«Космическая» распространенность элементов и их изотопов

В целом в гидросфере, литосфере и атмосфере преобладают химические элементы с малой атомной массой, ядра которых содержат малое количество протонов и нейтронов. Распространенность химических элементов в земной биосфере связана не с земными причинами, а с явлениями космического характера, унаследованными от космической стадии существования протопланетного облака плазмы (свыше 4,5 млрд лет назад).

При понижении температуры протопланетного облака в первую очередь синтезировались легкие ядра, содержащие четное число протонов и нейтронов. Такие ядра обладают наибольшей устойчивостью к распаду. Синтез тяжелых ядер был наименее вероятен, так как образующиеся ядра тяжелых элементов оказывались наименее устойчивыми и распадались. Некоторая часть ядер не успела распасться и сохранилась до нашего времени – радиоактивные элементы. Самые легкие элементы водород Н и гелий Не улетучились в мировое пространство, часть водорода вошла в состав воды.

Распространенность химических элементов – определяется синтезом их ядер, происходящим по разным термоядерным реакциям в недрах звезд. Стадия эволюции звезды (ее температура)    определяет характер этого синтеза. Согласно наиболее распространенным космогоническим гипотезам, при образовании Солнца из сжимающейся и вращающейся туманности на заключительной стадии сжатия от центрального сгущения отделилась значительная масса горячей плазмы, которая образовала вокруг него протопланетное облако в виде диска. Облако быстро охлаждалось, и в нем возникла спонтанная конденсация вещества. В результате многостадийных реакций (конденсационный рост ядер, их коагуляция, процессы аккреции и агломерации) газовое облако превратилось в газопылевое. Одновременно происходила потеря облаком газов в космическое пространство. Холодное газопылевое облако в силу ротационной неустойчивости разбилось на ряд сгущений – протопланет, которые адиабатически сжимались. Благодаря этому процессу из холодного вещества протопланетного облака образовались планеты земного типа и астероидный пояс с астероидами и метеоритами. Наконец, на периферии протопланетного облака происходила при очень низких абсолютных температурах конденсация отлетевших газов (Н, Не, NH3, CH4 и др.), образовавших большие планеты – Юпитер, Сатурн, Нептун, Уран.

Непосредственное определение общего состава планеты невозможно, однако астрономические (спектральные) данные о составе Солнца и данные о химическом составе каменных метеоритов (наиболее распространенных – хондритов) позволяют судить о распространенности химических элементов на Земле и на др. планетах. Из табл. 1 видно, что распространенность элементов на Солнце и в метеоритах практически совпадает. 

 Таблица 1

Распространенность химических элементов на Солнце и в каменных метеоритах

(хондритах) (SMg– число атомов данного элемента на 106 атомов магния)

 

Элементы

Солнце

Метеориты

lg SMg

S Mg

lg SMg

S Mg

1

H

10,64

4,4×1010

-

 

3

Li

<-0,46

<3,4×10-1

1,54

3,5×101

4

Be

0,98

9,55

-0,14

7,19×10-1

5

B

2,24

1,7×102

1,18

1,50×101

6

C

7,15

1,4×107

4,30

2,02×104

7

N

6,70

5,0×106

2,54

3,47×102

8

O

7,47

3,0×107

6,55

3,54×106

9

F

-

-

3,01

1,02×103

11

Na

4,94

8,7×104

4,69

4,93×104

12

Mg

6,00

1,0×106

6,00

1,00×106

13

Al

4,84

6,9×104

4,89

7,81×104

14

Si

6,34

2,2×106

6,01

1,04×106

5,88

7,6×105

 

 

15

P

3,98

9,6×103

3,72

5,23×103

16

S

5,94

8,7×105

5,00

1,01×105

17

Cl

-

-

2,50

3,20×102

19

K

3,34

2,2×103

3,55

3,52×103

20

Ca

4,68

4,8×104

4,75

5,66×104

21

Sc

1,49

3,1×101

1,46

2,88×101

22

Ti

3,45

2,8×103

3,34

2,20×103

3,27

1,9×103

 

 

Наиболее распространенные элементы (изотопы) имеют четные по протонам и четные по нейтронам ядра:

и многие др. Элементы с четно-нечетным числом протонов или нейтронов занимают среднее место. Элементы с нечетным числом протонов и нейтронов имеют очень малую распространенность, например,

Распространенность элементов с четными порядковыми номерами больше соседних с нечетными номерами. Легкие элементы Li, Be, B находятся в дефиците, поскольку «сгорают» в реакциях с протонами. Ядра элементов конца Менделеевской системы имеют огромный избыток нейтронов и потому неустойчивы. Эти элементы претерпевают радиоактивный распад (U, Th, Ra и др.)   и спонтанное деление (U, Th, некоторые актиниды).

Из данных о химическом составе оболочек Земли следует, что Земля имеет метеоритный состав. Метеориты разделяются на каменные (хондриты и более редкие ахондриты), железные     (из Fe – Ni сплава) и смешанные.

Хондриты потеряли все летучие вещества, кроме тех, которые прочно вошли в соединение с твердым веществом метеоритов – H2O, FeS, С, NH3 и др. Таким образом, их твердое вещество по распространенности элементов отвечает солнечному составу: Mg, Si, Fe, О занимают первые места (по числу атомов Si/Mg = 1), затем S, Al, Са и др. Силикатная фаза хондритов состоит преимущественно из мета- и ортосиликатов пироксенов (MgSiO3) и оливинов [(Mg, Fe)2SiO4], то есть, является тройной системой MgO, SiO2, FeO.

Каменные метеориты – многофазные системы; помимо главных фаз – силикатной и металлической (сплав Fe – Ni), они имеют еще сульфидную, хромитную, карбидную, фосфидную фазы. Отношение силикатной и металлической фаз в разных метеоритах варьируется. Многие ученые, исходя из аналогии с метеоритами, считают, что планеты земного типа имеют также силикатную фазу и металлическое ядро, причем отношения между этими фазами у разных планет различны. По этой гипотезе, Земля имеет около 31% металлической фазы, или около 40% Fe (включая окисленное).

Будет полезно почитать по теме: