Дозвездная стадия эволюции Вселенной. Образование водорода и гелия

 

СОДЕРЖАНИЕ:

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………...3

1. Дозвездная стадия эволюции  Вселенной. Образование водорода и гелия.4

2. Эволюция звезд. Дальнейший  синтез химических элементов…………… 5

3. Эволюция Солнечной  системы и химические элементы……………………8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….11

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………………12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

На протяжении многих веков человек изучает различные явления природы, открывает один за другим ее законы. Однако еще и сейчас существует много сложных и интересных вопросов, один из которых – происхождение химических элементов, из которых состоит Природа.

Процесс образования химических элементов во Вселенной неразрывно связан с эволюцией Вселенной. Современные представления об эволюции Вселенной представлены в рамках модели горячей Вселенной.

Современный подход к объяснению основных наблюдаемых закономерностей химического и изотопного состава вещества Вселенной состоит в следующем. Изотопы всех элементов со значением массового числа образуются в звездах. Гелий и водород уже содержались в протозвездном веществе, из которого формировались первые звезды галактик, и за их образование ответственны реакции термоядерного синтеза на ранних стадиях расширения горячей Вселенной.

Среди первых поколений звезд преобладали массивные звезды, быстро заканчивавшие свою эволюцию выбросом значительной доли переработанного в ядерных реакциях и обогащенного тяжелыми элементами вещества в межзвездное пространство, где оно входило в состав исходного материала для формирования следующих поколений звезд.

В данной работе подробно рассматриваются этапы химической эволюции Вселенной.

 

1. Дозвездная стадия эволюции  Вселенной. Образование водорода  и гелия

 

Химическая эволюция во Вселенной началась с появления атомов более массивных, чем первичные водород и гелий. По современным представлением химические элементы не всегда были во Вселенной, а возникли на определенном этапе ее развития. В соответствии с теорией Большого взрыва, Вселенная возникла 13,7 миллиардов лет назад. В первые  моменты  после  Большого взрыва плотность и температура во Вселенной были чрезвычайно большими и весь мир галактик находился в  пространственной области, имеющей атомные размеры. В этих условиях существование привычной нам материи и стабильных элементарных частиц, из которых Вселенная состоит в настоящее время, было невозможно.  Первичной материей был свет – чрезвычайно коротковолновое электромагнитное излучение [1, с. 71-72]. 

Спустя десять секунд после начала Большого взрыва (начала расширения Вселенной) температура понизилась до 10 миллиардов градусов, появились стабильные материальные частицы: протоны, нейтроны и электроны. С этого времени стала возможной ядерная реакция слияния протона и нейтрона с образованием ядер дейтерия.

Дейтоны при столкновениях стали превращаться в ядра гелия. На этой дозвездной стадии эволюции ядра других элементов в результате термоядерного синтеза не успели образоваться, так как температура непрерывно расширяющейся Вселенной быстро падала.

Таким образом,  первичное вещество Вселенной - это плотная высокотемпературная плазма, состоящая из электронов и ядер водорода, дейтерия и гелия.

 

 

 

2. Эволюция звезд. Дальнейший  синтез химических элементов

 

Механизм образования и эволюции основных объектов Вселенной - звезд, изучен наиболее xopoшо. При остывании Вселенной до температуры 3500 К (приблизительно через 1 млн. лет) [2] происходит рекомбинация ядер гелия и оставшихся ядер водорода с электронами: образуются атомы гелия и водорода - исходный материал для межзвездного газа и звездных систем.

Космическая  плазма,  поглощающая свет, исчезла и Вселенная стала прозрачной, проницаемой для световых лучей. 

Первичный космический газ неустойчив из-за гравитации. Тепловое движение атомов приводит к возникновению флуктуаций плотности  вещества как в малых, так и в больших масштабах. За счет сил гравитационного притяжения газ начинает сгущаться во вращающиеся облака, из которых формируются галактики и звезды. Звезды первого поколения называют «протозвездами» [1, с. 72]. Дальнейший синтез вещества продолжается уже в недрах протозвезд, где возникают новые, более массивные чем гелий ядра химических элементов.

Гравитационное сжатие вещества звезды приводит к повышению температуры в центре звезды до сотен миллионов градусов. В результате там начинаются термоядерные реакции образования тяжелого водорода – дейтерия и гелия. Эти  реакции  протекают с выделением энергии,  которое  приводит к еще большему росту температуры и служит основным источником энергии звезд.

По мере того, как водород в ее центре «выгорает», звезда сжимается, температура в центре звезды повышается и начинаются реакции  образования ядер углерода (12С) и кислорода (1бО) (термоядерная эпоха образования таких ядер Т< 100 млн К) [3, с. 91].

Дальнейшее слияние ядер гелия приводит к образованию ядер неона (20Ne), магния (24Mg) и т.п. с массами ядер кратными четырем массам протона [1; 2]. 

Постепенное возрастание температуры до 1 млрд К в звезде приводит к синтезу все более тяжелых ядер до алюминия (27А1) и кремния (28Si) [1; 4].  При температуре в звезде выше 30 млрд К синтезируются элементы с самыми стабильными ядрами вплоть до самых стабильных ядер железа. При этом достигается минимум энергии всей системы, и более тяжелые ядра не синтезируются. Все эти реакции происходят с выделением энергии в виде кинетической энергии частиц и гамма-квантов.

  Образование ядер  массивнее железа происходит  уже не с выделением, а с  поглощением энергии. Это ядерные  реакции с захватом ядрами  нейтронов и последующим бэта-распадом. Так, захват ядром тантала 181 нейтрона приводит к образованию радиоактивного изотопа тантала 182. В результате бэта-распада (ядерной реакции, в которой ядро испускает электрон) это ядро превращается в вольфрам 182. Захват нейтронов ядрами вольфрама приводит к образованию новых, более тяжелых изотопов вольфрама. Радиоактивный вольфрам 185 при бэта-распаде превращается в ядро рения [1; 4].

В подобных процессах в качестве самого массивного элемента возникает нуклид висмута 209 [1, с. 73]. Еще более тяжелые ядра оказываются радиоактивными и распадаются с испусканием альфа-частицы. Поэтому  процесс  последовательного увеличения массы ядер внутри звезды за счет  захвата нейтронов имеет предел.

Ядра, более тяжелые, чем висмут 209, вплоть до урана синтезируются во время взрывов новых и сверхновых звезд в условиях огромной плотности нейтронных потоков, когда возможен захват ядрами нейтронов не по одному, а группами.

Высокая температура во время взрыва достаточна, чтобы при столкновениях происходило также слияние ядер элементов с образованием тяжелых ядер урана. 

Когда в недрах звезды все ядерные реакции затухают, ничто уже не может препятствовать ее гравитационному сжатию, и оно происходит катастрофически быстро. Верхние слои падают к центру с ускорением свободного падения (величина его на многие порядки превосходит земное ускорение падения), выделяя огромную гравитационную энергию. Вещество сжимается. Часть его, переходя в новое состояние высокой плотности, образует звезду-остаток, а часть (большая) выбрасывается в пространство в виде отраженной ударной волны с огромной скоростью. Помимо гравитационной энергии в кинетическую энергию ударной волны вносит свой вклад и термоядерное догорание части оставшегося во внешних слоях звезды водорода, когда падающий газ сжимается вблизи звездного ядра (взрыв грандиозной «водородной бомбы» [3. c. 99]. Так происходит взрыв сверхновой звезды.

Взрыв заканчивающей свою жизнь звезды выбрасывает в пространство огромное количество разнообразных элементов тяжелее водорода и гелия, которые смешиваются с галактическим газом. При  охлаждении  газового  облака  в  условиях  космического  вакуума однородные атомы слипаются в частички пыли. Разнородные атомы объединяются в молекулы. Таким  образом произошло образование вещества, содержащего все многообразие  химических элементов и во Вселенной началась химическая эволюция.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Эволюция Солнечной  системы и химические элементы

 

Сравнение химического состава Солнца и химического состава звездного вещества позволяет заключить, что все описанные выше процессы синтеза ядер имели место в Солнечной системе, причем первоначальная масса образовавшейся в нашем участке Галактики звезды превышала критическую (равную 1,44 массы Солнца), и она оказалась неустойчивой. Под действием гравитационного притяжения протозвезда сжималась, ее температура повышалась, обеспечивая первые этапы ядерного синтеза. Выделяющаяся при этом энергия оказалась слишком велика, вследствие чего через некоторое время происходил взрыв и образовывались ядра самых тяжелых элементов. Масса звезды уменьшалась за счет выброса вещества. Этот процесс повторялся неоднократно до тех пор, пока масса центральной массивной звезды не стала ниже критического предела. Такой механизм обеспечивает интервал времени, достаточный для химической, геолого-географической и биологической эволюции [5].

