Теории образования Земли, глубинное строение ее внутренних оболочек и другие вопросы мироздания > О волновой природе напряжений и деформаций и механизме концентрации пи в земной коре
О волновой природе напряжений и деформаций и механизме концентрации пи
Устьянцев Валерий Николаевич:
Флюидодинамические процессы, (О.М. Борисов), инициируют процесс магмаобразования:
«Внегеосинклинальный телеорогенный ряд — плутоны.
Плутонические образования формируются в постскладчатое время, они выходят далеко за пределы складчатости, пересекая срединные массивы и платформы. Это зоны магматической «ревивации», и образуют глубинные подвижные зоны. В герцинский цикл сформировалось 90% плутонических тел региона. С юга на север количество их уменьшается, а с запада на восток — увеличивается. По данным магнитометрии и гравиметрии установлено, что с глубиной смежные тела составляют единое целое эллипсоидальной формы с крутыми контактами. Подошва плутонов расположена на глубинах до 10 км. На высокую химическую активность магмы указывают большое число в различной степени преобразованных ксенолитов и крупные каймы гибридных пород.
Отмечается четкая приуроченность гранитоидов к конгломератам, туфам и туфо-песчаникам. Основная масса магматических тел - 98,8%, находится в узком интервале геологической колонки (от ордовика до верхнего карбона) в пределах 6-8 км. мощностей (Тянь-Шань). От лакколитов, по разломам отходят апофизы. Корни приурочены к крупным разломам. Залегание лакколитов и плутонов контролируется межформационными отслоениями, куда они внедрялись под большим гидростатическим давлением (наблюдаются брахискладки). В результате расчетов магнитных аномалий [И.А. Фузайлов подтвердилась лакколитообразная морфология тел и их падение к северу.
Большинство тел имеют наклон к югу.
2) Собственно-геосинклинальный ряд плутонов развит только в пределах подвижного пояса.- Внегеосинклинальный вулканодуговой ряд плутонов развит только в пределах вулканических дуг. По петрохимическим особенностям ряд близок к вулканитам тех ярусов, формирование которых он завершает. Очевидно плутоны этого ряда имеют общие очаговые зоны в земной коре и общие генетические причины обусловившие тесную ассоциацию вулканитов и плутонов. Инъекционный ряд плутонических комплексов генетическую группу, в которую входят ульрамафиты и мафиты, обычно подверженные серптинизации. Тела плутонов, мафитов и ультрамафитов маркируют зоны генерации и миграции углеводородов. УВ локализуются в осадочных формациях впадин и прогибов (миграция УВ происходит по ослабленной апикальной зоне плутона, мощность которой достигает одного км и зонам тектонических нарушений). Данный процесс характеризуется как гидротермальный» [5].
«Высокая магмапродуктивность, как отмечают Р. Уайт и Д. Маккензи (1995), не может быть обеспечена плавлением на уровне литосферы, а требует привнесения материала из более глубоких горизонтов мантии» [5].
О.А. Богатиков (1985) отмечал, что «надо учитывать то обстоятельство, что более легкоплавкое вещество лейкосомы будет легче перемещаться при высокотемпературном (особенно водном) амфиболитовом метаморфизме, создавая тем самым впечатление большей древности меланосомы».
Состав слоев :
1. гранулиты — 40-50%, мигматиты и гнейсы — 20-30%, кристаллические сланцы — 10-20%, плагиоклазиты и гранитоиды — 10-15%;
2. плагиоклазиты и габбро-нориты — 50-60%, гранулиты и гнейсы — 20-30%, гранулитовые эклогиты — 10-20%;
3. серпентиниты — 20-40%, эклогитизированные породы и эклогиты — 60-80%;
4. гарцбургиты и эклогиты — до 80%, пироксениты и лерцолиты — до 15%, вебстериты и габбро — 5%;
5. аморфизованная слабо дифференциированая базальтово-пикритовая ассоциация.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Новые данные о возрасте и происхождении «подземного океана воды» в переходной зоне мантии Земли
18.07.2019. Международная научная группа под руководством геохимиков из Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского, Российской Академии Наук представила доказательства неожиданно раннего начала глобального рециклирования земной коры в глубинную мантию объясняющего происхождение высоких концентраций воды в переходной зоне мантии Земли на глубине 410-660 км. Глобальный цикл погружения океанической коры с поверхности Земли в глубинную мантию с последующим подъемом материала обратно к поверхности является одним из важнейших механизмов тектоники плит– уникальной черты нашей планеты в пределах Солнечной системы.
При этом длительное время широко обсуждаемым остается вопрос о том, в какой момент истории Земли, возраст которой более 4.5 миллиардов лет, началось функционирование этого механизма. В новой статье, опубликованной в журнале Nature (Sobolev et al., 2019), международная группа ученых из России (ГЕОХИ им. В.И. Вернадского РАН, Москва), Франции (UGA, ISTerre, Гренобль и CRPG, CNRS, Нанси), Германии (GEOMAR и CAU, Киль), Южной Африки (University of the Witwatersrand, Йоханнесбург) и США (Louisiana State University, Батон-Руж) представила геохимические данные, указывающие на то, что процесс глобального рециклирования был запущен гораздо раньше, чем предполагается большинством специалистов, и мог функционировать уже в течение первого миллиарда лет истории Земли. В начале 2000-х в работе Wilde et al., (2001) было показано, что морская вода присутствовала на поверхности Земли уже 4.4 миллиарда лет назад. Взаимодействие морской воды с породами земной коры приводит к образованию высоководных минералов, таких как серпентин, который также содержит хлор. При переносе этих минералов в глубинную мантию в процессе субдукции океанической коры растущие температуры и давления приводят к их дегидратации, т.е. преобразованию в другие менее водонасыщенные минералы, и потере большей части воды и хлора в виде флюида. Тем не менее, концентрации H2O и Cl, остающихся в этих минералах после дегидратации все еще на порядок превышают их содержания в типичных мантийных минералах (оливин, пироксен, гранат). Дегидратация имеет еще один значительный геохимический эффект. Дейтерий (D) – тяжелый изотоп водорода – в большей степени поступает во флюидную фазу воды, в то время как легкий изотоп-протий (1Н) в большей степени сохраняется в структуре минералов. Такое поведение изотопов водорода приводит к существенному уменьшению отношения D/1H в дегидратированных породах по сравнению с исходным материалом. Таким образом механизм переноса пород земной коры в глубинную мантию должен приводить к появлению уникальной геохимической метки мантийных пород: повышенным содержаниям воды и хлора и обедненному дейтерием изотопному составу водорода. Основным источником информации о составе земной мантии являются вулканические породы, кристаллизовавшиеся из мантийных магм, наиболее распространенными представителями которых сегодня являются базальты. Однако в архейский период на поверхность кроме базальтовых магм извергались значительно более горячие – коматиитовые магмы, возникшие в результате более значительного плавления мантийного субстрата, и поэтому более полно отражающие его состав (Arndt et al., 2008). Все известные образцы коматиитов претерпели постмагматические изменения и не сохранили информацию о составе летучих компонентов, таких как H2O и Cl. Но в этих породах сохранились реликты магматического минерала – оливина (силиката магния и железа), который, в свою очередь, содержит включения расплава, захваченного в процессе его кристаллизации.
Подобные включения, размеры которых составляют всего лишь десятки микрометров, хранят в себе подробную информацию о составе коматиитовых расплавов, включая данные о содержаниях H2O, Cl и изотопном составе водорода. Для того, чтобы извлечь эту информацию, необходимо провести гомогенизацию включений с помощью нагрева до температуры коматиитовой магмы (более 1500 оС) с последующей моментальной закалкой и получением чистого закалочного стекла, которое в дальнейшем используется для химических и изотопных анализов с применением высокоточных инструментов локального микроанализа, таких как электронный микрозонд, масс-спектрометрия с лазерной абляцией и ионный зонд. В 2016 году международная группа во главе с учеными из ГЕОХИ РАН изучила расплавные включения в оливине из коматиитов зеленокаменного пояса Абитиби, Канада возрастом 2.7 млрд. лет (Sobolev et al., Nature 2016). Ими были получены первые данные о содержаниях воды и подвижных компонентов (Rb, Ba, Cl, Pb, Sr) в коматиитовых расплавах, что послужило доказательством наличия избытка воды и хлора в глубинной мантии в неоархейской эры.
В этом исследовании было получено доказательство присутствие глубинного мантийного резервуара, содержащего несколько тысяч частей на миллион воды в составе высокобарических модификаций оливина – вадслеита и рингвудита, встречающихся на глубинах переходной зоны мантии (410-660 км). Таким образом был обнаружен древний подземный резервуар воды сравнимый по массе с современным земным океаном. Накопление такого количества воды могло произойти во время первичной аккреции Земли, либо в процессе ранней субдукции преобразованной морской водой коры, которая оказалась захвачена переходной зоной мантии.
Работа получила широкий отклик в Российской и международной прессе. . В новой статье в Nature (Sobolev et al., 2019) та же научная группа опубликовала данные изучения расплавных включений в оливине из коматиитов зеленокаменного пояса Барбертон, ЮАР возрастом 3.3 млрд. лет. Новое исследование показывает, что глубинный водосодержащий резервуар находился в мантии Земли уже в палеоархее, на 600 миллионов лет раньше, чем установлено в предыдущем исследовании. Также ученым удалось прояснить вопрос происхождения резервуара, используя первые данные по изотопии водорода в архейских расплавах. Крайне низкие отношения D/1H во включениях из оливинов Барбертон являются признаком дегидратированной океанической коры. Вместе с повышенными содержаниями воды и хлора эти данные свидетельствуют о том, что механизм рециклирования измененной морской водой коры в мантию функционировал более 3.3 миллиарда лет назад. Это означает, что уже в первый миллиард лет существования Земли включился глобальный оборот вещества, составляющий основу современной тектоники плит, а источником высокой воды в переходной зоне мантии являлся океан на поверхности планеты» (Sobolev, A. V., Asafov, E. V., Gurenko, A. A., Arndt, N. T., Batanova, V. G).
«Классификация ядерных реакций. Ядерные реакции являются эффективным средством изучения структуры атомных ядер. Если длина волны налетающей частицы больше размеров ядра, то в таких экспериментах получается информация о ядре в целом. Если меньше размеров ядра, то из сечений реакций извлекается информация о распределении плотности ядерной материи, строении поверхности ядра, корреляции между нуклонами в ядре, распределении нуклонов по ядерным оболочкам.
- Кулоновское возбуждение ядер под действием заряженных частиц относительно большой массы (протоны, α-частицы и тяжелые ионы углерода, азота) используется для изучения низколежащих вращательных уровней тяжелых ядер.
- Реакции с тяжелыми ионами на тяжелых ядрах, приводящие к слиянию сталкивающихся ядер, являются основным методом получения сверхтяжелых атомных ядер.
- Реакции слияния легких ядер при сравнительно низких энергиях столкновения (так называемые термоядерные реакции). Эти реакции происходят за счет квантовомеханического туннелирования сквозь кулоновский барьер. Термоядерные реакции протекают внутри звезд при температурах 107–1010 К и являются основным источником энергии звезд.
- Фотоядерные и электроядерные реакции происходят при столкновении с ядрами γ-квантов и электронов с энергией E > 10 МэВ.
- Реакции деления тяжелых ядер, сопровождающиеся глубокой перестройкой ядра.
