Единство химического состава объектов вселенной доклад
Обновлено: 05.07.2024
Объекты космохимии представлены звездами (95 % массы вещества Вселенной), газовыми и пылевидными туманностями, межзвездным газом, рассеянной космической пылью, планетами, кометами, метеоритами, нейтронами, протонами, электронами, кварками. Они сгруппированы в галактики, которых насчитывается около 1500. По форме преобладают спиральные галактики (61 %), реже встречаются линзовидные (22 %), эллиптические (13 %), неправильные (4 %). В нашей галактике насчитывается около 1011 звезд. Планета Земля находится в одном из рукавов спирали.
Химический состав космических тел отражает сложные пути их эволюции и определяется рядом физических и химических факторов: образованием и преобразованием атомов во времени; распределением атомов под влиянием космических причин (тяготение, световое давление, электромагнитные поля и др.); физико-химическим перераспределением групп атомов, электронов, молекул.
Кларки солнечной атмосферы принято относить к кларкам космоса, которые рассчитывают на 106 атомов Si или Н. В спектре солнечной атмосферы открыто более 70 элементов с преобладанием Н (70 % по массе), Не (28), на долю остальных приходится 2 %. Очень мало тяжелых элементов после железа. Согласно Л. Аллерому и Дж. Россу (1976), для 13 элементов получены следующие данные: H – 106 % , He – 6,3 ·104, O – 6,9 ·102, C – 4,2 ·102, N – 87, Si – 45, Mg – 40, Ne – 37, Fe – 32, S – 16, Ca – 2,2, Ni – 1,9, Ar – 1,0 %. При давлении в центре звезды 1016 Па и температуре 107 К вещество состоит из свободных ядер и электронов (ионизированная водородно-гелиевая плазма).
Солнце представляет собой водородно-гелиевый раскаленный шар с плотностью 1,41 г/см3, который каждую минуту теряет 240 млн т массы путем излучения. Каждый квадратный сантиметр его поверхности излучает 375 859,48 Дж/мин. Отличие по химическому составу поверхности и глубинных частей незначительное. Состав Солнца по углероду и инертным газам близок к составу Земли, что указывает на генетическое единство всех тел солнечной системы.
Газовые туманности состоят из сильно разреженных газов, пред- ставляющих собой извержения из звездной материи. Космические лучи – это поток частиц и атомных ядер очень высокой энергии, состоящих в основном из протонов p (90 %). Многие космические частицы обладают электрическим зарядом, поэтому отклоняются магнитном полем планеты. С ростом магнитной жесткости частицы будут глубже проникать в магнитное поле. В земной атмосфере они образуют вторичное излучение, в котором встречаются все элементарные частицы с высокой проникающей способностью.
Планеты солнечной системы
Геохимия планет изучена недостаточно. Лишь во второй половине XX в. наблюдения за планетами с Земли дополняются информацией со спутников и межпланетных станций.
Планеты отличаются по размеру, плотности, массе, расстоянию от Солнца и другим параметрам. Они делятся на две группы: внут ренние (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и внешние (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). Их разделяет кольцо астероидов между Марсом и Юпитером. По мере удаления от Солнца планеты, вплоть до Земли, увеличиваются и становятся более плотными (3,3–3,5 г/см3), а внеш- ние планеты уменьшаются, начиная с Юпитера, и менее плотные (0,71–2,00 г/см3).
Во внутренних планетах выделяются силикатная и металлическая фаза, последняя выражена у Меркурия (62 %). Чем ближе к Солнцу планета, тем больше она содержит металлического железа. Внешние планеты сложены газовыми компонентами (Н, Не, СН4, NH3 и др.).
Меркурий. Ось вращения перпендикулярна плоскости его орбиты, поэтому времена года отсутствуют. Период вращения вокруг оси совпадает с периодом вращения вокруг Солнца. Меркурий повернут од ной стороной к нему. Поверхность покрыта кратерами. Имеются узкие и длинные хреб ты. Кора андезитовая, как на Луне, возраст 3,9–4,4 млрд лет. Ядро массивное металлическое с радиусом, равным 3/4 радиуса планеты. Атмосфера разреженная и содержит О, Na, He, K. В нее заходят газовые струи от Солнца, состоящие из Н и Не. Из-за высокой температуры на освещенной стороне горные породы выделяют в атмосферу натрий.
Юпитер – самая большая планета Солнечной системы и близкая по размерам (в 10 раз меньше диаметра Солнца) и массе к небольшой звезде, имеет низкую плотность. В атмосфере образуются неподвижные вихревые образования и оглушительные раскаты грома и молнии. Атмосфера на 90 % состоит из Н2 и на 10 % из Не с незначительной примесью метана, аммиака, воды. Вокруг планеты имеются мощные пояса заряженных частиц. Характерны полярные сияния и мощные радиоизлучения в виде шумов. Поверхность представлена металлическим водородом (80 %) в твердой фазе и гелием (20 %). На глубине 0,02 радиуса планеты находится жидкий слой молекулярного водорода. Ядро Юпитера железосиликатное.
Сатурн уступает Юпитеру по массе и размерам с самой низкой плотностью (0,71 г/см3) среди планет. Имеет 17 спутников. Толщина всех колец вокруг планеты 2 км. Это камни, покрытые льдом в поперечнике до 10 м, ширина всех колец 400 тыс. км. Атмосфера состоит из водорода (97 %) и гелия (3 %), аммиака, метана, этана и ацетилена. Скорость ветра достигает 1800 км/ч, что в 20 раз больше штормового ветра на Земле. Мощность газовой атмосферы 1000 км. Поверхность представлена океаном из Н2 и Не. Ядро расплавленное силикатно-металлическое.
Уран и Нептун по химическому составу сходны с Юпитером и Сатурном. Уран движется в Солнечной системе лежа на боку, и ось вращения лежит почти в плоскости его орбиты. Атмосферы планет состоят из водорода (80–83 %), гелия (15–18), метана (3), аммиака, этана, ацетилена, воды. Отмечены перистые облака из метана, которые придают голубой цвет планетам. Недра этих планет на 20 % состоят из Не и Н2, на 80 % из более тяжелого вещества железо-силикатного состава.
Для понимания структуры и эволюции Вселенной очень важен вопрос о химическом составе вещества во Вселенной.
Как известно, всякое вещество состоит из атомов. В естественном виде на Земле встречается около 90 разных видов атомов; кроме того, несколько новых видов атомов получено искусственно. Вещество, образованное атомами только одного какого-нибудь вида, называется элементом. Атомы большинства элементов способны объединяться друг с другом или с атомами других элементов, образуя молекулы; конкретные законы такого объединения являются предметом изучения химии. Любое вещественное образование — от самого твердого ( алмаза) до газообразного, от органических соединений тела человека до отдаленнейших галактик — представляет собой различные комбинации тех же основных элементов.
Простейший элемент — водород. Его атом состоит всего из двух частиц — электрона и протона. Следующий простейший элемент — гелий, каждый атом которого содержит шесть частиц: два протона и два нейтрона, расположенные в центре, образуют ядро, а два электрона, связанные с ядром электрическим притяжением, вращаются вокруг него по орбитам. Основные различия между атомами обусловлены разным количеством протонов в их ядрах. Сейчас известны все атомы, ядра которых содержат от 1 до 92 протонов. Самым сложным из существующих в природе элементов является уран; ядро его атома включает 92 протона и около 140 нейтронов, а вокруг него обращаются 92 электрона. Элементы, имеющие в ядре более 92 протонов и полученные искусственным путем (например, нептуний и плутоний), неустойчивы (радиоактивны) и довольно быстро распадаются. Поэтому они не были найдены на Земле в естественном виде.
* Гелий был открыт на Солнце (об этом говорит его название), причем ранее, чем на Земле.
Звезды
Звезда - газовый шар
Звезды — далекие солнца. Звезды — это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их cвет кажется нам относительно тусклым.
При взгляде на ясное ночное небо вспоминаются строки М.В. Ломоносова:
Открылась бездна, звезд полна,
Звездам числа нет, бездне — дна.
Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в десятки и сотни раз. Звезды-карлики имеют размеры Земли и меньше. Предельная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам.
Весьма различны и расстояния до звезд. Свет звезд некоторых далеких звездных систем идет до нас сотни миллионов световых лет. Самой близкой к нам звездой можно считать звезду первой величины α- Центавра, не видимую с территории России. Она отстоит от Земли на расстоянии 4 световых лет. Курьерский поезд, идя без остановок со скоростью 100 км/ч, добрался бы до нее через 40 миллионов лет!
В звездах сосредоточена основная масса (98—99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды — мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца. Вещество звезд представляет собой плазму, т.е. находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. (Плазма — это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга.) Поэтому, строго говоря, звезда — это не просто газовый шар, а плазменный шар. На поздних стадиях развития звезды звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах — давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (пульсары — нейтронные звезды, барстеры — источники рентгеновского излучения и др.).
Звезды в космическом пространстве распределены неравномерно. Они образуют звездные системы: кратные звезды (двойные, тройные и т.д.); звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов); галактики — грандиозные звездные системы (наша Галактика, например, содержит около 150—200 млрд звезд).
В нашей Галактике звездная плотность также весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра. Здесь она в 20 тыс. раз выше, чем средняя звездная плотность в окрестностях Солнца.
Большинство звезд находится в стационарном состоянии, т.е. не наблюдается изменений их физических характеристик. Это отвечает состоянию равновесия. Однако существуют и такие звезды, свойства которых меняются видимым образом. Их называют переменными звездами и нестационарными звездами. Переменность и нестационарность — проявления неустойчивости состояния равновесия звезды. Переменные звезды некоторых типов изменяют свое состояние регулярным или нерегулярным образом. Следует отметить также и новые звезды, в которых непрерывно или время от времени происходят вспышки. При вспышках (взрывах) сверхновых звезд вещество звезд в некоторых случаях может быть полностью рассеяно в пространстве.
Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии — гравитационное сжатие, приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции, в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.
Предполагается, что у некоторых (но вряд ли у большинства) звезд есть собственные планетные системы, аналогичные нашей Солнечной системе.
Состав Вселенной — элементы, которые являются строительными блоками для каждого кусочка материи, постоянно меняется и постоянно развивается благодаря жизни и смерти звезд. Процесс формирования элементов при росте, взрывах, слияниях звезд, был подробно описан в обзорной статье, опубликованной 31 января в журнале Science.
Периодическая таблица помогает людям понять элементы Вселенной с 1860-х годов, когда русский химик Дмитрий Менделеев признал, что некоторые элементы обладают разными химическими свойствами и сформировал их в диаграмму — периодическую таблицу. Это химический способ организации элементов, помогающий ученым от начальной школы до лучших лабораторий мира понять, как материалы вокруг Вселенной способны собираються вместе.
Но, как давно известно ученым, периодическая таблица просто состоит из звездной пыли: большинство элементов периодической таблицы, от самого легкого водорода до более тяжелых элементов, таких как лоуренсий, возникли в звездах.
Таблица выросла, когда были открыты новые элементы (синтетические элементы), созданные в лабораториях по всему миру, но основы Менделеева в понимании атомного веса и строительных блоков Вселенной остались неизменны.
Нуклеосинтез — процесс создания нового элемента, начался с Большого взрыва, который произошел около 13,7 миллиардов лет назад. Самые легкие элементы Вселенной, водород и гелий, были первыми результатами Большого взрыва. Но более тяжелые элементы — почти все остальные элементы периодической таблицы, в значительной степени являются продуктами жизни и смерти звезд.
По данным Джонсона, звезды с большой массой, в том числе некоторые в созвездии Ориона, на расстоянии около 1300 световых лет от Земли, соединяют элементы гораздо быстрее, чем звезды с низкой массой. Эти грандиозные звезды сливают водород и гелий в углерод и превращают углерод в магний, натрий и неон. Звезды с большой массой умирают, взрываясь в сверхновые, выпуская элементы, от кислорода до кремния в пространство вокруг них.
"Неразрывное единство мироздания проявляется не только в мире бесконечно малого, но и в мире сверхбольшого" (Эрнест Мах)
С момента формирования Вселенной материя, по утверждениям астрофизиков, начала со временем концентрироваться в упорядоченные галактические структуры. В рамках концепции горячей Вселенной, то есть с момента "Большого Взрыва", ее начальным состоянием была точка, называемая точкой сингулярности, в которой были сосредоточены все вещество и энергия. Она характеризовалась бесконечно большой плотностью материи и энергии. Конкретные свойства точки сингулярности ученым неизвестны, как неизвестно и то, что предшествовало состоянию сингулярности. Некоторые современные ученые, такие как Дэвид Бом и Стивен Хоукинг выдвинули гипотезу, что точка сингулярности отсутствовала и Вселенная образовалась из пустоты, то есть из ничего.
Действительно, первый закон термодинамики гласит: нельзя получить что-либо из ничего. То же самое касается и порядка из взрыва? Согласно второму закону термодинамики порядок, наблюдаемый как во всей Вселенной, так и в нашей Солнечной системе, не может быть следствием лишь взрыва. Взрыв не ведет к порядку. Для того чтобы получить некий порядок, необходимо введение не только энергии, но и информации. По-видимому прав был известный астроном Фред Хойл, когда писал:” Картина Вселенной, образования галактик и звезд, по крайней мере как она предстает в астрономии, удивительно нечетка, как пейзаж, видимый в тумане. Очевидно, что в изучении космологии упущен один компонент – тот, что предполагает наличие информации“
Однако ученым потребовалось затратить огромные интеллектуальные и материальные ресурсы, чтобы прийти к удивительному выводу о "рождении" мира из "ничего". Любопытно, что научный мир с этой гипотезой задержался почти на 500 лет. Процесс сотворения Вселенной был подробно описан великим Ари еще в 16 веке в книге "Древо жизни". Он в частности писал, что …до начала образования Вселенной был лишь Высший, все собой заполняющий, однородный свет, у которого не было ни границы и ни времени. Для создания Вселенной свет равномерным сжатием вокруг некоторой точки сократил себя и образовал пустое пространство в форме круга. Затем из малой искры прямого луча, протянувшегося от бесконечного света внутрь созданного пустого пространства, в центре зияющей пустоты был сотворен наш материальный мир.
Можно предположить, что Ари здесь говорит о поле информации, поле Разума, называемом полем света, из малой порции которого образовалась плоская Вселенная ( в плоскости круга), то есть окружающий нас материальный мир. Скорее всего, Фред Хойл именно этот компонент имел в виду. Как видим, современная физика с использованием инфляционной модели рождения Вселенной очень близко подошла к модели Ари, за исключением начального (нулевого) момента, о котором у ученых нет приемлемых гипотез.
Материя представляет собой скорее крохотные островки субстанции в океане пустоты, нежели твердое вещество, воспринимаемое нашими органами чувств. Да и природа этих островков - элементарных частиц выходит за рамки обыденного здравого смысла. По современным представлениям их следует рассматривать в качестве эфемерных сгустков энергии, которые удивительным образом одновременно сочетают в себе корпускулярные и волновые свойства. Само понятие волны или колебания носит в физике абстрактный характер. Это лишь некоторое "движение материи". Даже при температуре абсолютного нуля атомы в телах не прекращают своих колебательных движений.
Следовательно, наша Вселенная "соткана как единое динамическое полотно" из силовых физических полей неразрывно связанных друг с другом. На сегодня физики достаточно подробно описали лишь электромагнитное поле, поле ядерных сил (сильных взаимодействий) и поле слабых взаимодействий. О гравитационном поле известно только его присутствие и действие на нас, без понимания физики. О других полях, таких, например, как поле "темной энергии" и прочих есть лишь предположения. Высказывается гипотеза, что поле "темной энергии" – это поле информации. Однако сегодня пока не ясно, каким образом информация переходит в энергию. Тем не менее, у науки нет сомнений в том, что скрепляющим раствором для Вселенной являются в частности названные силовые поля, объединяющие все её элементы в удивительно целостную, единую структуру. Четырем известным силовым взаимодействиям соответствуют четыре фундаментальные численные величины, именуемые универсальными мировыми константами.
По словам Фреда Хойла, "современные исследования довольно убедительно свидетельствуют о том, что условия нашей повседневной жизни не могли бы существовать в отрыве от далеких частей Вселенной, и, если бы эти части каким-то чудесным образом были изъяты из нашего мира, то все наши представления о пространстве и геометрии моментально утратили бы свой смысл. Наши повседневные впечатления до самых мельчайших деталей настолько тесно связаны с крупномасштабной характеристикой Вселенной, что сложно даже представить себе, что одно может быть отделено от другого".
Видимо прав был отец квантовой теории Макс Планк, шокировавший в 1944 году ученый мир заявлением о том, что "существует некая "матрица", в которой берут свое начало новые звезды, ДНК и даже сама жизнь". При этом все они соответствуют единому скрытому порядку - порядку целостности и единства. Другими словами, существует некий Высший (относительно нашего уровня понимания) закон природы, являющийся более общим для всего нашего мироздания. Вот что сказал об этом Грэгг Брейден: "недавние исследования с очевидностью подтверждают, что матрица Макса Планка действительно существует. Чтобы подключиться к ее силе, мы должны понимать, как она устроена, и научиться говорить на понятном ей языке".
Единство законов природы во Вселенной.pptx
Последние десятилетия XX и начало XXI вв. ознаменовались бурным развитием новых методов исследования окружающего мира.
Современные достижения в области полупроводниковых технологий, лазерной оптики, космической техники, приборостроения позволили создать новые поколения микроскопов, телескопов радиотелескопом, ускорителей и детекторов элементарных частиц, обладающих значительно большими возможностями для изучения природных объектов, чем их предшественники.
В качестве примера можно привести достижения в области микроскопической техники. Современные электронные, туннельные и атомные силовые микроскопы способны давать изображения с разрешением, позволяющим наблюдать отдельные молекулы и атомы. Современные микроскопы значительно расширили возможности изучения биологических объектов и обеспечили успешное развитие и применение методов генной инженерии.
Существенный прорыв произошел в области телескопической техники. Развитие современных телескопов идет по нескольким направлениям.
Второе направление в развитии телескопической техники — это создание телескопов, работающих в различных диапазонах электромагнитных волн. Если до середины XX в. при астрон омических наблюдениях использовался только видимый свет, то в на¬стоящее время телескопы работают в огромном диапазоне длин волн — от радиов олн с длиной волны 103 м до гамма-излучения с длиной волны порядка 10"11 м. Кроме того, активно развивается нейтринная астрономия, где источником информации служат час¬тицы вещества — нейтрино, а не электромагнитные волны или кванты электромагнитного поля, как в оптических телескопах.
К числу уникальных физических приборов, созданных в последнее время для исследования фундаментальных природных явлений, относятся Большой адронный коллайдер — ускоритель элементарных частиц, обеспечивающий энергию их взаимодействия порядка 10 ТэВ , и Большой американский лазерный интерферометр, предназначенный для поиска гравитационных волн.
Продолжают интенсивно развиваться хорошо зарекомендовавшие себя методы спектроскопии атомов и молекул, рентгено-структурного анализа, резонансные методы изучения вещества.
Современные методы исследований позволили установить новые научные факты, открыть неизвестные ранее природные объекты, существенно расширить представления человека об окружающем мире. Благодаря успехам естественных наук удалось в рамках современного естествознания составить обобщенный образ развивающейся Вселенной, в которой мы живем.
После того как было открыто реликтовое излучение, определены соотношения между водородом и гелием в составе вещества 10 Вселенной, а также между числом фотонов и протонами, стало окончательно ясно, что Вселенная как природный объект существует конечное время. Момент образования Вселенной условно малыми ют Большим взрывом, который произошел около 13-16 млрд. лет назад. За время своего существования Вселенная прошла определенные этапы развития, которые удивительным образом согласуются с представлениями, полученными при изучении объектов из совершенно другой природной области — мира элементарных частиц.
Расширение Вселенной, сопровождавшееся охлаждением, при вело ее к тому состоянию, которое мы наблюдаем в настоящее время. Это состояние отличается от более ранних состояний Вселен ной тем, что в ней вещество и излучение находятся в таких концентрациях и при таких температурах, что становится возможным существование звезд, галактик, планет и в конечном счете ЖИЗНИ на нашей планете.
Представление о процессе развития (эволюции) Вселенном, протекание которого подтверждено наблюдениями и экспериментальными фактами, стало одной из ведущих идей современном естественнонаучной картины мира. Исторический подход к описанию Вселенной создает в нашем сознании образ постоянно изменяющегося мира на разных уровнях его структурном организации. Само время становится понятием, связанным с состоянием Вселенной, и все объекты, входящие в ее состав, меняются со временем вслед за изменением состояния Вселенной.
К важнейшим достижениям естествознания относится экспериментальное доказательство дискретного строения вещества и физических полей. Открытие квантовых свойств вещества и излучения, четырех фундаментальных взаимодействий позволило понять причины многих природных процессов с разными масштабами их проявления. Оказалось, что квантовые свойства микро¬объектов находят отражение в процессах и явлениях макромира во многом определяют природу и состояние некоторых астрономических объектов.
Другой обобщающей идеей естествознания является признание причинно-следственных отношений между изменяющимися состояниями природных объектов.
Этот вывод был сделан на основании огромного числа экспериментальных фактов, установленных разными естественными науками. Смысл этого утверждения в том, что любое последующее состояние природного объекта обусловлено его предыдущим состоянием и взаимодействием с другими объектами.
Одним из последних достижений естествознания с полным основанием можно считать открытие явления самостоятельного упорядочения сложных открытых систем.
Возникновение упорядоченных состояний в открытых системах — это еще одно подтверждение того, что жизнь на Земле могла возникнуть и результате естествен и их процессом. Правда, характер этих процессов до сих пор нам неизвестен.
Видео YouTube
Читайте также: