атомов и более.

Выражение «соприкосновение атомов» условно, поскольку у атомов нет поверхности, а электронные оболочки упруго отталкиваются кулоновскими силами. Расположение атомов в состоянии кристаллического газа (рис. 21). Кристаллический газ – это пятое стабильное состояние вещества, занимающее большую зону в координатах давление – объем – температура.

Рис. 21. Расположение атомов элемента в состоянии кристаллического газа

Плотность вещества при минимальном межатомном пространстве можно описать формулой.

Вещество в этом состоянии должно иметь свои характерные свойства. С традиционными кристаллическими веществами кристаллический газ будет иметь такое сходство, как высокая плотность и упорядоченное расположение атомов.

Плотность газообразных элементов при высоком давлении больше плотности элементов в жидком или твердом состоянии. Ранее предполагалось, что вещества могут находиться в более плотном состоянии, чем мы это наблюдаем на Земле. К примеру, плотность газообразного вещества внутри Солнца оценивалась величиной 1.5х10⁵ кг/м³, поэтому жидкие и твердые вещества вполне могут плавать при высоком давлении на веществе в газообразном состоянии. Таким образом, нет никаких противоречий, если представить газообразное ядро Земли и находящуюся над ним мантию из твердых соединений.

Классическая диаграмма, свойств газообразных веществ в координатах объем – давление (рис. 22).

Рис. 22. Диаграммы состояния веществ

Линии на диаграмме определяют состояние вещества при разных температурах. Область на диаграмме, залитая серым цветом, – это жидкое состояние. Рассматривая свойства, например, при давлении Р₁ можно заметить, что начиная с определенного объема вещество уже мало сжимается, несмотря на увеличение давления и уменьшение температуры. Это объясняется тем, что при определенном объеме при сжатии вещества исчезает объем межатомного пространства, и объем ограничивается объемом, занимаемым атомами.

Идеальные газы подчиняются закону Д. И. Менделеева—Клапейрона:

Здесь не учитывается объем, занимаемый атомами. Известное уравнение Ван дер Ваальса, имеющее поправки, несколько приближает результаты расчета по формуле к поведению реальных газов, однако оно работает для низких температур. В условиях ядра Земли можно оценивать плотность газов по формуле:

где плотность кг/м³;

r– атомный (ионный) радиус элемента в ангстремах;

А– атомный вес элемента в углеродных единицах;

R — универсальная газовая постоянная;

T— температура;

P – давление.

Из этой формулы следует, что при повышении температуры объем межатомного пространства возрастает, и плотность элементов уменьшается.

При малой температуре и высоком давлении объем межатомного пространства стремится к нулю, и плотность будет приближаться к плотности атомов.

При высоком давлении и высокой температуре вещество может находиться в двух состояниях: в состоянии реального газа, когда между атомами межатомное пространство больше 25.95%, и в состоянии кристаллического газа, когда атомы сжаты в плотную структуру, и межатомное пространство равно 25.95% (несжимаемое пространство между шарами атомов при плотной гексагональной упаковке).

Размер атомов имеет решающее значение на давление перехода в состояние кристаллического газа. Чем больше размер атомов, тем меньше нужно давление, для их сближения в состояние соприкосновения, поскольку по закону Авогадро в одном и том же объеме при одинаковых условиях находится равное количество частиц различных газов, при этом неважно, какие размеры имеют эти частицы. Давления фазовых переходов разных газов сильно отличаются из-за больших различий в размерах их атомов. В результате получается довольно широкий диапазон давлений и температур, в которых одни атомы находятся в состоянии кристаллического газа, в то время как другие находятся в свободном тепловом движении и имеют тепловое межатомное пространство, что значительно уменьшает плотность их вещества.

Давление, при котором вещество при определенной температуре переходит в состояние кристаллического газа, можно рассчитать по формуле:

Где P – давление в паскалях;

r —радиус атомов в ангстремах.

Вещество в состоянии кристаллического газа более упругое. Атомы его при повышении давления тоже будут сближаться, но сжатие уже будет не по закону кинетической теории газов. Изменение давления вещества в условиях перехода можно описать формулой:

Где V-объем;

ΔV₁– изменение объема в состоянии кристаллического газа;

Q-заряд наружной оболочки атома.

Здесь первое слагаемое – это кинетическая составляющая давления, второе слагаемое – это электростатическая составляющая давления (сила отталкивания между электронными оболочками).

Возможно, эта формула будет описывать состояния веществ с некоторыми погрешностями, поскольку заряды наружных электронных оболочек атомов не точечные, однако очевидно, что наружные электронные оболочки инертных газов, имеющие восемь электронов, должны отталкиваться сильнее, чем оболочки атомов, например, лития, имеющие один электрон на внешней орбите.

Объемная упругость веществ в состоянии кристаллического газа будет выше, чем в конденсированной фазе (твердой или жидкой). Здесь вещества имеют более плотную упаковку, и каждый атом соприкасается с двенадцатью соседними атомами, а не с четырьмя, как, например, у алмаза.

Поскольку химические связи отсутствуют, элементы в состоянии кристаллического газа должны иметь малую вязкость (возможно, обладать сверхтекучестью) и не должны смешиваться друг с другом. Смеси элементов должны быстро расслаиваться и сепарироваться под действием гравитации, разделяясь слоями в зависимости от плотностей. Эффект расслаивания газов при высоком давлении открыт в 1941 году советскими учеными Кричевским и Большаковым [Кричевский, Большаков, 1941].

Здесь видно, что в отличие от линейной зависимости изменения плотности от объема в газообразном состоянии, в состоянии кристаллического газа плотность пропорциональна корню квадратному от давления.

В связи с упорядоченностью атомов, в состоянии кристаллического газа возможна некоторая анизотропия свойств.

Расчетные диаграммы фазовых переходов некоторых элементов из состояния кристаллического газа в состояние реального газа (рис. 23).

Рис. 23. Диаграммы фазовых переходов элементов

Здесь над линией – вещество в состоянии кристаллического газа, под линией – в газообразном состоянии. При понижении давления или поднятии температуры ниже линии перехода вещество из состояния кристаллического газа переходит в газообразное состояние (кристаллический газ кипит), но в отличие от жидкостей на этот переход не требуется затраты энергии (скрытой теплоты парообразования).

Ионизация атомов влияет на переход в состояние кристаллического газа, поскольку при ионизации изменяется размер частиц. Расчетная диаграмма влияния ионизации на условия перехода из газообразной фазы в фазу кристаллического газа на примере урана (рис. 24).

Рис. 24. Фазовый переход урана в состояние кристаллического газа при ионизации

Здесь показано, что при повышении температуры и уменьшении размеров атомов от первой, второй, и третьей ионизации происходят скачки кривой изменения фазового состояния. Расширяется зона кинетического газообразного состояния вещества и появляется возможность сжатия его дополнительно образовавшегося межатомного пространства, что существенно, скачками, увеличивает плотность.

По диаграмме также видно, что жидкое и твердое состояние занимает малую часть из области существования вещества.

У ряда авторов, описывающих состояние вещества в глубинах Земли, допускается разрушение оболочек атомов, а также термоядерные реакции в ядре и даже в мантии [Бембель, Мегеря и др.,2013]. Это не так. Вещества в фазовых состояниях кристаллического газа и газообразном состоянии могут существовать до очень высоких давлений и температур. Для трансформации ядер атомов при их контакте требуется большая энергия, это возможно только при температуре порядка 10—100 миллионов градусов. И даже при этой температуре реакция протекает на «хвосте» максвелловского распределения по скоростям теплового движения атомов. Но даже это возможно только для легких атомов, причем только благодаря квантовому явлению, за счет туннельного эффекта. Тяжелые атомы требуют для термоядерного синтеза еще более высокой температуры [Емельянов, 1958].

Представления о кристаллическом газе дают возможность понять, что до соприкосновения атомов газообразного вещества в плотное состояние кристаллического газа, никакого статического давления в среде атомов нет. Атомы находятся в состоянии полета в межатомном пространстве с частыми их соударениями. Только достигнув состояния кристаллического газа наступает момент, когда кроме энергии соударения возникает дополнительная сила сжатия между атомами, которая может способствовать их разрушению. Таким образом, можно утверждать, что разрушение атомов от давления может наступить только при давлениях, превышающих давления образования кристаллического газа, которые весьма значительны при высоких температурах. Поэтому можно ожидать, что разрушение атомов в глубинах планет будет происходить в виде ионизации от высоких температур или от облучения, а не от сил сжатия давлением гравитации.