Природа космических тел Солнечной системы - Тимофеев Дмитрий Николаевич Страница 16

Термониз перехода вещества в кристаллический газ

Гипотеза 27

На поверхности Земли в условиях малого давления хорошо известно явление конвекции. Конвекция – это всплытие разогретой массы в среде менее нагретого вещества. Объясняется конвекция тем, что вещество при нагревании расширяется, и плотность его уменьшается. В глубинах Земли, где высокие давления препятствуют тепловому расширению (силы гравитационного сжатия превосходят силы расширения, вызванные кинетической энергией теплового движения частиц), при нагревании может происходить явление погружения более нагретого вещества. В условиях глубин Земли есть два фазовых перехода при нагревании, вызывающих увеличение плотности веществ. Переход в состояние кристаллического газа при температурах разрушения межатомных связей (1000—6000°К) и переход в ионизированное состояние при температурах более 30000°К. Оба эти перехода фазового состояния могут создавать условия для погружения более разогретого вещества в ядре Земли. Явление погружения более разогретого вещества получило название «термониз» [Тимофеев, 2009б].

Термониз – это перемещение разогретого вещества вниз в условиях, когда плотность его из-за разогрева возрастает.

Зонами термониза от перехода вещества в состояние кристаллического газа являются слои элементов верхней части наружного ядра. Одними из веществ в этой зоне, переходящими в состояние кристаллического газа, могут быть H, He, N, O, F, Ne, Cl, Ar. Плотность атомов этих элементов достаточно высокая, и в состоянии близком к состоянию кристаллического газа они вполне могут быть в числе элементов, образующих геосферы в этой зоне. Слои этих веществ образуют тепловой барьер на поверхности ядра.

Слои элементов на границе нижней части верхнего ядра Земли и субъядра являются зонами термониза от перехода вещества в ионизированное состояние.

Плотность атомов при ионизации, а также при дальнейшем увеличении ее степени, существенно возрастает из-за резкого уменьшения их размеров. Очевидно, что вещество при ионизации погружается.

В нормальных условиях явление термониза наблюдается у воды в температурном диапазоне +4—0°С. В этом диапазоне при нагревании у воды увеличивается плотность, и более нагретая вода погружается вниз. На рис. 23 показан термониз (тепловой барьер) перехода в кристаллический газ на границе мантии и ядра Земли. Также образно, в виде языков пламени, направленных в центр, изображена картина термониза ионизированного вещества в ядре Земли.

Рис. 23. Ядро Земли. Термониз. 1 – уран 238 и ионизированные продукты ядерных реакций; 2 – слой F (уран 235, 233); 3 —слои наружного ядра Земли; 4 – термониз перехода в кристаллический газ (граница между ядром Земли и мантией)

Математически процесс может быть описан формулой:

К – коэффициент термониза.

При К <0 происходит процесс конвекции, при К> 0 – процесс термониза.

Процессы термониза создают условие для длительного существования твердой стабильной коры Земли при значительных температурах в ее глубинах, иначе бы вся поверхность сейчас была бы раскалена до температур в сотни градусов, и никакая жизнь на Земле не была бы возможна.

Перемещение веществ, вызванное α- и β-распадами изотопов

Гипотеза 28

Процессы α- и β-распадов изотопов получил свое начало сразу после образования элементов, как только произошел взрыв нейтронной звезды. Еще не сконденсировался газ от раскаленных продуктов взрыва, а распад уже сильно шел, постепенно ослабевая по мере уменьшения содержания короткоживущих изотопов. При взрыве образовалось примерно 1200 видов ядер, большая часть из которых распалась к настоящему времени полностью. От всего многообразия радиоактивных изотопов до настоящего времени в природе осталось около 50. Из них основные долгоживущие: U238 (Т1/2=4.507х109 лет), U235 (Т1/2=7.13х108 лет), Th232 (Т1/2=1.45х1010 лет), К40 (Т1/2= 1.32х1010лет), которые распадаются и в настоящее время. Короткоживущие изотопы в настоящее время в природе все-таки имеются благодаря тому, что они постоянно образуются в результате целого ряда протекающих ядерных реакций от распада долгоживущих изотопов или космического излучения. Кроме того, короткоживущие изотопы образуются сейчас от реакций цепного ядерного деления U235, U233, Рu239как в ядре Земли, так и в ядерных реакциях на АЭС.

Распад природных радиоактивных изотопов образует радиоактивные семейства-цепочки атомных ядер, каждое из которых возникает из предыдущего в результате α- или β-распадов. Цепочка распадов продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

Так U238, пройдя через четырнадцать ступеней распада, среди которых есть и радий Ra226 (Т1/2 =1622 года), и радон Rn222 (Т1/2 =3.825 дней), превращается в стабильный свинец Pb206.

Другие родоначальники – U235, Th232, а возможно и нептуний Np237 – имеют свои радиоактивные семейства из других изотопов.

Цепочки α- или β-распадов образуют и осколки цепного деления ядер U233, Рu239, U235. Осколки от цепного деления имеют намного меньше атомные массы, чем при естественном распаде. Состав осколков показан на рис.11. Осколки существенно перегружены нейтронами, и распадаются ступенчато через ряд изотопов элементов по реакциям β-распада.

При любом распаде изотопа элемента образуется новый элемент с другой плотностью, из-за изменения массы ядра атома и из-за изменения заряда ядра, которое приводит к изменению размера электронной оболочки, следовательно, к изменению объема атома. При β-распаде ядра масса его не меняется, а меняется только его заряд. При этом распаде могут быть варианты. В одних случаях происходит испускание отрицательной β-частицы – электрона. И тогда один нейтрон ядра превращается в протон, заряд ядра увеличивается на единицу, а изотоп превращается в следующий элемент по таблице Д. И. Менделеева. В других случаях происходит испускание положительной β – частицы – позитрона или захват электрона из оболочки. И тогда один протон ядра превращается в нейтрон, заряд ядра уменьшается на единицу, а изотоп превращается в предыдущий элемент по таблице Д. И. Менделеева. β-распад происходит у ядер, которые имеют или больше, или меньше нейтронов по сравнению со стабильным изотопом. β-распад является основным типом радиоактивности для изотопов с атомными номерами меньше 60. При α-распаде ядрами атомов испускается α-частица, которая представляет из себя ядро атома гелия (имеет два протона и два нейтрона). При этом «материнское» ядро превращается в «дочернее», имеющее массовое число меньше на 4, а заряд меньше на 2. Элемент превращается в более легкий, имеющий порядковый номер на 2 меньший по таблице Д. И. Менделеева. Например, уран в торий. Всего известно около 25 естественных и более 100 искусственных α-активных ядер. Как правило α-активными являются ядра с большими атомными номерами, начиная с висмута, в которых прочность связей между нуклонами меньше.

В результате α- и β-распадов атомы вновь образовавшихся элементов уже не могут находиться в слоях элементов своих прежних состояний и всплывают (или тонут), перемещаясь в слои соответствующих им элементов. Такие перемещения значительны. Так, за историю Земли в результате естественного распада урана, например, U238 (Т1/2 =4.507х109 лет), половина его запасов распалась естественным образом. По представленной выше гипотезе состава космических тел количество урана в Земле составляло 0.26%, что равно 5976 ∙1021х0.0026 = 15.54∙1021кг. Получается, что распалось 7.77∙1021кг урана. На такую величину уменьшилась масса уранового ядра только за счет реакции естественного распада. Практически вся масса этого урана превратилась в свинец и пополнила его слой. Образующиеся сейчас вновь в результате ядерных реакций элементы продолжают перемещаться в объеме Земли. Каждое промежуточное ядро радиоактивного изотопа, трансформируется по цепочке преобразования из изотопа одного элемента в изотоп другого элемента, каждый раз перемещается из одного слоя в другой слой, то поднимаясь, то опускаясь через слои ядра Земли в соответствии с тем, в изотоп какого атома оно превратилось в данный момент, пока не перейдет в стабильное состояние. Похожая, как у распада урана, картина и по другим естественным и вновь образованным радиоактивным изотопам: Th232, Np237, U233, Рu239…