Природа космических тел Солнечной системы - Дмитрий Николаевич Тимофеев

Плотность атома равна атомному весу, деленному на объем атома.

Атомные веса элементов известны и имеются в справочниках. Атомные объемы нетрудно рассчитать, принимая, что атомы имеют форму шара, а атомные радиусы известны.

Значение атомных радиусов не однозначное, а зависит от вида связи между атомами. Радиусы бывают ковалентные, ионные, металлические ван-дер-ваальсовы. [Волков, Жарский. 2005]. Кроме, того, ковалентные связи могут быть как одинарные, так и двойные или тройные и размеры этих связей разные. Имеет значение и структура кристаллической решетки. В некоторых книгах, например, [Неницеску 1968], на это не обращалось особого внимания. Получилось так, что в первом издании книги взятые из этих источников величины атомных радиусов для атомов инертных газов соответствовали ван-дер-ваальсовым радиусам. Однако ван-дер-ваальсовы радиусы создаются незначительными силами и не могут сохраняться в условиях высоких давлений глубин Земли. Более правильно, в случае рассмотрения вопросов геологии, для инертных газов использовать ковалентные радиусы, что сделано в этом издании. Это привело здесь к значительному увеличению расчётных значений плотностей их атомов. В расчётах плотностей атомов для всех элементов использованы значения радиусов одинарных ковалентных связей, имеющие широкое распространение в том числе и для органических веществ, а также использованы значения металлических радиусов.

Атомные радиусы взяты из справочника Волков, А.И., Жарский, И. М. Большой химический справочник / А. И. Волков, И. М. Жарский. – Мн.: Современная школа, 2005. – 608 с ISBN 985-6751-04-7. https://bookree.org/reader?file=627009&pg=47

Недостающие в справочнике атомные радиусы, отмеченные значком * взяты из «Краткой химической энциклопедии М 1963».

Ковалентные радиусы атомов показаны в (таблице 4).

Более наглядная картина изменения радиусов атомов, расположенных в порядке увеличения атомных номеров (как в таблице Д. И. Менделеева) показана на рис. 14. Элементы, показанные серым цветом, стабильных изотопов не имеют, и в природе встречаются в незначительных количествах.

Рис. 14. Изменения радиусов атомов в порядке увеличения атомных номеров элементов.

На рисунке видно, что радиусы атомов не увеличиваются равномерно по мере увеличения их атомных весов, а изменяются с периодичностью, соответствующей периодам элементов в таблице Д. И. Менделеева. При этом в периодах таблицы наибольшими радиусами обладают щелочные металлы, а наименьшими, как правило, инертные газы.

По значениям атомных радиусов рассчитаны объёмы атомов, а далее плотности атомов (впервые опубликованы в работе [Тимофеев, 2009б]). Для более понятного представления, плотности атомов из рассчитанных значений в атомных массах, делённых на кубические ангстремы переведены в привычные единицы г/см3. Полученные значения плотностей атомов в порядке их возрастания показаны в (таблице 5).

Для наглядности плотности атомов элементов показаны на рис. 15. Видно, что плотности возрастают не в порядке возрастания атомных номеров элементов.

Рис. 15. График изменения плотности атомов в порядке увеличения атомных номеров

Если малая плотность атомов щелочных металлов была предсказуема, то совершенно неожиданным оказалось аномально высокое значение плотности атомов гелия.

Рассчитанные плотности атомов в порядке возрастания значений показаны на рис. 16

Рис. 16. Кривая изменения плотности атомов в порядке возрастания значений

Использование такого показателя, как «плотность атома» даёт ключ к пониманию глубинного строения Земли, что будет показано ниже.

Концепция распределения элементов по глубине космических тел в зависимости от плотностей их атомов

Гипотеза 11

Если в состоянии реальных газов распределение в ядре Земли элементов происходит в соответствии с их атомными массами, то в других состояниях оценку распределения элементов по глубине нужно проводить по плотности их атомов.

О закономерности возрастания плотности веществ с возрастанием глубины известно. Так в верхней сфере Земли состав газов изменяется с высотой. Выше 2 тысяч километров превалирует самый легкий газ – водород, ниже до 600 км второй по плотности от водорода – гелий, еще ниже атомарный кислород, а ниже 200 км преобладает более тяжелый молекулярный азот. Ниже атмосферы, плотность воздуха которой на уровне моря равна примерно 1.2 кг/м3, вполне закономерно расположена гидросфера (реки, моря, океаны) с плотностью 1000 кг/м3, а под ней породы коры Земли со средней плотностью 2800 кг/м3. Глубже, информация о плотности получена сейсмическими методами и показывает, что плотность возрастает с увеличением глубины до значения примерно 12500 кг/м3 в центре Земли. Совершенно замечательно, что чудесным способом геофизических замеров в свое время найдена информация о том, что там у нас в глубинах, поскольку максимальная глубина, с которой удалось получить вещество прямым путем бурения на Кольской сверхглубокой скважине, только 12.262 км, что совсем немного, учитывая, что радиус Земли составляет 6378 км (на экваторе). Зная плотность пород на разных глубинах, а также имея точную информацию о плотности всех элементов Земли, можно было бы составить полную схему состава пород по глубинам. Решение этой задачи осложняется тем, что элементы в глубинах Земли могут быть не только в твердом элементарном состоянии, но и в виде многочисленных их соединений, а сами соединения могут иметь еще и разные кристаллические структуры, имеющие разную плотность. При этом одни соединения могут трансформироваться в другие. Меняться могут и кристаллические структуры. Кроме того, может изменяться и агрегатное состояние веществ, они могут плавиться, могут закипать и переходить в газообразное состояние. Картина получается очень сложной. Атомы элементов более стабильны, чем кристаллические породы, поскольку для их преобразования нужно затратить более высокую энергию (энергию ионизации), чем для разрушения химических связей кристаллической решетки пород. По этой причине для оценки состава пород по глубинам предложено оценивать вещества по плотностям атомов, предполагая, что плотности пород, особенно под большим давлением, коррелируются с плотностями атомов, из которых они состоят.

Гипотезу можно представить следующей формулировкой.

В любом массивном космическом теле, на участках, не находящихся в состоянии реального газа, глубина расположения того или иного элемента в большой степени, как правило, коррелируется с плотностью его атома.

Заметно, как отличается эта схема от принятой в настоящее время концепции, где ядро Земли состоит из железа и кремния.

В определенной степени кривая отражает последовательность распределения элементов по глубине любого массивного космического тела. Элементы с большей плотностью атомов (Hg, Tl, W, Re, Pb, Os…) расположены глубже, а с меньшей (Li, Na, K, Ca…) – ближе к поверхности. Имеются и отклонения от этой зависимости, поскольку плотность вещества может зависеть еще и от вида химических соединений, валентности элементов, вида кристаллической решетки, агрегатного состояния или ионизации. Вещества изменчивы в разных условиях, и изменения приводят к перемещениям пород по уровню в космическом теле. Плотность же атомов стабильна для каждого элемента и является важным фактором плотности вещества, пока атомы существуют. Эти особенности будут рассмотрены в последующих главах.

Плотность атомов изменяется не в порядке возрастания атомных номеров в таблице Д. И. Менделеева, а достаточно сложно (рис. 15)

В архейский период развития Земли произошла великая перестройка элементов (состояние рис.12 б), когда вещества распределились в соответствии с увеличением их плотностей с глубиной (таблица 6).

В таблице теоретическое расположение элементов по глубине в архейский период (в порядке увеличения плотностей их атомов) и содержание элементов в Земле по нуклонной концепции гипотезы 4, показывающее толщину пластов залегания.

Водород, азот, кислород, фтор являются достаточно тяжелыми элементами. Породы на основе самых тяжелых элементов погрузились в центр Земли, образовали ядро из соединений He, Ir, Os, Pt, Re, W, Au …, в том числе радиоактивных урана и тория, распад которых разогревает ядро (рис. 12, в). Легкие породы, содержащие Li, Na, K, Ca, Mg всплыли в верхнюю мантию. В следующие периоды произошел дополнительный разогрев ядра Земли, далее расширение Земли, выход из глубин воды и газов, переход ее в нынешнее состояние (рис. 12, г).