Природа космических тел Солнечной системы - Дмитрий Николаевич Тимофеев
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
При распаде пород вещества мантии, образующиеся тяжелые элементы, распределяются по соответствующим слоям ядра, а легкие элементы поднимаются в кору Земли. Со временем, при дальнейшем росте ядра Земли, над слоем цинка начнёт образовываться следующий по плотности ядер слой элемента эрбия затем слой железа. В настоящее время железа в ядре Земли быть не может совсем, поскольку плотность его атомов (Fe 10.92 г/см3) меньше плотности атомов веществ верхнего слоя в ядре Земли цинка (Zn 11.12 г/см3).
В ядре Земли элементы йод и теллур расположены не в той последовательности, как они находятся в таблице Д. И. Менделеева по той причине, что из-за особенностей изотопного состава элементов йод имеет меньшую атомную массу, чем теллур, следовательно, по закону Авогадро он в газообразном состоянии в одинаковых условиях будет иметь меньшую плотность и находиться выше.
Таблица представлена в упрощенном виде, поскольку многие элементы имеют по несколько изотопов, каждый из которых создал свой слой. В природе около 250 стабильных и около 50 естественных радиоактивных изотопов большая часть из которых находится в ядре Земли Для упрощения в таблице показаны изотопы только в одном слое №2, где изотоп урана 238 обогащенного ураном 235 и ураном 233, поскольку эти изотопы значительно влияет на процессы в ядре Земли. Свои слои образуют и радиоактивные изотопы продуктов ядерных реакций, протекающих в ядре Земли. Кроме того, каждый из элементов может создавать по несколько слоёв в разной степени ионизации. Количество всех слоёв ядра Земли более 300.
Используя значения объемов веществ в слоях и расположения слоев, рассчитаны радиусы верхних границ слоев элементов и их толщины, показанные в столбцах 10 и 11.
В столбце 12 показана сравнительная величина объема свободного межатомного пространства в слое по отношению к объёму кристаллического газа этого элемента. При отрицательных значениях этих величин можно предположить, что атомы несколько упруго сжаты давлением выше плотности кристаллических газов, чего может и не быть если атомы ионизированы и от этого уменьшили свои радиусы.
В столбцах 13,14 показаны рассчитанные температуры в слоях и степени ионизации вещества.
В таблице показаны рассчитанные параметры слоёв с достаточно большой точностью, но эта точность всего лишь результат математических вычислений значений. Реальная картина может несколько отличаться, тем более, что в ядре Земли постоянно протекают множество процессов, например, распадаются радиоактивные элементы, идут некоторые цепные реакции, от излучений образуются новые элементы, от повышения температуры элементы из состояния кристаллического газа переходят в состояние реального газа, снижают свою плотность и перетекают на другой горизонт, образуя другой слой. Кроме того, некоторые элементы, как водород и гелий, выходят из ядра Земли, а другие погружаются в ядро как продукты распада веществ мантии.
В таблице получилось хорошее совпадение. Количества элементов с плотностью кристаллического газа приближенной к плотности веществ ядра Земли практически совпадают с количеством этих элементов по расчёту согласно гипотезе №4 состав элементов Солнечной системы (Нуклонная концепция), что показывает правильность этой концепции.
Изотопы элементов образуют отдельные слои в ядре Земли
Гипотеза 20
Изотопы любого элемента отличаются по плотности атомов. Для тяжелых элементов различия эти небольшие, в то время как для лёгких достаточно значительны. Например, если атом водорода-протий имеет плотность 7,62 г/см3 то его изотоп-дейтерий имеет плотность в два раза больше 15,24 г/см3 и слой его в ядре находится намного глубже где-то между торием и германием, а слой изотопа-трития имеет атомы с плотностью 22,86 г/см3 и изначально, когда всё ядро находилось в состоянии веществ из кристаллических газов мог находится в самой глубине ядра ниже слоя полония. Различия в плотностях изотопов более тяжелых элементов не столь существенны и слои их как правило находятся рядом, но могут чередоваться со слоями изотопов других элементов. Изотопы разных элементов, но с одинаковыми атомными массами могут образовывать разные слои в состояние кристаллического газа, но образовывать один слой при переходе в состояниях реальных газов. Картина чередования слоёв изотопов на примере J 127, Te 130, Te 128, Te 126, Te 125, Te 124, Te 123, Te 122, Te 120, Xe 136, Xe 134, Xe 132, Xe 131, Xe 130, Xe 129, Xe 128, Xe 126, Xe 124 (рис. 20)
Рис. 20. Слои элементов с учётом изотопов. Рядом с наименованием изотопа показано значение его распространённости в природе.
Изображение с учётом изотопов даёт более сложную картину слоёв, чем по слоям элементов. Ещё более сложная картина получается если учесть и нестабильные (радиоактивные) изотопы J 129, Хе 127, Хе135, Те 129 и т. д., образующиеся как осколки деления при цепных реакциях или как продукты спонтанного деления ядер.
Цепные ядерные реакции в ядре Земли
Гипотеза 21
Структура ядра определяет процессы, которые неизбежно будут там происходить.
Ядро постоянно разогревается за счет распада радиоактивных элементов. Субъядро, состоящее из урана, под действием гравитации сепарировано на слои изотопов, имеющих разные плотности. Переходная зона, слой F урана U238 между внешним ядром и субъядром более насыщен изотопами U235 и U233. При достижении на каком-либо участке высоких концентраций U235, U233 происходят местные тепловые всплески в результате реакций цепного ядерного деления. Мощность единичного теплового всплеска невелика, поскольку значительная сверхкритическая масса собраться не может из-за начала процесса деления. Тепловые всплески порождают турбулентности, которые приводят к перемешиванию изотопов и естественным образом регулируют скорость цепной реакции. Автоматическое регулирование процесса ядерного тепловыделения также происходит за счет образования осколков деления, поглощающих нейтроны. По мере удаления за счет сепарации из зоны F или распада таких осколков скорость реакции возрастает. Мощность всего процесса мала, поскольку ограничивается небольшой скоростью сепарации U235 и U233 из-за сравнительно невысокой гравитации в ядре Земли.
Происходит и возобновление ядерного топлива. U238 и Th232 захватывают образующиеся при ядерном делении нейтроны и трансформируются в Pu239 и U233, которые являются топливом для цепных реакций ядерного деления.
При облучении нейтронами тяжелых атомов образуются разнообразные атомы актиноидов, в том числе и с малым периодом полураспада, которые, распадаясь, также выделяют энергию.
В результате радиоактивного распада урана и плутония в ядре образуются радиоактивные осколки деления от цинка до самария (рис. 11). Осколки более легкие, и всплывают в свои слои ядра Земли. Осколки перегружены нейтронами, постепенно в ходе ядерных реакций трансформируются в другие элементы. Нейтроны, образовавшиеся в ядерных реакциях, но не захваченные другими ядрами, из-за малого периода полураспада превращаются в протоны и электроны, а те при замедлении превращаются в стабильные атомы водорода, которые поднимаются к мантии. Легкие элементы, образующиеся в ядерных реакциях – водород и гелий – выходят на поверхность Земли. В отличие от гелия водород химически активен, и выходит на поверхность в виде наиболее стабильных в условиях коры Земли соединений: углеводородов, сероводорода, воды.
В ядре Земли менее мощные выделения энергии, чем на космических телах с более сильной гравитацией, где скорость сепарации выше, например, на больших планетах, а также на Солнце.
Тепловое состояние веществ в ядре Земли
Гипотеза (концепция) 22
По принятым в настоящее время представлениям температура в ядре Земли не превышает 5000°С. Ранее, вероятно, на такой температуре остановились,
