G. Для чего используется, примеры

Геохимия позволяет с минимальными затратами получить много важной и полезной информации как о строении планеты в целом, так и составе и строении конкретных геологических объектов.

Это можно проиллюстрировать на конкретных примерах.

i. Получение новой информации о строении и составе оболочек Земли

ii. Проблемы возраста Земли

iii. Решение генетических проблем с наименьшими финансовыми затратами (генетический тип оруденения, его объем)

iv. Поиск полезных ископаемых в жутких условиях (Канадский щит)

v. Решение экологических проблем. Оценка степени загрязнения.

Однако, что бы получить корректный результат исследователь должен обладать информацией о поведении химических элементов в геологических процессах, хорошо ориентироваться в современных методах определения составов различных веществ, обладать знаниями по методам опробования различных сред и способах математической обработки численных данных.

Цели и Задачи курса:

1. Вселенная и атом. Распространенность химических элементов

«…Понять историю атомов в земной коре (и вообще на Земле и в Космосе) можно, лишь изучив свойства этих атомов, так как различные природные процессы, связанные с распределением и миграцией химических элементов в пространстве и времени являются функцией, в первую очередь, этих свойств…».

Ферсман.

a. Современные представления о происхождении и эволюции вселенной;

i. Гипотеза большого взрыва;

Согласно гипотезе, зарождение всей Вселенной было связано с Большим Взрывом (БВ), 12,5-14 миллиардов лет назад [Аракелян, 2004]. Взрыв произошел в результате гравитационной концентрации всей материи Вселенной в очень небольшом объеме и ее переуплотнения до бесконечно большой плотности.

Во время большого взрыва был сгенерирован весь водород и небольшая часть гелия, которые и пошли на строительство вселенной.

Считается, что неравномерное, очаговое охлаждение расширяющейся области БВ, заполненной плазмой водорода и гелия, приводило к образованию огромных сгустков, давших начало ранним протозвездно-планетным системам и ранним звездам (протозвездам, представителем которых являлось прото-Солнце).

ii. Расширяющаяся вселенная;

Вселенная состоит из множества Галактик – гигантских скоплений звезд, имеющих спиральное уплощенное строение и объединяющих миллионы, миллиарды, триллионы отдельных звезд в пространстве галактик, заполненном звездной пылью. Первоначальный радиус Вселенной оценивается в 15 млн. световых лет. В результате ее расширения в настоящее время самые удаленные галактики находятся на расстоянии в 10 млрд. световых лет.

b. Строение атомных ядер. Изотопы;

Согласно современным представлениям квантовой физики атом имеет «гелиоцентрическое» строение. В центре атома расположено положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Размер атома в среднем составляет 10^{-8 см, а размер ядра от 2 до 9*10-13 см.}

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, которым определяется число орбитальных электронов в нейтральном атоме. Заряд нейтронов равен нулю.

В 1913г. английский физик Мозли разработал метод экспериментального определения зарядов ядер химических элементов на основе анализа их рентгеновских спектров и ввел термин «атомный» номер химического элемента. Им было установлено, что заряды ядер элементов изменяются в соответствии с их порядковым номером в периодической системе таблицы Менделеева, и номер элемента соответствует количеству протонов в ядре его атома.

Таким образом, ядро водорода (№ 1) содержит один протон. Атомный вес протонов и нейтронов принят равным единице.

Нейтроны в ядре атома размещаются неплотно в промежутках между протонами, и все вместе движутся по независимым орбитам; таким образом, ядро, как и сам атом, имеет также оболочечное строение, и плотность внутри ядра распределяется благодаря этому равномерно.

Таким образом номер элемента в таблице Менделеева отвечает количеству протонов в ядре, положительному заряду ядра и количеству электронов вращающихся на его орбитах.

Протоны и нейтроны ядра атома, объединяемые термином нуклоны, связаны соотношением A = Z + N, где А – главное массовое число-сумма протонов и нейтронов в ядре атома, Z – количество протонов в ядре-заряд ядра-порядковый номер элемента, N – количество нейтронов (N=А – Z) в ядре. Если количество протонов (заряд ядра) для данного элемента постоянно, то количество нейтронов в ядрах одного элемента может меняться: ядра (разновидности) одного и того же элемента, различающиеся количеством нейтронов, называются изотопами. Следовательно, изотопы одного элемента, обладая одинаковыми химическими свойствами, различаются их атомными весами.В изотопном анализе принято главное массовое число записывать слева вверху символа элемента. Например, ¹⁸O означает восемнадцатый, мало распространенный изотоп кислорода, ядро которого содержит 8 протонов и 10 (18–8=10) нейтронов. Всего в системе таблицы Менделеева известно 340 естественных изотопов, из которых 273 стабильных, а остальные – радиоактивны.

c. Происхождение химических элементов;

Как уже отмечалось выше во время большого взрыва были образованы только атомы водорода и гелия. Согласно современным представлениям ядерной физики остальные элементы таблицы Менделеева были сгенерированы из атомов водорода в результате термоядерных реакций при образовании и эволюции звезд.

Масса звезды определяет величину гравитационных сил сжатия, что определяет максимально достижимую температуру и плотность в центре звезды. Поэтому полная последовательность ядерных реакций синтеза возможна лишь в массивных звездах (табл. 1).

Протозвезда синтез дейтерия – начало термоядерных реакций

p → n + e⁺ → n + p → D + υ

p + ē → n + p → D + υ

D + p → ³He + υ; ³He + ³He → ⁴He + 2 p + υ,

(D=²H): ²H + ²H → ³He + n + Q (3,26 МэВ)

Согласно существующим представлениям, синтез дейтерия является необходимым звеном в синтезе более тяжелых ядер последующих химических элементов таблицы Менделеева, сопровождающемся выделением колоссальной энергии.

Звезда - Горение водорода (1 000 000^O K)

¹²C+¹H → ¹³N → ¹³C + e⁺ + υ;

¹³C+¹H → ¹⁴N;

¹⁴N+¹H → ¹⁵O → ¹⁵N + e⁺ + υ;

¹⁵N+¹H → ¹²C +⁴He;

4¹H →⁴He + υ

Синтез гелия из водорода обычно связывается с цепью реакций азотно-углеродного цикла.

Дефект массы

Масса изотопов всегда несколько меньше, если их составлять из атомов водорода. Эта разница носит название дефекта масс и имеет очень важное значение для объяснения устойчивости атомов и связанной с ней распространенности элементов. Устойчивость ядра связана с дефектом массы

Горение He (100 000 000^O K)

3⁴He → ¹²C;

¹²C + ⁴He → ¹⁶O;

¹⁶O + ⁴He → ²⁰Ne

Захват ⁴He атомами ¹⁶O и ²⁰Ne → ²⁴Mg, ²⁸Si, ³²S, ³⁶Ar, ⁴⁰Ca.

Горение C, O, Si с образованием элементов вплоть до Fe.

1. Н – сгорание водорода с образованием Не.

2. N – горение водорода при высоких температурах.

3. Не – горение Не с образованием С¹², О¹⁶, Nе²⁰. Процессы с α-частицами, при которых образуются Mg²⁴, Si²⁸, S³², Ar³⁶, Ca⁴⁰, в результате последовательного захвата α-частиц ядрами O¹⁶ и Ne²⁰.

4. С – взрывное горение углерода.

5. О – взрывное горение кислорода.

6. Si – взрывное горение кремния.

7. n – обогащение нейтронами продуктов горения кремния.

8. Равновесный Е-процесс – статическое равновесие между ядрами, протонами и нейтронами при высокой температуре объясняющее пик распространенности для Fe.

9. s-процесс медленного захвата нейтронов с образованием элементов до Вi²⁰⁹ включительно.

10. r-процесс быстрого захвата нейтронов с образованием элементов до Cf²⁵⁴ с периодом полураспада 60 дней. За это время затухает вспышка сверхновой. Например, r-процесс в уменьшенном масштабе возникает при взрыве водородной бомбы, когда U²³⁸ подвергается действию мощного потока нейтронов, в большом – при вспышке сверхновых.

11. р-процесс, при котором образуются богатые протонами ядра.

12. х-процесс с образованием Li, Вe и В путем взаимодействия космических лучей с атомными ядрами межзвездной среды.

13. U-процесс космологического нуклеосинтеза до образования звезд.

Самые тяжелые ядра, как предполагают ученые, возникают при вспышке сверхновой звезды, в которую превращается старая звезда, когда после выгорания топлива внутри ее падает давление.