Жизненный цикл звезд зависит от их массы: звезды с низкой массой в конечном итоге превращаются в белых карликов, в то время как жизнь звезд с большой массой заканчивается взрывом сверх

,

37 вопрос Солнечная система. Какие общие особенности планет Солнечной системы свидетельствуют о едином происхождении планет?

Солнечная система

Девять планет, вращающиеся вокруг Солнца принято делить на две группы: планеты Земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон). Считается, что диаметр Солнечной системы равен приблизительно 6× 10¹⁶ м: на этом расстоянии планеты удерживаются силой тяготения Солнца.

Планеты Земной группы. Планеты Земной группы сравнительно невелики, медленно вращаются вокруг своих осей (сутки на Меркурии длятся около 60 земных суток, на Венере – 243 дня). Ось вращения Венеры наклонена в другую сторону, и вращается Венера в направлении, обратном ее движению вокруг Солнца. У этих планет мало спутников (у Меркурия и Венеры нет, у Земли – один, у Марса – два совсем небольших). У Меркурия атмосферы практически нет, очень плотная атмосфера Венеры состоит, в основном, из СО_2, что приводит к сильному парниковому эффекту (температура на поверхности Венеры достигает 500^О)_. Земля имеет плотную азотно-кислородную атмосферу. Атмосфера Марса состоит в основном из CО₂, однако она сильно разрежена (давление в 150 раз меньше, чем давление на поверхности Земли).

Рис. 3. Масштабы Вселенной

 

 

Поверхность планет Земной группы твердая, гористая, она хорошо изучена благодаря автоматическим станциям, пролетавшим вблизи планет или даже садившимся на поверхности Марса и Венеры. Следует отметить, что в Солнечной Системе лишь планеты Земной группы имеют твердую поверхность. Химический состав планет Земной группы приблизительно одинаков. Они, в основном, состоят из соединений кремния и железа. В небольшом количестве присутствуют и другие элементы.

Более или менее одинаково и строение планет земной группы. В центре планет есть железные ядра разной массы. У Меркурия, Земли, Марса часть его находится в жидком состоянии. Выше ядра находится слой, который называют мантией. Верхний слой мантии называется корой. У этих планет есть магнитные поля: почти незаметное у Венеры и ощутимое у Земли. Меркурий и Марс обладают магнитными полями средней напряженности.

Земля движется по орбите со скоростью 30 км/ч. Ее орбита незначительно отличается от круговой. В течение 24 часов Земля делает полный оборот вокруг своей оси, которая наклонена к плоскости орбиты под углом 66^О34’’. Земля сплюснута у полюсов, таким образом, ее форма близка к эллипсоиду вращения.

Планеты Земной группы отделены от планет-гигантов поясом астероидов – малых планет. Самая крупная из них – Церера, была открыта первой, в начале 19 века. Сейчас зарегистрировано более 5500 малых планет. Все они движутся вокруг Солнца в том же направлении, что и большие планеты, однако их орбиты вытянуты значительно сильнее.

Планеты-гиганты. Планеты-гиганты располагаются за орбитой Марса. Это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Самый легкий гигант – Уран – в 14, 5 раза массивнее Земли. Их особенность – большие размеры и масса. Например, радиус Юпитера в 11 раз больше земного, а масса в 318 раз больше земной. Планеты-гиганты имеют малую плотность, самая низкая плотность у Сатурна: 0, 7× 10³ кг/м³ (ср. у Земли – 5, 5× 10³ кг/м³). В среднем плотность планет гигантов 3-7 раз уступает плотности планет земной группы.

У планет-гигантов нет твердой поверхности. Газы их обширных атмосфер, уплотняясь с приближением к центру, постепенно переходят в жидкое состояние.

Эти планеты быстро совершают один оборот вокруг своей оси (10-18 часов). Причем, они вращаются как бы слоями: слой планеты, расположенный вблизи экватора, вращается быстрее всего, а околополярные области являются самыми неторопливыми. Как мы увидели раньше, планеты-гиганты – жидкие планеты, этим обстоятельством и вызвано их необычное вращение. По той же причине гиганты сжаты у полюсов, что можно заметить в простой телескоп. Солнце, являясь газовым шаром, тоже вращается слоями с периодом 25-35 суток.