В настоящее время многие исследователи полагают, что планеты Солнечной системы образовались из солнечной материи, выброшенной из Солнца, когда оно становилось сверхновой звездой. Охлаждение образовавшейся вокруг Солнца дискообразной газовой туманности дало возможность для соединения атомов в молекулы, т.е. началась собственно химическая эволюция.

Молекулы не могли образоваться при звездных температурах, когда большинство атомов существует в виде многозарядных ионов (например, в солнечной короне при 1 млн К атомы железа являются ионами (Fe13+) [2]. При этом в межзвездном пространстве присутствует большое количество молекул, в том числе достаточно сложных. Предполагается, что состав указанных молекул соответствует составу первых молекул, образовавшихся в результате охлаждения звездного вещества.

Когда температура протопланетной туманности понизилась до 1000-1800 К, начали конденсироваться, т.е. становиться жидкими и твердыми, самые тугоплавкие вещества, в частности образовались капельки железа, а впоследствии и силикатов (солей кремниевых кислот).

При температурах 400-1000 К конденсировались другие металлы и их соединения с серой и кислородом. Застывшие капли силикатного материала в виде хондр (маленьких сферических тел) образовали, при последующем сгущении множество астероидов - первичных тел хондритовых метеоритов [2, с. 101]. В результате дифференциации первичного газа под действием солнечного ветра (истечения плазмы солнечной короны в межпланетное пространство) и градиента температур атомы наиболее легких элементов были отброшены на периферию Солнечной системы и расположенные ближе к Солнцу планеты земного типа возникли путем сгущения наиболее высокотемпературной фракции с повышенным содержанием железа.

Первичная атмосфеpa Земли содержала в основном простейшие соединения водорода Н2, H2О, NH3,CH4. Кроме этого, атмосфера была богата инертными газами, прежде всего гелием и неоном. Существенное влияние на химические реакции в первичной атмосфере Земли оказывало Солнце своим ультрафиолетовым излучением, которое не задерживалось в атмосфере в связи с отсутствием озона [5]. Немаловажное значение на химическую эволюцию оказали не только электрические разряды и ультрафиолетовое излучение Солнца, но и вулканическое тепло, ударные волны, радиоактивный распад калия К (доля энергии распада калия примерно 3 млрд лет назад на Земле была второй, после энергии ультрафиолетового излучения Солнца). В результате различных воздействий в атмосфере Земли появились: вода, метан, аммиак, окись углерода, аммонийные и фосфатные соединения, превратившиеся в высокоорганизованные структуры – аминокислоты [4]. Первичная атмосфера Земли существовала не более 1 млрд лет [2].

В настоящее время обилие благородных газов на Земле ничтожно мало, что означает, что они в свое время диссонировали в межпланетное пространство. Современная атмосфера Земли имеет вторичное происхождение. Первое время химический состав атмосферы мало отличался от первичной. После образования гидросферы из атмосферы практически исчез аммиак NH3, растворившийся в воде, атомарный и молекулярный водород улетучился в межпланетное пространство, атмосфера была насыщена преимущественно азотом N. Насыщение атмосферы кислородом происходило постепенно, сначала благодаря диссоциации молекул воды ультрафиолетовым излучением Солнца, затем, и главным образом, благодаря фотосинтезу растений.

Не исключено, что некоторое количество органических веществ было принесено на Землю при падении метеоритов и, возможно, даже комет.

С формированием Земли как планеты на химическую эволюцию стала оказывать действие эволюция Земли. Это влияние выражалось (и выражается в настоящее время) в изменении концентрационного распределения химических элементов в теле Земли и по ее оболочкам (в атмосфере, гидросфере, коре, мантии, ядре), а также в создании условий (температура, давление) для образования новых веществ.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Таким образом, в ходе исследования представленной проблемы стало ясно, что синтез химических элементов может протекать на всех стадиях развития звезд в тесной связи с ядерными реакциями, которые обеспечивают светимость звезд, их химический состав и эволюцию.

Проблема образования химических элементов имеет большое значение в познании процессов синтеза химических элементов в природе и их осуществления в лабораторных условиях.