- Реакции на пучках радиоактивных ядер открывают возможности получения и исследования ядер с необычным соотношением числа протонов и нейтронов, далеких от линии стабильности.
Классификацию ядерных реакций обычно проводят по типу и энергии налетающей частицы, типу ядер-мишеней и энергии налетающей частицы.
Реакции на медленных нейтронах
1934 г. Однажды утром Бруно Понтекорво и Эдуардо Амальди испытывали на радиоактивность некоторые металлы. Этим образцам была придана форма маленьких полых цилиндров одинаковой величины, внутри которых можно было поместить источник нейтронов. Чтобы облучать такой цилиндр, в него вставляли источник нейтронов, а затем всё помещали в свинцовый ящик. В это знаменательное утро Амальди и Понтекорво проводили опыты с серебром. И вдруг Понтекорво заметил, что с серебряным цилиндром происходит что-то странное: активность его не всегда одинакова, она меняется в зависимости от того, куда его поместят, в середину или в угол свинцового ящика. В полном недоумении Амальди и Понтекорво отправились доложить об этом чуде Ферми и Разетти. Франке был склонен приписать эти странности какой-нибудь статистической ошибке или неточным измерениям. А Энрико, считавший, что каждое явление требует проверки, предложил им попробовать облучить этот серебряный цилиндрик вне свинцового ящика и посмотреть, что из этого получится. И тут у них пошли совсем невероятные чудеса. Оказалось, что предметы, находящиеся поблизости от цилиндрика, способны влиять на его активность. Если цилиндрик облучали, когда он стоял на деревянном столе, его активность была выше, чем когда его ставили на металлическую пластинку. Теперь уже вся группа заинтересовалась этим и все приняли участие в опытах. Они поместили источник нейтронов вне цилиндрика и между ним и цилиндриком ставили разные предметы. Свинцовая пластинка слегка увеличивала активность. Свинец − вещество тяжелое. «Ну-ка, давайте попробуем теперь легкое! − предложил Ферми. − Скажем, парафин». Утром 22 октября и был произведен опыт с парафином. Они взяли большой кусок парафина, выдолбили в нем ямку, а внутрь поместили источник нейтронов, облучили серебряный цилиндрик и поднесли его к счетчику Гейгера. Счетчик, словно с цепи сорвался, так и защелкал. Все здание загремело возгласами: «Немыслимо! Невообразимо! Черная магия!» Парафин увеличивал искусственную радиоактивность серебра в сто раз. В полдень группа физиков неохотно разошлась на перерыв, установленный для завтрака, который обычно продолжался у них часа два… Энрико воспользовался своим одиночеством, и когда он вернулся в лабораторию, у него уже была готова теория, которая объясняла странное действие парафина.
1934 г. Реакции под действием тепловых нейтронов.
1934 г. Э. Ферми сформулировал теорию
β-распада и ввел новое понятие − слабое взаимодействие.
1942 г. Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомном реакторе.
Энрико Ферми
(1901–1954).
Ферми нашёл объяснение этого странного поведения отфильтрованных нейтронов. Эти нейтроны замедляются в результате многочисленных упругих столкновений с протонами, находящимися в парафине и у них возрастает способность к взаимодействию. Последнее, т.е. увеличение сечения реакции при снижении скорости нейтронов, всё же противоречило в ту пору нашим ожиданиям… Для объяснения этих аномальных сечений захвата явно нужна квантовая механика. Для частиц со столь малой скоростью, что длина их волны значительно превосходит радиус ядра R мишени, пределом поперечного сечения является не πR2, a π2 с коэффициентом, который не может быть намного меньше единицы… В некоторых случаях σc составляет 103 или даже 104 от геометрического поперечного сечения ядра» (Э. Амальди. 1934–1936 гг. Воспоминания).
Устьянцев Валерий Николаевич:
Ферми нашёл объяснение этого странного поведения отфильтрованных нейтронов. Эти нейтроны замедляются в результате многочисленных упругих столкновений с протонами, находящимися в парафине и у них возрастает способность к взаимодействию. Последнее, т.е. увеличение сечения реакции при снижении скорости нейтронов, всё же противоречило в ту пору нашим ожиданиям… Для объяснения этих аномальных сечений захвата явно нужна квантовая механика. Для частиц со столь малой скоростью, что длина их волны значительно превосходит радиус ядра R мишени, пределом поперечного сечения является не πR2, a π2 с коэффициентом, который не может быть намного меньше единицы… В некоторых случаях σc составляет 103 или даже 104 от геометрического поперечного сечения ядра» (Э. Амальди. 1934–1936 гг. Воспоминания).
«Ядерная реакция синтеза — процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжёлого ядра.
Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излученияя.
Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания — это так называемый «кулоновский барьер». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10−15 м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.
Такие условия могут сложиться в двух случаях:
- Если атомные ядра (ионы, протоны или альфа-частицы), обладающие большой кинетической энергией, встречают на своём пути другие атомные ядра. В природе это возможно, например, при столкновении частиц ионизированного газа, например, в ионосферы Земли, с частицами космических лучей. Искусственно такие реакции реализуются в вакуумных камерах с использованием естественных источников высокоэнергетических α-частиц (впервые 1917, опубликовано 1919, Э. Ререрфорд).
- Если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе. Согласно кинематической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. В таком случае говорят о термоядерном синтезе или термоядерной реакции.
235U – является первичным ядерным горючим; 233U, 239Pu – вторичным ядерным горючим. Процесс получения вторичного ядерного горючего чрезвычайно важен, т.к. позволяет увеличить сырьевую топливную базу ядерной энергетики.