Сами гиганты и их атмосферы состоят из легких элементов: водорода и гелия. Уран и Нептун в значительной степени содержат в себе метан, аммиак, воду и другие не слишком тяжелые соединения. Другие элементы тоже есть, но их гораздо меньше. Ученые выяснили, что с увеличением массы гиганта растет и его атмосфера. Следовательно, самой обширной атмосферой обладает Юпитер. Уран и Нептун, близкие по массе, мало отличаются и своими атмосферами. Сатурн занимает промежуточное положение.

В центре гигантов есть небольшое твердое ядро, но оно относительно невелико. Газообразная атмосфера каждого гиганта плавно переходит в жидкость, а та постепенно тоже уплотняется к центру планет. По-видимому, в недрах планет-гигантов, где давление и температура очень высокие, есть слой водорода, обладающего металлическими свойствами. Это необычное вещество не является в полной мере ни газообразным, ни твердым. Но оно обладает важным свойством: проводит ток. Благодаря этому, планеты-гиганты обладают магнитным полем.

Магнитные поля планет-гигантов превосходят магнитные поля планет земной группы. Интенсивность магнитного поля качественно определяется размерами магнитосферы планеты: пространства вокруг нее, в котором магнитное поле планеты сильнее солнечного. Влияние солнечного ветра – потока заряженных частиц, вырывающихся с поверхности Солнца, – делает очертания магнитосфер несимметричными. Магнитные поля захватывают летящие от Солнца зараженные частицы высоких энергий, формируя мощные радиационные пояса и полярные сияния.

Планеты-гиганты окружены естественными спутниками Точное их число еще не известно. Из известных 68-ми спутников только три принадлежат планетам земной группы. У Сатурна открыто 59 спутников. Крупнейший из спутников — Титан. Ученые предполагают, что условия на этой планете схожи с теми, которые существовали на нашей планете 4 миллиарда лет назад, когда на Земле только зарождалась жизнь. У Урана к настоящему времени известно – 27, у Юпитера – 63, у Нептуна – 13.

Кроме спутников, планеты-гиганты имеют кольца – скопления мелких частиц, вращающихся вокруг планет и собравшихся вблизи плоскости их экваторов. Наиболее крупными обладает Сатурн – они были обнаружены еще в 17 в.

Малые планеты и кометы. Между орбитами Юпитера и Сатурна проходят орбиты тысяч небольших (в среднем, несколько километров) и немассивных тел, именуемых астероидами. Эти тела, называемые также малыми планетами, не имеют правильной формы и по химическому составу близки к планетам земной группы. Орбиты астероидов имеют различные углы с плоскостью эклиптики, их орбиты заметно вытянуты. Все известные астероиды вращаются вокруг Солнца в прямом направлении.

Наиболее известные, крупные астероиды: Веста, Юнона, Церера, Икар, Паллада, Гермес.

За орбитой Нептуна, как позволяют судить последние наблюдения, тоже находится пояс астероидов (т.н. Пояс Койпера ). Орбита планетоида Плутон, видимо, уже проходит внутри этого пояса. Еще дальше, на расстоянии примерно 1-1, 6 св.года расположено Облако Оорта - облако комет. Возмущения от ближайших звезд изменяют движение кометных ядер и они направляются во внутренние части Солнечной Системы. Границы Облака Орта, по-видимому, и можно считать границами Солнечной Системы.

Кометы состоят из смеси замерзших газов и пыли («грязные снежки»). Приближаясь к Солнцу, кометы прогреваются, и с их поверхности начинают испаряться газы, которые светятся под воздействием солнечного излучения. Солнечный ветер отбрасывает испарившиеся частицы, образуя так называемые кометные хвосты, направленные всегда прочь от Солнца. Как и астероиды, кометы обладают малыми размерами и массами. Их орбиты могут быть самыми различными: иметь всевозможные эксцентриситеты, наклоны к плоскости эклиптики. Кометы могут двигаться вокруг Солнца, как в прямом, так и в обратном направлении. Кометы называются обычно именами ученых, открывших их. Наиболее известные кометы: Галлея, Донати, Хейла – Боппа, Отерма.

