Распространение химических элементов на Земле и в космосе. Образование химических элементов в процессе первичного нуклеосинтеза и в недрах звезд.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 20 г. Краснодара

 Распространение химических элементов на Земле и в космосе. Образование химических элементов в процессе первичного нуклеосинтеза и в недрах звезд.

Реферат по физике

                                                                         Выполнен ученицей:

10 «Б» класса МБОУ СОШ № 20 г. Краснодара

Бовыка Валентиной

Учитель:

                                                Скрылева Зинаида Владимировна

                                                                              Краснодар

                                                                                    2016

 Содержание

1. Химия космоса, что изучает химия космоса.
2. Некоторые термины.
3. Химический состав планет Солнечной системы и Луны.
4. Химический состав комет, метеоритов.
5. Первичный нуклеосинтез.
6. Другие химические процессы во вселенной.
7. Звезды.
8. Межзвездная среда
9. Распространенность химических элементов в космосе
10. Список использованных ресурсов

Химия космоса. Что изучает химия космоса?

Предметом изучения химии космоса является химический состав космических тел (планет, звезд, комет и т.д), межзвездного пространства,  а также химические процессы, которые происходят в космосе.

Химия космоса занимается преимущественно процессами, протекающими при атомно-молекулярном взаимодействии веществ, а нуклеосинтезом внутри звезд занимается физика.

Некоторые термины

Для простоты восприятия следующего материала необходим словарь терминов.

Звезды – светящиеся газовые массивные шары, в недрах которых протекают реакции синтеза химических элементов.

Планета – небесные тела, которые вращаются по орбитам вокруг звезд или их остатков.

Кометы – космические тела, которые состоят из замороженных газов, пыли.

Метеориты – малые космические тела, попадающие на Землю из межпланетного пространства.

Метеоры – явления в виде светящегося следа, которое обусловлено попаданием в атмосферу Земли метеорного тела.

Межзвездная среда – разряженное вещество, электромагнитное излучение и магнитное поле, заполняющие пространство между звездами.

Основные компоненты межзвездного вещества: газ, пыль, космические лучи.

Нуклеосинтез – процесс образования ядер химических элементов (тяжелее водорода) в ходе реакций ядерного синтеза.

Химический состав планет Солнечной системы и Луны

Планеты Солнечной системы – это небесные тела, вращающиеся вокруг звезды под названием Солнце.

Солнечная система состоит из 8 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

Рассмотрим каждую планету в отдельности.

Меркурий

Самая близкая планета к Солнцу в Солнечной системе, самая маленькая планета. Диаметр Меркурия составляет примерно 4870 км.

Химический состав

Ядро планеты – железное, ферромагнитное. Содержание железа = 58%

Атмосфера по одним данным состоит большей частью из азота (N2) с примесью углекислого газа (CO2), по другим – из гелия (He), неона (Ne) и аргона (Ar).

Венера

Вторая планета Солнечной системы. Диаметр ≈ 6000 км.

Химический состав

Ядро железное, мантия содержит силикаты, карбонаты.

Атмосфера состоит на 97% из углекислого газа (CO2), остальное приходится на азот (N2), воду (H2O) и кислород (O2).

Земля

Третья планета Солнечной системы, единственная планета Солнечной системы с наиболее благоприятными условиями для жизни. Диаметр примерно 12500 км.

Химический состав

Ядро железное. Земная кора содержит кислород O2 (49%), кремний Si (26%), алюминий Al (4,5%), а также другие химические элементы. Атмосфера на 78% состоит из азота (N2), на 21% из кислорода (O2) и на 0,03% из углекислого газа (CO2), остальное приходится на инертные газы, пары воды и примеси. Гидросфера состоит в большей степени из кислорода O2 (85,82%), водорода H2 (10,75%) и других элементов. В состав всех живых существ обязательно входит углерод (C).

Марс

Марс – четвертая планета Солнечной системы. Диаметр примерно 7000 км

Химический состав

Ядро железное. В коре планеты содержатся оксиды железа и силикаты.

Юпитер

Юпитер – пятая планета от Солнца. Самая крупная планета солнечной системы. Диаметр более 140000 км.

Химический состав

Ядро – сжатые водород (H2) и гелий (He). В атмосфере содержатся водород (H2), метан (CH4), гелий (He), аммиак (NH3).

Сатурн

Сатурн – шестая планета от Солнца. Имеет диаметр около 120000 км.

Химический состав

Данных о ядре и земной коре нет. Атмосфера состоит из тех же газов, что и атмосфера Юпитера.

Уран и Нептун

Уран и Нептун – седьмая и восьмая планеты соответственно. Обе планеты имеют примерный диаметр 50000 км.

Химический состав

Данных о ядре и коре нет. Атмосфера образована метаном (CH4), гелием (He), водородом (H2).

Луна

Луна – спутник Земли, ее сырьевая база. Лунный грунт называют реголитом, в ее состав входят оксид кремния (IV), оксид алюминия и оксиды других металлов, много урана, нет воды.

Химический состав комет, метеоритов

Метеориты

Метеориты бывают железными, железно-каменными и каменными. Чаще всего на Землю падают именно каменные метеориты. В среднем по подсчетам на каждый железный метеорит приходится 16 каменных.

Химический состав железных метеоритов: 90% железа (Fe), 8,5%  никеля (Ni), 0,6% кобальта (Co) и 0,01% кремния (Si).

Каменные метеориты в основном состоят из кислорода (02) (41%) и кремния (Si) (21%).

Кометы

Кометы представляют собой твердые тела, которые окружены газовой оболочкой. Ядро состоит из замороженных метана (CH4) и аммиака (NH3) с минеральными примесями. В газовых кометах было обнаружено множество радикалов и ионов. Наиболее современные наблюдения проводились за кометой Хейла-Боппа, в ее состав входили сероводород, вода, тяжелая вода, сернистый газ, формальдегид, метанол, муравьиная кислота, циановодород, метан, ацетилен, этан, фостерит и другие соединения.

Первичный нуклеосинтез

Для рассмотрения первичного нуклеосинтеза обратимся к таблице.

Сущность первичного нуклеосинтеза сводится к образованию из нуклонов ядер дейтерия, из ядер дейтерия и нуклонов – ядер гелия с массовым числом 3и трития, а из ядер 3Не, 3Н и нуклонов – ядер 4Не.

Другие химические процессы во Вселенной

При высоких температурах (в околозвездных пространствах температура может достигать порядка нескольких тысяч градусов) все химические вещества начинают распадаться на составляющие – радикалы (СН3 С2, СН и т.д.) и атомы (Н, О и т.д.)

Звезды

Звезды различаются по массе, размерам, температуре, светимости.

Наружные слои звезд состоят в основном из водорода, а также из гелия, кислорода и других элементов (С, Р, N, Ar, F, Mg и т.д)

Звезды субкарлики состоят из более тяжелых элементов: кобальт, скандий, титан, марганец, никель и т.д.

В атмосфере звезд гигантов могут встречаться не только атомы химических элементов, но и молекулы тугоплавких оксидов (например, титана и циркония), а также некоторые радикалы: CN, CO, C2

Химический состав звезд изучают спектроскопическим методом. Таким образом, на Солнце были найдены железо, водород, кальций и натрий. Гелий был впервые найден именно на Солнце, а позднее уже обнаружен в атмосфере планеты Земля. В настоящее время в спектрах Солнца и других небесных тел найдено 72 элемента, все эти элементы обнаружены и на Земле.

Источником энергии звезд являются термоядерные реакции синтеза.

На первом этапе жизни звезды в ее недрах происходит превращение водорода в гелий

41Н →4Не

Затем гелий превращается в углерод и кислород

34Не→ 12С

44Не→16О

На следующем этапе топливом являются углерод и кислород, в альфа процессах образуются элементы неона до железа. Дальнейшие реакции захвата заряженных частиц являются эндотермическими, поэтому нуклеосинтез останавливается. Из-за остановки термоядерных реакций нарушается равновесие железного ядра, начинается гравитационное сжатие, часть энергии которого расходуется на распад ядра железа на α-частицы и нейтроны. Этот процесс называется гравитационным коллапсом и протекает около 1 с. В результате резкого повышения температуры в оболочке звезды происходят термоядерные реакции горения водорода, гелия, углерода и кислорода. Выделяется огромное количество энергии, что приводит к взрыву и разлету вещества звезды. Это явление называется сверхновой. При взрыве сверхновой выделяется энергия, которая придает частицам большое ускорение, потоки нейтронов бомбардируют ядра элементов, которые образовались ранее. В процессе нейтронных захватов с последующим β-излучением происходит синтез ядер элементов тяжелее железа. До этой стадии доходят только наиболее массивные звезды.

Во время коллапса идет образование нейтронов из протонов и электронов по схеме:

+11р + -10е →10n + v

Образуется нейтронная звезда.

Ядро сверхновой может превратиться в пульсар – ядро, которое вращается с периодом в доли секунды и излучает электромагнитное излучение. Ее магнитное поле достигает колоссальных размеров.

Также возможно, что большая часть оболочки преодолевает силу взрыва и падает на ядро. Получая дополнительную массу, нейтронная звезда начинает сжиматься до образования «черной дыры».

Межзвездная среда

Межзвездная среда состоит из газа, пыли, магнитных полей и космических лучей. Поглощение излучения звезд происходит за счет газа и пыли. Пыль межзвездной среды имеет температуру 100-10 К, температура межзвездного газа может колебаться в пределах от 10 до 107 К и зависит от плотности и источников нагрева. Межзвездный газ может быть как нейтральным, так и ионизированным (Н20, Н0, Н+, е -, Не0).

Первое химическое соединение в космосе было обнаружено в 1937 году с помощью спектроскопии. Этим соединением был радикал СН, через несколько лет был найден циан CN, а в 1963 году обнаружили гидроксил ОН.

С применением в спектроскопии радиоволн и инфракрасного излучения стало возможным изучение «холодных» участков космического пространства. Сначала были обнаружены неорганические вещества: вода, аммиак, угарный газ, сероводород, а потом органические: формальдегид, муравьиная кислота, уксусная кислота, уксусный альдегид и муравьиный спирт. В 1974 году в космосе нашли этиловый спирт. Потом японскими учеными был обнаружен метиламин CH3-NH2.

В межзвездном пространстве движутся потоки атомных ядер – космические лучи. Около 92% из этих ядер составляют ядра водорода, 6% - гелия, 1%  - ядра более тяжелых элементов. Считается, что космические лучи образуются вследствие взрыва сверхновых.

Пространство между космическими телами заполнено межзвездным газом. Он состоит из атомов, ионов и радикалов, а также в ее состав входит пыль. Доказано существование таких частиц как: CN, CH, OH, CS, H2O, CO, COS, SiO, HCN, HCOOH, CH3OH и другие.

Столкновение частиц космического излучения, солнечного ветра и межзвездного газа приводит к образованию разнообразных частиц, в том числе и органических.

При столкновении протонов с атомами углерода образуются углеводороды. Из силикатов, карбонатов и различных оксидов образуется гидроксил OH.

Под действием космических лучей в атмосфере Земли образуются такие изотопы, как: углерод с массовым числом 14 14С, бериллий, массовое число которого равно 10 10Ве, и хлор с массовым числом 36 36Cl.

Изотоп углерода с массовым числом 14 накапливается  в растениях, кораллах, сталактитах. Изотоп бериллия с массовым числом 10 – в донных отложениях морей и океанов, полярном льду.

Взаимодействие космического излучения с ядрами земных атомов дает информацию о процессах, протекающих в космосе. Этими вопросами занимается современная наука – экспериментальная палеоастрофизика.

К примеру, протоны космических лучей, сталкиваясь с молекулами азота в воздухе, разбивают молекулу на атомы, и протекает ядерная реакция:

714N + 11H→224He + 47Be

В результате этой реакции образуется радиоактивный изотоп бериллия.

Протон в момент столкновения с атомами атмосферы выбивает из этих атомов нейтроны, эти нейтроны взаимодействуют с атомами азота, что приводит к образованию изотопа водорода с массовым числом 3 – трития:

714N + 01n→13H + 612C

Тритий, подвергаясь β-распаду, выбрасывает электрон:

13H→-10e + 23He

Так образуется легкий изотоп гелия.

Радиоактивный изотоп углерода образуется в ходе захвата атомами азота электронов:

714N + -10e → 614C

Распространенность химических элементов в космосе

Рассмотрим распространенность химических элементов в галактике Млечный путь. Данные о наличии тех или иных элементов были получены путем спектроскопии. Для наглядного представления используем таблицу.

Для более наглядного представления обратимся к круговой диаграмме.

Как видно на диаграмме, самым распространенным элементом во Вселенной является водород, вторым по распространенности является гелий, а третьим – кислород. Массовые доли других элементов значительно меньше.

Список использованных ресурсов

1. Химия. 9 класс: сборник элективных курсов, сост. В.Г.Денисова. – Волгоград: Учитель, 2006.
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Космохимия
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Межзвездная_среда
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Звезда
5.  https://ru.wikipedia.org/wiki/Нуклеосинтез
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Распространенность_химических_элементов
7. https://ru.wikipedia.org/wiki/История_Вселенной