Отметим, что:
Проявлена четкая генетическая связь между концентрацией урана в углеводородах и запасами гелия в них. Концентрация урана в углеводородах и запасы гелия в них возрастают от квартера к палеопротерозою. Для формирования минералогических ассоциаций, этой системе требуется энергия, которую она получает от большей системы в которой она находится, это система Земли. Автоколебательная система Земли как стационарный энергетический центр, располагается в еще большей энергетической системе Солнца, система Солнца находится в одном из энергетических рукавов, галактики Млечный Путь. Все эти объекты космоса имеют ядерную область которая является источником энергии первого рода и иерархию генераторов волн энергии второго рода. «Самоорганизация неразрывно связана с волновыми процессами. В любых открытых, диссипативных и нелинейных системах неизбежно возникают автоколебательные процессы, поддерживаемые внешними источниками энергии, в результате которых протекает самоорганизация» (И.Р. Пригожин). То-есть, любые реальные системы следует рассматривать с позиций доказанной И.Р. Пригожиным (1947) теоремы термодинамики неравновесных процессов: «при внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния, стационарное состояние системы соответствует минимальному производству энтропии». В подошве нижней мантии (2900 км), в оболочке D11, происходят активные процессы физико-химических деформаций, которые сопровождаются выделением энергии. Исследования С.В. Старченко, позволяют установить причины и следствия структурно-вещественного преобразования системы Земли и концентрации минерального сырья под воздействием волны энергии мощностью 10 -13 Твт. В мантии при высоких значениях температуры и давления есть химические элементы С H N S О U Нe, что доказывает наличие в пределах мантии процессов синтеза углеводородов. Система Земли, в ходе своего эволюционного геологического развития не разрушается, а подвергается процессам преобразования на атомарном уровне, при этом ее энергетический потенциал возрастает.
На данный момент известны 7 обычных изотопов водорода, а также один экзотический атом водород-4.1 (мюоний, 4He-μ).
«D и 2H — стабильный изотоп с атомной массой, равной 2. Ядро - дейтрон состоит из одного протона и одного и одного. Плотность при 20 °C, г/см³ — 1.1056.
По своим химическим свойствам соединения дейтерия имеют определенные особенности. Так, например, углерод-дейтериевые связи оказываются более «прочными», чем углерод-протиевые, из-за чего химические реакции с участием атомов дейтерия идут в несколько раз медленнее. Этим, в частности, обусловлена токсичность тяжелой воды (вода состава D2O называется тяжёлой водой из-за большой разницы в массе протия и дейтерия).
Дейтерий обладает лучшими свойствами замедления нейтронов. В смеси с тритием или в соединении с литием-6 (гидрид лития 6LiD) применяют для термоядерной реакции в водородных бомбах» (Кузьменко Н. Е., Ерёмин В. В., Попков В. А., 2007).
«В природе тритий образуется в верхних слоях атмосферы при соударении частиц космического излучения с ядрами атомов, например, азота. В процессе распада тритий превращается в 3He с испусканием электрона и антинейтрино (бета-распад), период полураспада — 12,32 года. Доступная энергия распада очень мала (18,59 кэВ), средняя энергия электронов 5,7 кэВ.
Водород – единственный элемент, изотопы которого имеют свои названия: протий, дейтерий, тритий.
Термин «легкая вода» в последнее время используется для обозначения воды, частично очищенной от тяжелых молекул воды, прежде всего молекул дейтериевой воды.
Протий («легкий водород») составляет 99,9% от общего числа атомов водорода во Вселенной и является наиболее распространенным нуклидом в природе среди изотопов всех химических элементов. Стабильный изотоп водорода.
Реакция: протий (стабильный изотоп водорода) + дейтерий (стабильный изотоп водорода) --- гелий-4, нейтрино, гамма-квант.
Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание, так как одноимённо положительно заряжены. Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и протий) весьма распространённого на Земле водорода.
Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица. Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для управляемого термоядерного синтеза.
Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза.
Подобным образом протекают ядерные реакции естественного нуклеосинтеза в звёздах.
На данный момент известны 7 обычных изотопов водорода, а также один экзотический атом водород-4.1 (мюоний, 4He-μ).
D + D --- 4 He + гамма-излучение.
Дейтерий обладает лучшими свойствами замедления нейтронов.
«Реакции синтеза между ядрами лёгких элементов вплоть до железа проходят экзоэнергетически, с чем связывают возможность применения их в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.
Альфа-распад из основного состояния наблюдается только у достаточно тяжёлых ядер, например, у урана-238. Альфа-радиоактивные ядра - теллур и массового числа около 106—110, а при атомном номере больше 82 и массовом числе больше 200 практически все нуклиды альфа-радиоактивны, хотя альфа-распад у них может быть и не доминирующей модой распада.
Среди природных изотопов альфа-радиоактивность наблюдается у нескольких нуклидов редкоземельных элементов (неодим-144, самарий-147, самарий-148, европий-151, гадолиний-152), а также у нескольких нуклидов тяжёлых металлов (гафний-174, вольфрам-180, осмий-186, платина-190, висмут-209, торий-232, уран-235, уран-238) и у короткоживущих продуктов распада урана и тория/
К более редким видам радиоактивного распада относятся испускание ядрами одного или двух протонов, а также испускание кластеров – лёгких ядер от углерода 12С до серы 32S. Во всех видах радиоактивности, кроме γ‑распада, изменяется состав ядра – число протонов Z , массовое число А или и то и другое.
Альфа-распад из высоковозбуждённых состояний ядра наблюдается и у ряда лёгких нуклидов, например у лития-7. Среди лёгких нуклидов альфа-распад из основного состояния испытывают гелий-5 (распадается в α + n), литий-5 (α + p), бериллий-6 (α + 2p, бериллий-8 (2α) и бор-9 (2α + p).
Альфа-частица испытывает тунельный переход через потенциальный барьер, обусловленный ядерными силами, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциаль, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растёт с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера - Нэттола. При энергии альфа-частицы меньше 2 МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия, в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован. Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима144Nd) до 23 700 км/с у изотопа полония212mPo. Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.
Кла́стер (англ. cluster — скопление, кисть, рой) — объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определёнными свойствами.
Ядерные реакции:
За счёт высокой температуры происходит частичная диссоциация ядер кремния. Образовавшиеся в результате -частицы, протоны, нейтроны и -кванты начинают реагировать с оставшимися ядрами кремния. В результате множества реакций образуются более тяжёлые элементы, в том числе элементы около железа. Одной из таких реакций, например, является:
28Si + 4He ↔ 32S + γ
32S + 4He ↔ 36Ar + γ
Прямая реакция типа «кремний+кремний» маловероятна из-за большого кулоновского барьера:
28Si + 28Si → 56Ni + γ.
Радиоактивный распад
Радиоактивный распад возможен тогда, когда он сопровождается выделением энергии. Масса М исходного ядра должна превосходить сумму масс продуктов распада М > ∑i mi. Это условие является необходимым, но не всегда достаточным. Распад может быть запрещен другими законами сохранения − сохранения момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и т. д. Радиоактивный распад характеризуется временем жизни радиоактивного изотопа, типом испускаемых частиц, их энергиями, а при вылете из ядра нескольких частиц еще и относительными углами между направлениями вылета частиц.
Основные виды радиоактивного распада:
- α-распад – испускание ядрами α-частиц,
- β-распад – испускание (или поглощение) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино,
- γ-распад – испускание γ-квантов,
- спонтанное деление – распад ядра на два осколка сравнимой массы.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Альфа-распад
«Часть изотопов могут самопроизвольно испускать альфа-частицы (испытывать альфа-распад), т.е. являются альфа-радиоактивными. Альфа-радиоактивность за редким исключением (например 8Be) не встречается среди легких и средних ядер. Подавляющее большинство альфа-радиоактивных изотопов (более 200) расположены в периодической системе в в области тяжелых ядер (Z > 83). Известно также около 20 альфа-радиоактивных изотопов среди редкоземельных элементов, кроме того, альфа-радиоактивность характерна для ядер, находящихся вблизи границы протонной стабильности. Это обусловлено тем, что альфа-распад связан с кулоновским отталкиванием, которое возрастает по мере увеличения размеров ядер быстрее (как Z2 ), чем ядерные силы притяжения, которые растут линейно с ростом массового числа A» (С.Г. Кадмиксий).
Ядро альфа-радиоактивно, если выполнено условие, являющееся следствием закона сохранения энергии:
(A,Z) → (A-4, Z-2) + 4He.
Характерные особенности α‑распада:а) α-распад происходит на тяжелых ядрах с Z > 60.б) Периоды полураспада известных α-радиоактивных ядер варьируются в широких пределах. Так, изотоп вольфрама 182W имеет период полураспада T1/2 > 8.3·1018 лет, а изотоп протактиния 219Pa – T1/2 = 5.3·10-8 c.
Энергия a-распада
Qα = [M(A,Z) – M(A-4, Z-2) – mα]c2.
Так как mα << М, основная часть энергии α-распада уносится α-частицей и лишь ≈ 2% - конечным ядром. Тонкая структура α‑спектров связана с образованием конечного ядра не только в основном, но и в возбуждённых состояниях, т.е. α-спектры несут информацию об уровнях ядер.
Согласно теории Гамова, основным фактором, влияющим на время жизни a-активного ядра, является вероятность прохождения α-частицы через потенциальный барьер.
Пусть: внутри ядра радиуса R существует α-частица массы mα. :
Потенциальный барьер α-распада.
Высота центробежного барьера , как правило, значительно ниже высоты кулоновского барьера, однако эта добавка может существенно влиять на вероятность распада. Установленная зависимость позволила объяснить эмпирический закон Гейгера-Неттола, связывающий период полураспада T1/2 и кинетическую энергию α-частицы Tα:
lg T1/2 = a + bZTα1/2.
Энергии частиц в распадах
Получим расчетные формулы для энергий частиц, образующихся в результате α-, β- и γ- распадов. Альфа-распад представляет собой двухчастичный распад C(A,Z) → 4He + B(A-4, Z-2), где A и Z − массовое число и заряд ядра C. Известно, что энергия α-распада Q = (mC − (mα + mB)c2 составляет несколько МэВ, что много меньше масс продуктов распада. Тогда, используя соотношение mC ≈ mα + mB, получим для кинетической энергии α-частицы:
и для энергии отдачи дочернего ядра:
Бета-распад представляет собой трехчастичный распад:
β--распад: C(A,Z) → B(A, Z+1) + e- + e
β+-распад: C(A,Z) → B(A, Z-1) + e+ + νe
Максимальная отдача дочернего ядра соответствует случаю, когда импульсы электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино) сонаправлены:
и энергия антинейтрино (нейтрино) Eν ≈ 0, тогда:
Так как << Q, Q ≈ Te + Eν и максимальные энергия электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино)ффф:
≈≈ Q.
Таким образом, приближенно значение максимальной энергии нейтрино совпадает с верхней границей спектра β-распада и спектр нейтрино зеркально симметричен спектру электронов:
Nν(E) = Ne(Q − E).
Третий случай β-распада, e-захват C(A,Z) + e- → B(A, Z-1) + νe, поскольку Te << me, фактически соответствует двухчастичному распаду системы с массой mС + me Спектр продуктов распада носит дискретный характер, энергия отдачи дочернего ядра:
TB = Q2/(2mCc2)
и энергия нейтрино:
Спектры электронов и антинейтрино, образующихся при β--распаде изотопа 40K,
40K → 40Ca + e- + e.
Считалось даже, что в β-распаде не выполняется закон сохранения энергии. Объяснение непрерывного характера β-спектра было дано В. Паули, который высказал гипотезу, что при β-распаде вместе с электроном рождается ещё одна частица с маленькой массой, т.е. β-распад − трехчастичный процесс. В конечном состоянии образуется ядро (A,Z±1), электрон и лёгкая нейтральная частица – нейтрино (антинейтрино). Т.к. масса ядра (A,Z±1) гораздо больше масс электрона и нейтрино, энергия β-распада уносится лёгкими частицами. Распределение энергии β-распада Qβ между электроном и этой нейтральной частицей приводит к непрерывному β-спектру электрона.
Из закона сохранения энергии следует, что спектр антинейтрино зеркально симметричен спектру электронов.
Nν(E) = Ne(Qβ – E),
где Nν(E) − число антинейтрино с энергией Е, Ne(Qβ – E) − число электронов с энергией (Qβ – E), Qβ − энергия β-распада, равная суммарной энергии, уносимой электроном и антинейтрино (энергия ядра отдачи 40Ca не учитывается). Наряду с законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения в процессе β-распада выполняются законы сохранения барионного B и электронного лептонного Le квантовых чисел.
- Электроны, нейтрино имеют B = 0, Le = +1.
- Позитроны, антинейтрино имеют B = 0, Le = −1.
- Каждый нуклон, входящий в состав ядра, имеет B = +1, Le = 0.
Устьянцев Валерий Николаевич:
Поэтому появление электрона при β--распаде всегда сопровождается образованием антинейтрино. При β+-распаде образуются позитрон и нейтрино. При е-захвате из ядра вылетают нейтрино. Так как е-захват – двухчастичный процесс, спектры нейтрино и ядра отдачи являются дискретными. Наблюдение дискретного спектра ядер отдачи, образующихся при е-захвате, было первым подтверждением правильности гипотезы Паули.
β-радиоактивные ядра имеются во всей области значений массового числа A, начиная от единицы (свободный нейтрон) и кончая массовыми числами самых тяжелых ядер.
За счет того, что интенсивность слабых взаимодействий, ответственных за β-распад, на много порядков меньше ядерных, периоды полураспада β-радиоактивных ядер в среднем имеют порядок минут и часов. Для того чтобы выполнялись законы сохранения энергии и углового момента при распаде нуклона внутри ядра, оно должно перестраиваться. Поэтому период, а также другие характеристики β-распада в сильной степени зависят от того, насколько сложна эта перестройка. В результате периоды β-распада варьируются почти в столь же широких пределах, как и периоды α-распада. Они лежат в интервале T1/2(β) = 10-6 с – 1017 лет.
Гамма-распад представляет собой процесс излучения γ-квантов ядром, находящимся в возбужденном состоянии. Энергия γ-перехода:
Q = mi − mf = mя + Ei − (mя + Ef) = Ei − Ef,
где mi, mf, Ei, Ef − массы и энергии возбуждения начального и конечного состояний ядра
(mi,f,с2 >>Ei,f). Энергия ядра отдачи:
Tя = Q2/(2mяc2),
энергия γ-квант:0
Eγ ≈ Q.
Радиоактивные семейства
Практически все тяжелые ядра Z > 83 имеют положительную энергию относительно α-распада, т.к. масса исходного ядра (A,Z) оказывается больше суммы масс α-частицы и образующегося в результате α-распада ядра (A-4,Z-2). Поэтому возможны цепочки последовательных α-распадов ядер. Наиболее тяжелые из встречающихся на Земле долгоживущих радиоактивных изотопов – это изотопы 235U, 238U и 232Th. Распадаясь эти изотопы образуют дочерние изотопы, которые также являются радиоактивными и распадаются в результате α- и β-распада пока не образуются стабильные изотопы 206Pb, 207Pb и 208Pb. Возможны 4 цепочки последовательных α-распадов, образующих 4 радиоактивных семейства с массовыми числами A, равными соответственно 4n, 4n+1, 4n+2 и 4n+3, где n − целое число. Изотопы, образующиеся в результате радиоактивного распада 235U, 238U и 232Th, образуют 3 радиоактивные семейства. Массовые числа изотопов, входящих в каждое семейство, описываются соотношением 4n+C.
Так как родоначальником семейства 4n+1 является изотоп 237Np, период полураспада которого гораздо меньше времени существования Земли (5·109 лет), то практически оно полностью распалось. Семейство 4n+1 удалось обнаружить после того, как были открыты трансурановые элементы, распад которых приводил к образованию 237Np. При распаде изотопов, входящих в состав радиоактивных семейств, основными каналами распада являются α-распад и β--распад.
Однако наряду с этим в ряде случаев наблюдаются распады с испусканием более тяжелых фрагментов − изотопов 14C, 24,26Ne, 28Mg. Эти распады называются кластерной радиоактивностью. Вероятность кластерного распада как правило, составляет 10-12–10-10 % от вероятности α-распада
Поле, в котором движется α-частица, вылетающая из ядра, имеет характерную форму барьера. Вплоть до поверхности ядра ядерные силы притяжения удерживают α-частицу в ядре. На расстояниях больше радиуса атомного ядра – это кулоновские силы отталкивания. Поэтому по мере удаления α‑частицы от центра ядра её потенциальная энергия вначале растёт, достигая максимума, а затем падает до нуля на бесконечности.
Можно выделить три области.
1. r < R − сферическая потенциальная яма глубиной V0. В классической механике альфа-частица с кинетической энергией Eα + V0 может двигаться в этой области, но не способна ее покинуть. В этой области существенно сильное взаимодействие между альфа-частицей и остаточным ядром.
2. R < r < Re − область потенциального барьера, в которой потенциальная энергия больше энергии альфа-частицы, т.е. это область запрещенная для классической частицы.
3. r > Re − область вне потенциального барьера. В квантовой механике возможно прохождение альфа-частицы сквозь потенциальный барьер.
Кулоновский потенциал обрезается на расстоянии R, которое приблизительно равно радиусу конечного ядра. Высота кулоновского барьера Bk определяется соотношением:
.
Z и z − заряды (в единицах заряда электрона e) конечного ядра и α‑частицы соответственно. Например, для 238U Bk ≈ 30 МэВ. (мегаэлектронвольт (МэВ) — 1 млн электронвольт, гигаэлектронвольт, (ГэВ) — 1 млрд электронвольт, тераэлектронвольт (ТэВ) — 1 трлн электронвольт).
Температура, эквивалентная 0,1 МэВ, приблизительно равна 109 К, однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции:
Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей. На самом деле в термоядерной реакции участвует небольшое количество ядер, имеющих энергию намного больше средней (так называемый «хвост максвелловского распределения.
Во-вторых, благодаря квантовым эффектам, ядра не обязательно должны иметь энергию, превышающую кулоновский барьер. Если их энергия немного меньше барьера, они могут с большой вероятностью туннелировать сквозь него» (Яворский, Детлаф А.А., Лебедев А.К., Климов А.Н., 1985, Бартоломей Г.Г., Байбаков В.Д., Алхутов М.С., Бать Г.А., 1982).
Рентгеновская астрономия — раздел астрономии, исследующий космические объекты по их рентгеновскому излучению. Под рентгеновским излучением обычно понимают электромагнитные волны в диапазоне энергии от 0,1 до 100 кэВ (от 100 до 0,1 Å).
В рентгеновских лучах небо выглядит не бездонным темным фоном, на котором сверкают звезды, а пятнисто-разноцветным, а местами - темно-красным, как тлеющие угли, и таким оно смотрится во всех направлениях. Невидимые человеческому глазу рентгеновские лучи рождаются в космосе, когда быстро летящие электроны внезапно затормаживаются, то они излучают электромагнитные колебания очень высоких энергий. Чем выше скорость электрона, тем энергичнее будут колебания, испускаемые им при торможении. В свою очередь скорость электрона зависит от температуры, которой он обладает.
Рентгеновская астрономия способна принести ответы на многие коренные вопросы о мироздании. И в этом причина того, что исследователи космоса ведущих стран объединили усилия и создали общую программу. Шесть орбитальных рентгеновских обсерваторий будут запущены в ближайшее время, и каждая из них, согласно программе, имеет четко очерченный круг задач.
Главная действующая сила.
Косми́ческое излуче́ние — электромагнитное или корпускулярное излучение, имеющее внеземной источник; подразделяют на первичное (которое, в свою очередь, делится на галактическое и солнечное) и вторичное. В узком смысле иногда отождествляют космическое излучение и космические лучи.
Космические лучи представляют собой чрезвычайно высокоэнергетические субатомные частицы — в основном протоны и атомные ядра, сопровождаемые электромагнитными излучениями, — которые перемещаются в космосе, в конечном счете достигая поверхности Земли. Они движутся практически со скоростью света, составляющей приблизительно 300 000 км/с. Космические лучи бывают двух видов: галактические и солнечные. Галактическое космическое излучение исходит от остатков сверхновых, образующихся в результате мощного взрыва на последних этапах эволюции массивных звезд, которые либо превращаются в черные дыры, либо разрушаются. Выделяемая при этих взрывах энергия ускоряет заряженные частицы за пределами нашей Солнечной системы, из-за чего они приобретают очень высокую проникающую способность, а их экранирование становится чрезвычайно трудной задачей. По сути, сверхновые действуют как огромные природные ускорители частиц. Земля постоянно подвергается воздействию галактического космического излучения. Солнечное космическое излучение состоит из заряженных частиц, испускаемых Солнцем, — преимущественно электронов, протонов и ядер гелия.
К космическим лучам относятся как заряженные, так и нейтральные частицы: атомы различных элементов от водорода до самых “тяжёлых” представителей периодической системы Менделеева, а также такие элементарные частицы, как нейтроны, электроны, мезоны и другие. Диапазон их энергий крайне велик – достаточно сказать, что он простирается более чем на 14–15 порядков величины. Потоки космических лучей сильно меняются в зависимости от энергии – при малых энергиях их значительно больше, чем при высоких и сверхвысоких энергиях.
Более ~90% частиц космических лучей составляют атомы водорода, на гелий приходится около ~7% и менее ~1% – на более тяжёлые элементы. Атомы космических лучей лишены электронных оболочек, т.е. по сути, это – полностью ионизованные атомы, или “голые ядра”. Причина этого – взаимодействие с веществом в процессе их переноса во Вселенной. Взаимодействуя с нейтральными частицами, они теряют свои электронные оболочки (так называемый процесс перезарядки). Как показывают расчеты, средний путь, который проходят частицы от места генерации, достаточен, чтобы потерять все орбитальные электроны за счёт взаимодействий с космической. Средой. Естественно задаться вопросом: как химический состав космических лучей соотносится с составом звезд во Вселенной, с составом ближайшей к нам звезды – Солнца? Ответ дан в таблице 4.1., где приводится относительное содержание различных элементов в составе космических лучей, на Солнце и в звёздах.
Можно видеть, что состав космических лучей приблизительно соответствует распространённости элементов во Вселенной за исключением двух случаев: во-первых, в космических лучах наблюдается значительно больше лёгких ядер (Li, Be, B) и, во-вторых, - тяжелых ядер – вблизи железа.
Максимальная измеренная энергия космических лучей превышает доступную в наземных экспериментах на 9 порядков – в миллиард раз! Насколько велика энергия частицы величиной в 1 3эВ? Энергия такой субатомной частицы величиной 3.1020 эВ приближается к энергиям макромира: она может разогнать шайбу массой 200 г до скорости 80 км/ч! Здесь уместно сопоставить энергии космических частиц с энергиями частиц “сделанных” на Земле человеком. Наиболее мощный ускоритель частиц, расположенный в лаборатории имени Ферми (“Фермилаб”) в Чикаго, США, может разгонять частицы до энергий только 1.8 ТэВ – 1.8 триллиона электронвольт. Даже строящийся в настоящее время гигантский ускоритель в Женеве, в Европейском центре ядерных исследований – СERN – LHC (Большой адронный коллайдер), не сможет приблизиться к энергиям космических лучей, достижимых в природе, - он будет ускорять частицы до 14 ТэВ.
Важнейшей характеристикой космических лучей является энергетический спектр - зависимость между потоком частиц (F) и их кинетической энергией (Е). Направленный дифференциальный поток определяется количеством частиц N с энергией в диапазоне от Е до Е + Е, падающих на единицу площади в единицу времени t и в единице телесного угла :
где dS, d, dt и dE – элементы площади телесного угла, времени и энергии. В данном случае F(E) – дифференциальный энергетический спектр, в отличие от интегрального
Поток частиц, проинтегрированный по телесному углу, носит название всенаправленного. Ввиду большого диапазона изменения потоков и энергий космических лучей энергетические спектры частиц принято изображать в двойном логарифмическом масштабе, т.е. lg F(E) = f(lg E). Наиболее часто для аппроксимаций используется степенная функция, т.е. lg F(E) lg , где - (показатель спектра). В двойном логарифмическом масштабе степенная функция имеет вид прямой линии с наклоном » » (Яворский, Детлаф А.А., Лебедев А.К., Климов А.Н., 1985, М.С., Бать Г.А., 1982).
Теорема И.Р. Пригожина (1947), термодинамики неравновесных процессов:
«при внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния, стационарное состояние системы соответствует минимальному производству энтропии».
В 2006 г. Джону Мазеру и Джорджу Смуту была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие ими чернотельной формы спектра и анизотропии космического микроволнового фонового излучения. Эти результаты были получены на основе измерений, выполненных с помощью спутника COBE, запущенного NASA в 1988 г. Результаты Дж. Мазера и Дж. Смута явились подтверждением происхождения Вселенной в результате Большого взрыва. Крайне малое различие в температуре космического фонового излучения ΔT/T ~ 10-4 является свидетельством механизма образования галактик и звезд. Реликтовое излучение (или космическое микроволновое фоновое излучение) было обнаружено в 1965 г. А. Пензиасом и Р. Вильсоном. На ранней стадии эволюции Вселенной вещество было в состоянии плазмы. Такая среда непрозрачна для электромагнитного излучения − происходит интенсивное рассеяние фотонов электронами и протонами. Когда Вселенная остыла до 3000 К электроны и протоны объединились в нейтральные атомы водорода и среда стала прозрачной для фотонов. В это время возраст Вселенной составлял 300000 лет, поэтому реликтовое излучение дает информацию о состоянии Вселенной в эту эпоху. В это время Вселенная была практически однородной. Неоднородности Вселенной определяются по температурной неоднородности реликтового излучения. Эта неоднородность составляет ΔT/T ≈ 10-4 −10-5. Неоднородности реликтового излучения − свидетели неоднородностей Вселенной: первых звезд, галактик, скоплений галактик. При расширении Вселенной длина волны реликтового излучения увеличилась Δλ/λ = ΔR/R и в настоящее время длина волны реликтового излучения находится в диапазоне радиоволн, температура реликтового излучения T = 2.7 К.
Дисперсия. В 1666 году Исаак Ньютон, обратив внимание на радужную окраску изображений звезд в телескопе, поставил опыт, в результате которого открыл дисперсию света и создал новый прибор – спектроскоп. Ньютон направил пучок света на призму, а потом для получения более насыщенной полосы заменил круглое отверстие на щелевое. Дисперсия – зависимость показателя преломления вещества от длины волны света. Благодаря дисперсии белый свет разлагается в спектр при прохождении через стеклянную призму. Поэтому такой спектр называют дисперсионным. Спектральные серии в спектре водорода. Почти все звезды имеют линии поглощения в спектре. Наиболее интенсивная линия гелия расположена в желтой части спектра: D3 (λ = 587,6 нм). В спектрах звезд типа Солнца наблюдаются также линии натрия: D1 (λ = 589,6 нм) и D2 (λ = 589,0 нм), линии ионизованного кальция: Н (λ = 396,8 нм) и К (λ = 393,4 нм). Фотосферы звезд дают непрерывный спектр, пересеченный отдельными темными линиями, которые возникают при прохождении излучения через более холодные слои атмосферы звезды. По спектру поглощения (точнее, по наличию определенных линий в спектре) можно судить о химическом составе атмосферы звезды. Яркие линии в спектре показывают, что звезда окружена расширяющейся оболочкой из горячего газа. У красных звезд с низкой температурой в спектре видны широкие полосы молекул окиси титана, оксидов. Ионизированный межзвездный газ, нагретый до высоких температур, дает спектры с максимумом излучения в ультрафиолетовой области. Необычные спектры дают белые карлики. У них линии поглощения во много раз шире, чем у обычных звезд и имеются линии водорода, которые отсутствуют при таких температурах у обычных звезд. Это объясняется высоким давлением в атмосферах белых карликов.
. Анализ спектра этого излучения показал, что его зависимость от длины волны похожа на экспериментальную зависимость излучения охлаждающегося черного тела, которая описывается формулой Планка. Поэтому принадлежность реликтового излучения процессу охлаждения Вселенной после так называемого Большого взрыва была признана доказанным фактом.
Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой 2,725 кельвина. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 мм.
Навигация
Перейти к полной версии