Солнце. Солнце, центральное тело солнечной системы, представляет собой раскалённый плазменный шар; Солнце - ближайшая к Земле звезда. Масса Солнца в 332958 раз больше массы Земли. В Солнце сосредоточено 99, 866% массы Солнечной системы. Температура поверхности Солнца, 5770 К.

История телескопических наблюдений Солнца начинается с наблюдений, выполненных Г. Галилеем в 1611 году; были открыты солнечные пятна, определён период вращения Солнца вокруг своей оси. В 1843 году немецкий астроном Г.Швабе обнаружил цикличность солнечной активности. Развитие методов спектрального анализа позволило изучить физические условия на Солнце. В 1814 году Й.Фраунгофер обнаружил тёмные линии поглощения в спектре Солнца - это положило начало изучению химического состава Солнца.

С 1836 года регулярно ведутся наблюдения затмений Солнца, что привело к обнаружению короны^[1] и хромосферы^[2] Солнца, а также солнечных протуберанцев. В 1913 году было доказано существование на Солнце магнитных полей. В начале 40-х годов XX века было открыто радиоизлучение Солнца. Существенным толчком для развития физики Солнца во второй половине XX века послужило развитие магнитной гидродинамики и физики плазмы. После начала космической эры изучение ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца ведётся методами внеатмосферной астрономии с помощью ракет, автоматических орбитальных обсерваторий на спутниках Земли, космических лабораторий с людьми на борту.

Направление вращения Солнца совпадает с направлением вращения вокруг него всех его планет. Полагают, что содержание водорода в Солнце по массе около 70%, гелия около 27%, содержание всех остальных элементов около 2, 5%. Более 70 химических элементов, найденных на Солнце, присутствуют в составе планет Солнечной системы, что доказывает единое происхождения Солнца и планет солнечной системы. Источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую температуру Солнца, являются ядерные реакции превращения водорода в гелий, происходящие в недрах Солнца.

 

38 вопрос Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе. Как происходила дифференциация вещества Земли? Объясните строение Земли.

Химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды (впрочем, это лишь предположение, что мантия и кора содержат вещество, состав которого в среднем близок к составу метеоритов). К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1) железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90–91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, или аэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты — около 92, 7% всех находок, железокаменные — 1, 3% и железные — 5, 6%. На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, согласно которой, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам: О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, Al. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, Al, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.

Химический состав ядра. В середине XX в. проблема химического состава ядра Земли оказалась в центре дискуссии таких дисциплин как космогония, геохимия и геофизика.

В 1941 г. Кун и Ритман, основываясь на гипотезе идентичности состава Солнца и Земли и на расчетах фазового перехода в водороде, предположили, что земное ядре состоит из металлического водорода. Однако в последующих экспериментах по ударному сжатию было показано, что плотность металлического водорода примерно на порядок меньше, нежели плотность ядра. Впоследствии, гипотеза водородного ядра претерпела определенную трансформацию и сейчас находит свое отражение в моделях гидридного ядра, согласно которым распад гидридов служит поставщиком летучих и энергии, идущей на разогрев Земли.

Кардинальные противоречия возникли между двумя классами гипотез: железо-никелевого (с примесями других легких элементов) ядра и не железного ядра, состоящего из металлизованных силикатов или оксидов, т. е. из вещества горных пород, перешедших в металлическое состояние под действием сверхвысокого давления.

В. Н. Лодочников и У. Рамзей предположили, что нижняя мантия и ядро имеют одинаковый химический состав — на границе ядро-мантия при 1, 36 Мбар мантийные силикаты переходят в жидкую металлическую фазу (металлизованное силикатное ядро). С космогонической точки зрения основное преимущество этой гипотезы состояло в том, что она не встречает трудностей при объяснении происхождения плотных ядер Земли и Венеры: ядро образуется, когда давление в центре растущей планеты достигает критического значения. Кроме того, эта гипотеза устраняла бы различие между Землей и Луной в содержании железа.

В последующем более строгая проверка гипотез о химическом составе ядра осуществлялась посредством сопоставления лабораторных измерений плотности и упругости различных веществ при высоких температурах и давлениях с геофизическими данными по изменению этих параметров в недрах Земли. Эксперименты по статическому и ударному сжатию железа и его сплавов с никелем (основной компоненты железных метеоритов) и другими элементами, а также породообразующих минералов (оливина, пироксена и др.) позволили сделать более определенные выводы о составе ядра.

Сейчас хорошо известно, что практически все известные в природе минералы претерпевают полиморфные превращения при высоких давлениях и температурах. На глубинах переходной зоны (400–650 км) и нижней мантии(650–2900 км) оливин преобразуется в минерал со структурой шпинели, пироксен и гранат — в минералы со структурой ильменита и перовскита. Кварц имеет серию фазовых превращений с образованием плотной рутиловой структуры — стишовита при давлениях порядка 100 кбар и 1000 °C, обнаруженного в ударных кратерах и некоторых метеоритах. Стишовит не является конечным звеном в цепи полиморфных превращений; теоретическими и экспериментальными методами предполагается существование еще более плотных модификаций SiO₂. Но даже в плотных пост-стишовитовых структурах не достигается плотность, характерная для зоны внешнего ядра. Кроме того, нельзя забывать, что для подтверждения гипотезы о металлизованном силикатном ядре любой минерал, образующийся в финале фазовых преобразований, помимо плотности, сопоставимой с плотностью ядра, должен иметь соответствующую скорость звука и обладать металлической проводимостью. Реальных доказательств этого не обнаружено.

Таким образом, совокупность лабораторных экспериментов и сейсмических данных показывает несостоятельность концепции металлизованного ядра Земли и приводит к выводу, что границу мантия-ядро следует рассматривать не как фазовый переход, а с точки зрения изменения химического состава, т. е. как границу раздела между силикатной мантией и железным ядром — граница D′ ′.

Мантия и ядро не находятся в термодинамическом равновесии и вследствие этого силикатное вещество мантии растворяется в расплавленном материале Fe-ядра. В результате такого химического взаимодействия на границе D′ ′ может происходить дифференциация вещества с образованием железо-никелевого расплава, содержащего серу, кислород и кремний и формирующего внешнее ядро Земли. Как вытекает из анализа данных сейсмической томографии, процессы подобного типа приводят к термическим и композиционным неоднородностям в подошве нижней мантии мощностью около сотни километров, ответственным за крупномасштабные тектонические движения в мантии Земли (подъем диапиров и формирование вулканических «горячих точек»).

Железо имеет несколько полиморфных превращений. При низких давлениях устойчива модификация a-Fe, которая при P > 100 кбар преобразуется в плотноупакованную фазу (e-Fe), устойчивую при высоких температурах вплоть до 3 Мбар. Предполагается, что как внешнее, так и внутреннее ядро сложены в основном e-фазой железа, но в разных агрегатных состояниях. Физические свойства железа (плотность, температура плавления) при Р-Т параметрах ядра моделировались экспериментальными и теоретическими методами. Довольно надежно установлено, что на границе ядро-мантия (1, 36 Мбар) Т_{пл (e-Fe)} = 3000–3500 К.

На границе внешнее-внутреннее ядро (3, 3 Мбар) Т_{пл (e-Fe)} = 4900–6000 К; при этих Р-Т параметрах плотность жидкого железа ~12, 8 г/см³, что на 5–6% превосходит плотность внешнего ядра (r = 12, 14 г/см³ ) по сейсмологическим моделям. Плотность твердой e-фазы железа при 3, 3 Мбар и 5400 К оценена равной 13, 0 г/см³, что на 2–3% больше, нежели плотность внутреннего ядра на его границе с внешним, табл. 1.

Следовательно, эксперименты и теория показывают, что плотность чистого железа и тем более никелистого железа превышает плотность вещества как внешнего, так и внутреннего ядра Земли. Эти исследования подтвердили гипотезу о несостоятельности чисто железного или железо-никелевого ядра: Fe-Ni ядро имеет слишком высокую плотность и слишком низкую скорость звука и поэтому не удовлетворяет геофизическим данным. Отсюда с необходимостью вытекает предположение о вхождении более легкого элемента (элементов) в состав ядра: в количестве до ~10 мас.% для внешнего и ~2–5 мас.% для внутреннего ядра. На роль таких легирующих компонентов, имеющих достаточно высокую распространенность в природе, теоретически могут претендовать кислород, водород, углерод, сера и кремний. Однако, водород и углерод (летучие элементы) могли быть потеряны в период аккреции.

В космохимическом и геофизическом отношении наиболее предпочтительными легирующими компонентами ядра считаются сера, кремний и кислород. Из космохимии и метеоритики известно об образовании сплавов в системах Fe-S, Fe-Si и Fe-S-Si уже на ранней стадии конденсации вещества протопланетного облака и об их существовании в хондритах разных классов. Новейшие исследования показали, что растворимость FeO в жидком железе, ограниченная первыми процентами при низких давлениях, становится весьма существенной при сверхвысоких давлениях.

Космохимические данные и анализ межпланетной пыли свидетельствуют, что сера, конденсирующаяся из газа солнечного состава в виде сульфида железа (троилит или пирротин — наиболее распространенные минералы метеоритов), представляет собой один из основных элементов-примесей, входящих в состав металлической фазы хондритов и планетарных ядер.

Эти соображения по вхождению серы в ядро (хондриты содержат около 6 мас.% FeS) получили поддержку в работах по исследованию системы Fe-FeS при высоких Р-Т параметрах в статических и динамических условиях. Современное состояние проблемы химического состава ядра Земли не позволяет отдать предпочтение какому-либо одному из перечисленных элементов-примесей. Содержание порядка 6–10 мас.% серы, кислорода и кремния во внешнем ядре не противоречит геофизическим данным. Не исключено, что все три элемента могут входить в состав внешнего ядра, но эта проблема еще недостаточно изучена.

 

39 вопрос Химия. Химический элемент. Атом, его строение. Квантовые числа.

На определенном этапе эволюции Вселенной ее температура падает, и возникают условия, в которых возможно формирование атомов веще­ства. Определенный набор атомов способен образовать но­вую систему — молекулу. Организация материи на атомно-молекулярном уровне приводит к появлению новых свойств материи — к возможности существования множе­ства веществ с огромным разнообразием свойств.

Наукой, исследующей закономерности, проявляющиеся на атомно-молекулярном уровне организации материи, яв­ляется химия. Задача химии состоит в изучении строения молекул и процессов изменения этого строения в результате их взаимодействия.

Фундаментальные основы химии:

· квантовая механика,

· атомная физика,

· термодинамика,

· статистичес­кая физика,

· физическая кинетика.

На основе фи­зики построена теоретическая химия. Из этого не следует, что химия не существует как самостоятельная наука: хи­мия «выводится» из физики, но не сводится к ней.

Последовательность, в которой исторически развивалось химическое знание:

2. учение о составе;

3. структурная химия

4. учение о закономерностях химических процессов;

5. эволюционная химия.

Эти учения входят в иерархическую систему современной химии.

 

Исследование организации материи на химическом уровне позволяет выявить взаимосвязь структурных уровней:

Дейсвительно, на химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом частиц, участвующих в квантово-механических про­цессах обмена электронами (химических реакциях). Это обусловливает макроскопичность проявления законов кван­товой физики в химических процессах. Базовое понятие химии — валентность.

Валентность - это макроскопическое, химическое отображение квантово-механических взаимодействий.

 

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: