Bilety_KSE (1)

Ti	-	-	0,05	0,05
P	-	-	0,1	0,1

Согласно современным данным, все оболочки Земли стратифицированы и взаимосвязаны между собой, т.е. изменения в составе, структуре или энергетическом состоянии влекут подобные изменения и в сопряженных геосферах. По новой модели внутренней структуры Земли, мантия более дробно стратифицирована и неоднородна как по вертикали, так и латерально. Внешнее ядро расчленено на слоистую зону и зону конвекции.

«Неоднородная структура мантийных геосфер существенно осложняется отдельными тепломассопотоками (плюмами), идущими от зоны раздела ядра и мантии». Землетрясения, появление магматических очагов, движения (дрейф) континентов тесным образом связаны с мантией, которую следует рассматривать как тектонически активную.

Первичный импульс перемещения масс в мантии дает ядро, однако в условиях сильного сжатия мантийные геосферы сами могут генерировать энергию, т.е. порождают вторичные энергетические импульсы -«второй источник тектонической энергии».

Атомная космическая распространенность элементов

Открытие использование спектрального анализа в астрономических наблюдениях необычайно расширило наши представления о химическом элементарном составе космических тел -- бесчисленного множества звезд. Еще творцы спектрального анализа Г. Кирхгоф и Р. Бунзен обнаружили в составе Солнца те же самые химические элементы, что и на Земле. Спектральный анализ стал широко применяться в астрофизических исследованиях и привел к новым открытиям. В 1868 г. новый элемент-- гелий был обнаружен Дж. Н. Локьером на Солнце, и лишь в 1895 г. спустя 27 лет он был найден на Земле В. Рамзеем в радиоактивном минерале клевеите. Однако количественная оценка распространения элементов в звездах и на Солнце сопровождалась большими трудностями. Высокие температуры звезд вызывают неравномерное возбуждение разных атомов и соответственно определяют различную интенсивность нспускаемого или поглощаемого света. Поэтому расшифровка звездных спектров потребовала существенных поправок на ионизацию вещества, что было выполнено индийским физиком М. Саха. Первую количественную оценку состава верхних оболочек Солнца произвел американский астрофизик Г. Ресселл в 1929 г. Он обнаружил, что по соотношению металлов вещество Солнца ближе к хондрнтовым метеоритам, чем к земной коре. Последующее уточнение состава солнечной атмосферы было выполнено немецким астрофизиком А. Унзёльдом.

Оценка атомной распространенности элементов в космических телах в астрофизике и космохимии чаще всего выражается в числе атомов данного элемента на 106 атомов кремния.

Заключение

Применение достижений ядерной физики и физики частиц высоких энергий к изучению астрофизических явлений позволило построить современные теории образования, строения и эволюции звезд, теории взрыва сверхновых и образования пульсаров и современную теорию образования химических элементов.

Эти теории существенным образом опираются на следующие фундаментальные процессы: 1) превращение водорода в гелий путем водородного и углеродного циклов как источник энергии звезд главной последовательности; 2) совокупность гелиевых реакций с выделением энергии и последующие за ними реакции перегорания углерода и кислорода в недрах массивных звезд; 3) медленный процесс захвата нейтронов в выгоревших корах тяжелых звезд; быстрый процесс нейтронного захвата при вспышках сверхновых и т.д.

Итак, массивные звезды самых первых поколений, завершившие свою эволюцию выбросом в космическое пространство переработанного в их недрах вещества, явились главным источником наблюдаемого богатого разнообразия изотопов в нашей Вселенной.

Другой источник:

http://nuclphys.sinp.msu.ru/astro/astro14.htm

Происхождение химических элементов

Этапы синтеза элементов

Для объяснения распространенности в природе различных химических элементов и их изотопов в 1948 году Гамовым была предложена модель Горячей Вселенной. По этой модели все химические элементы образовывалис в момент Большого Взрыва. Однако это утверждение впоследствии было опровергнуто. Доказано, что только легкие элементы могли образоваться в момент Большого Взрыва, а более тяжелые возникли в процессах нуклеосинтеза. Эти положения сформулированы в модели Большого Взрыва (см. п. 15).

По модели Большого Взрыва формирование химических элементов началось с первоначального ядерного синтеза легких элементов (Н, D, 3Не, 4Не, 7Li) спустя 100 секунд после Большого Взрыва при температуре Вселенной 109 K.

Экспериментальную основу модели составляют расширение Вселенной, наблюдаемое на базе красного смещения, первоначальный синтез элементов и космическое фоновое излучение.

Большим достоинством модели Большого Взрыва является предсказание о распространенности D, Не и Li, отличающихся друг от друга на много порядков.

Экспериментальные данные о распространенности элементов в нашей Галактике показали, что атомов водород 92%, гелия − 8%, и более тяжелых ядер − 1 атом на 1000, что согласуется с предсказаниями модели Большого Взрыва.

Ядерный синтез − синтез легких элементов (Н, D, 3Не, 4Не, 7Li) в ранней Вселенной.

Распространенность 4Не или его относительная доля в массе Вселенной Y = 0.23 ±0.02. По крайней мере половина гелия, образованного в результате Большого Взрыва, содержится в межгалактическом пространстве.

Первоначальный дейтерий существует только внутри Звезд и быстро превращается в 3Не.

Из данных наблюдений получаются следующие ограничения на распространенность дейтерия и Не относительно водорода:

10-5 ≤ D/H ≤ 2·10-4 и 1.2·10-5 ≤ 3Не/H ≤ 1.5·10-4,

причем наблюдаемое отношение D/H составляет лишь долю ƒ от первоначального значения: D/H = ƒ(D/H)первонач. Поскольку дейтерий быстро превращается в 3Не, получается следующая оценка для распространенности:

[(D + 3Не)/H]первонач ≤ 10-4.

Распространенность 7Li измерить трудно, однако используются данные по изучению атмосфер звезд и зависимость распространенности 7Li от эффективной температуры. Оказывается, что, начиная с температуры 5.5·103 K, количество 7Li остается постоянным. Наилучшая оценка средней распространенности 7Li имеет вид:

7Li/H = (1.6±0.1)·10-10.

Распространенность более тяжелых элементов, таких как 9Be, 10В и 11В, меньше на несколько порядков. Т распространенность 9Ве/Н < 2.5·10-12.

Синтез ядер в звездах Главной Последовательности при Т < 108 K

Синтез гелия в звездах Главной Последовательности в рр- и CN-циклах происходит при температуре Т ~ 107÷7·107 K. Водород перерабатывается в гелий. Возникают ядра легких элементов:2Н, 3Не, 7Li, 7Be, 8Ве, но их м

из-за того, что в дальнейшем они вступают в ядерные реакции, а ядро 8Be практически мгновенно распадается из малого времени жизни (~ 10-16 с)

8Ве → 4Не + 4Не.

Процесс синтеза, казалось, должен был бы прекратиться, но природа нашла обходной путь.

Когда Т > 7·107 K, гелий "сгорает", превращаясь в ядра углерода. Происходит тройная гелиевая реакция − "Гелиевая вспышка" − 3α → 12С, но ее сечение очень мало и процесс образования 12С идет в два этапа.

Происходит реакция слияния ядер 8Ве и 4Не с образованием ядра углерода 12С* в возбужденном состоянии, которое возможно благодаря наличию у ядра углерода уровня 7.68 МэВ, т.е. происходит реакция:

8Ве + 4Не → 12С* → 12С + γ.

Существование уровня энергии ядра 12С (7.68 МэВ) помогает обойти малое время жизни 8Be. Благодаря наличию этого уровня у ядра 12С происходит Брейт-Вигнеровский резонанс. Ядро 12С переходит на возбужденный уровень энергией ΔW = М + ε,

где εM = (M8Be − М4Hе)− M12C = 7.4 МэВ, а ε компенсируется за счет кинетической энергии.

Эта реакция была предсказана астрофизиком Хойлом, а затем воспроизведена в лабораторных условиях. Затем начинают идти реакции:

12С + 4Не → 160 + γ

160 + 4Не → 20Ne + γ и так до А ~ 20.

Так нужный уровень ядра 12С позволил пройти узкое место в термоядерном синтезе элементов. У ядра 16О нет таких уровней энергии и реакция образования 16О идет очень медленно

12С + 4Не → 160 + γ.

Эти особенности протекания реакций привели к важнейшим следствиям: благодаря им оказалось одинаковое чис ядер 12С и 160, что создало благоприятные условия для образования органических молекул, т.е. жизни.

Изменение уровня 12С на 5% привело бы к катастрофе − дальнейший синтез элементов прекратился бы. Но так как этого не произошло, то образуются ядра с A в диапазоне

А = 12÷20

Синтез ядер при Т > 2·108 K

Горение углерода начинается, когда температура Т достигает > 2·108 K (такая температура у Красных Гигантов):

12С+ 12С → 24Mg + γ или

23Na + p → 23Mg + n

иобразуются ядра в диапазоне А

Затем при еще более высокой температуре Т ~ 2·108÷109 K загорается кислород:

160+ 160 → 32S + γ;

→31P + p

→32S+ 4He и т.д.

А = 25÷32

Это приводит к значениям А

Затем начинается синтез более тяжелых ядер.	А = 36÷46

Реакция фоторасщепления − 20Ne(γ,α)16O − идет очень быстро (~ 106 лет) и наступает равновесие между синтез и расщеплением.

Равновесные процессы происходят при температуре Т ~ 4·109 K, для которой не существенен кулоновский потенциальный барьер. При такой температуре возможны все экзоэнергетические реакции за счет термоядерного синтеза вплоть до ядер Fe − предельного элемента синтеза.

Все ядра Fe, Co, Сr образуются за счет термоядерного синтеза.	А = 50÷60

Можно вычислить распространенность ядер во Вселенной, исходя из существования этих процессов. Сведения о распространенности элементов в природе получаются из спектрального анализа Солнца и Звезд, а

также космических лучей. На рис. 99 представлена интенсивность ядер при разных значениях А.

Рис. 99: Распространенность элементов во Вселенной.

Водород Н − самый распространенный элемент во Вселенной. Лития Li, бериллия Be и бора В на 4 порядка меньше соседних ядер и на 8 порядков меньше, чем Н и Не.

Li, Be, В − хорошее горючее, они быстро сгорают уже при Т ~ 107 K.

Труднее объяснить, почему они все же существуют − скорее всего, благодаря процессу фрагментации более тяжелых ядер на стадии протозвезды.

В космических лучах ядер Li, Be, В много больше, что также является следствием процессов фрагментации более тяжелых ядер при взаимодействии их с межзвездной средой.

12С÷16О − результат Гелиевой вспышки и существования резонансного уровня у 12С и отсутствия такового у 16О ядро которого является также дважды магическим. 12С − полумагическое ядро.

Таким образом, максимум распространенности у ядер железа 56Fe, a затем − резкий спад. Для А > 60 синтез энергетически невыгоден.

Образование ядер тяжелее железа

Доля ядер с А > 90 невелика − 10-10 от ядер водорода. Процессы образования ядер связаны с побочными реакциями, происходящими в звездах. Таких процессов известно два:

s (slow) − медленный процесс, г (rapid) − быстрый процесс.

Оба эти процесса связаны с захватом нейтронов т.е. надо, чтобы возникли такие условия, при которых образует много нейтронов. Нейтроны образуются во всех реакциях горения.

13С + 4Не → 160 + n − горение гелия,

12С + 12С → 23Mg + n − углеродная вспышка, 16O + 16O → 31S + n − кислородная вспышка, 21Ne + 4Не → 24Mg + n − реакция с α-частицами.

В результате накапливается нейтронный фон и могут протекать s-и r-процессы − захват нейтронов. При захват нейтронов образуются нейтроно-избыточные ядра, а затем происходит β-распад. Он превращает их в более тяжелые ядра.

56Fe + n → 57Fe + γ

57Fe + n → 58Fe + γ

β-распады − 58Fe → 58Co → 58Ni и т.д.

s-процесс происходит в звездах Главной последовательности и в Красных Гигантах, где плотность нейтронов ρn 10 cм. Процесс идет в течение t ~ 105 лет (медленно). Невысокие максимумы на кривой распространенности бъясняются s-процессом.

Ядра со временем жизни τβ > 105 лет не образуются в s-процессе. Это − Обойденные s-процессом ядра:

116Cd (у него τ2β = 3.1·1019 лет >> 105 лет);

122Sn, 124Sn.

Число обойденных ядер растет с увеличением ядерного заряда. После Z = 83 s-процесс не работает. А = 210 − (α-активное ядро).

Происхождение этих ядер объясняется r-процессом.

Быстрый захват (tзахв << ταβ) приводит к образованию более тяжелых ядер. Плотность нейтронов на короткое вре сверхновых звездах составляет 1020 см-3, и ядра перегружаются нейтронами и при последующем β-распаде риходят в область тяжелых ядер. Так образуются обойденные ядра: 116Cd,120Sn, 124Sn.

Заряд ядра возрастает пропорционально числу β-распадов. Быстрый r-процесс был воспроизведен при взрыве водородной бомбы. При этом были обнаружены элементы: эйнштейний 253Es, фермий255Fm.

U + 15n → Es; U + 17n → Fm и β-распад.

В настоящее время в лабораторных условиях синтезированы ядра с Z = 116 и А = 289.

Билет № 31. Полезные ископаемые. Их происхождение.

Полезные ископаемые — горные породы иминералы, которые используются или могут быть применены в народном хозяйстве. Подразделяются они по-разному. В одном случае подчеркивается их физическое состояние, и выделяются следующие типы:

твердые (различные руды, уголь, мрамор, гранит, соли);

жидкие (нефть, минеральные воды);

газовые (горючие газы, гелий, метан).

Вдругом случае за основу берется их использование, вследствие чего выделяются ископаемые:

горючие (уголь, торф, нефть, природный газ, горючие сланцы);

рудные (руды горных пород, включающие металлические полезные компоненты и неметаллические (графит, асбест);

нерудные (неметаллические и негорючие полезные ископаемые: песок, гравий, глина,

мел, известняк, различные соли. Отдельной группой стоят драгоценные и поделочные

камни).

Виды полезных ископаемых

По происхождению все полезные ископаемые делятся на магматические, осадочные и метаморфические. В их размещении по территории Земли прослеживаются определенные закономерности. В складчатых областях обычно залегают магматические полезные ископаемые. Это связано с тем, что руды образовались в основном из магмы и выделяющихся из нее горячих водных растворов. Магма поднимается из недр по разломам и застывает в толще горных пород на различной глубине. Магматические полезные ископаемые могут образовываться и из излившейся магмы — лавы, которая быстро остывает. Обычно внедрение магмы происходит в период активныхтектонических движений, поэтому рудные полезные ископаемые связаны со складчатыми областями. На платформенных равнинах они приурочены к фундаменту — нижнему ярусу платформы. На платформах рудные месторождения могут быть приурочены к щитам (щит — выход фундамента платформы на поверхность) либо к тем частям платформы, где мощность осадочного чехла невелика и фундамент подходит близко к поверхности. Так расположены железные руды Курской магнитной аномалии (КМА) в России. На щитах добываются руды в Криворожском бассейне (Украина) и др.

Осадочные полезные ископаемые наиболее характерны для платформ, так как там располагается платформенный чехол. Преимущественно это нерудные полезные ископаемые и горючие, ведущую роль среди которых играют газ, нефть, уголь, горючие сланцы. Они образовались из накопившихся в прибрежных частях мелководных морей и в озерно- болотныхусловиях суши остатков растений и животных. Эти обильные органические остатки могли накопиться лишь в достаточно влажных и теплых условиях, благоприятных для пышного развития растительности. В жарких засушливых условиях в мелководных морях и прибрежных лагунах происходило накопление солей, использующихся как сырье

в химической промышленности.

Добыча полезных ископаемых

Существует несколько способов добычи полезных ископаемых. Во-первых, это открытый способ, при котором горные породы добываются в карьерах. Он экономически более выгоден, так как способствует получению более дешевого продукта. Однако брошенный карьер может стать причиной образования широкой сети оврагов. Шахтный способ добычи угля требует больших затрат, поэтому является более дорогостоящим. Наиболее дешевый способ добычи нефти — фонтанный, когда нефть поднимается по скважине под давлением нефтяных газов. Распространен также насосный способ добычи. Существуют и особые способы добычи полезных ископаемых. Они называются геотехнологическими. С их помощью из недр Земли добывают руду. Делается это закачиванием горячей воды, растворов в пласты, содержащие необходимое полезное ископаемое. Другие скважины откачивают полученный раствор и отделяют ценный компонент.

Потребность в полезных ископаемых постоянно растет, увеличивается добыча минерального сырья, но полезные ископаемые — это исчерпаемые природные ресурсы, поэтому необходимо более экономно и полно расходовать их.

Для этого есть несколько путей:

снижение потерь полезных ископаемых при их добыче;

более полное извлечение из породы всех полезных компонентов;

комплексное использование полезных ископаемых;

поиск новых, более перспективных месторождений.

Таким образом, основным направлением использования полезных ископаемых на ближайшие годы должно стать не увеличение объема их добычи, а более рациональное использование.

При современных поисках полезных ископаемых необходимо использовать не только новейшую технику и чувствительные приборы, но и научный прогноз поиска месторождений, который помогает целенаправленно, на научной основе вести разведку недр. Именно благодаря подобным методам были сначала научно предсказаны, а затем открыты месторождения алмазов в Якутии. Научный прогноз опирается на знание связей геологического строения и условий образования полезных ископаемых.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ http://macroevolution.narod.ru/sorohtin15.pdf

Из другого источника http://studopedia.net/1_22224_proishozhdenie-poleznih-iskopaemih.html

Месторождения полезных ископаемых образуются только во внешней оболочке Земли – рудосфере. В ней происходит постоянный круговорот веществ. Породы и руды, возникающие на больших глубинах, поднимаются наверх и образуют горные хребты и возвышенности. Затем Солнце, вода и ветер разрушают их и в виде обломков и растворов переносят в моря и озера. Постепенно там накапливаются 1000-метровые толщи песков, глин, солей и других осадочных пород, которые погружаются в глубинные части Земли. Таким образом, завершается цикл круговорота вещества.

Месторождения образуются на любом этапе круговорота вещества. Вначале на больших глубинах при высоких температурах (8000 С) и давлении (1000 кг/см2) твердое вещество превращается в магму. Она под давлением устремляется вверх. По пути часть расплава застывает, а часть, вырвавшись наружу, изливается в виде лавы, пепла и застывших обломков (туфов).

По мере остывания магмы сначала выделяются минералы, которые образуют руды никеля, меди, хрома, титана, алмазов и др. После затвердевания расплава от только что застывшей, но еще горячей массы отделяются газы и вода с растворенными в ней рудными элементами. Горячие растворы проникают по трещинам за пределы рудного тела, и далее кристаллизуются в разнообразные минералы, образующие месторождения золота, платины, железа, свинца, цинка и т.д. Эти месторождения обычно залегают в виде жил в трещинах и пустотах твердых горных пород.

Внутри вулканов, на небольших глубинах, из низкотемпературных растворов образуются богатые золото-серебрянные месторождения.

Из застывшей на глубине магмы образуются такие породы, как медные и никелевые руды, хром, титан, платина и др.

Самая большая и разнообразная по составу руд группа месторождений образуется из растворов, циркулирующих по трещинам. Эти растворы возникают при застывании магмы, содержащей много оксидов кремния. Из такой магмы образуются граниты. Как в самих гранитах, так и во вмещающих их породах отлагаются руды серебра, цинка, висмута и мн. др. элементов. Руды образуются повсеместно: на суше, в реках, озерах, морях и океанах. Наиболее активны эти процессы в горах и на плоскогорьях в жарком и влажном климате. Горы разрушаются ветром, водой, суточными колебаниями температуры и движущимися ледниками. В результате образуется большая масса обломков, которая перемещается по планете в направлении более низких ее участков. Реки активно переносят большее количество обломков, при этом наиболее прочные, тяжелые и химически инертные частицы накапливаются в понижениях и излучинах рек.

Свою лепту в разрушение прибрежных скал вносят моря и океаны. В прибрежно-морских участках скапливаются запасы руд циркония, титана, олова и др. В морских галечниках сосредоточены основные запасы сапфиров, аметистов, агатов и мн. др.

В изолированных бассейнах, расположенных в жарких пустынных областях при интенсивном испарении выпадают в осадок различные соли; поваренные, калийные, а также соединения, из которых добывают магний, калий, йод, бром и мн. др.

Бурная органическая жизнь в воде также участвует в образовании месторождений. Из скелетов отмирающих организмов накапливаются огромные массы известняка и фосфора, который активно усваивают морские организмы.

Медленно и неумолимо вздымаются горные хребты, рядом с ними крупные участки земной коры погружаются в пучину океана и покрываются обломками, сносимыми речными потоками с разрушающихся горных кряжей. Накопившиеся осадочные толщи в конце концов оказываются на глубинах в несколько десятков километров, где под действием высоких температур (более 500о С) и давления (более 1000 кг/см2) полностью преобразуются. Глины превращаются в прочные горные породы – сланцы, легко раскалывающиеся на тонкие пластинки. Из пористых и легких известняков образуются разнообразные по рисунку и расцветке мраморы, обычные каменные угли превращаются в графит. Таким образом, происходит круговорот веществ в земной коре.

Билет № 32. Космические ритмы. Взаимосвязь событий на Земле и в космосе.

Геологические ритмы на Земле. Ритмы на Земле и в Космосе

06.12.2007 - 13:51, автор ksu

Для определения характеристик развивающейся системы в соответствии со звеном развития требуется знать механизм и деятельность основного равномерного ритма, играющего роль временного эталона. Таким "метрономом развития" может быть галактический год, т. е. время обращения Солнечной системы вокруг галактического ядра. Поэтому знание величины галактического года позволяет рассчитать рубежи геохронологической шкалы (Жирмунский А. В., Кузьмин В. И. Критические уровни в развитии природных систем. Наука, 1990). Этот расчет показал, что крупные преобразования в процессах развития Земли и биосферы определяются системой иерархически взаимосвязанных ритмов, знание одного из которых

позволяет определить остальные. По оси абцисс - порядковый номер ритма. По оси ординат - длительность ритма (лет, в логарифмическом

масштабе). Вертикальные отрезки определяют пределы изменения длительностей ритмов по данным стратиграфии.

На рисунке приведены длительности ритмов (в логарифмической шкале), выделенных в геологической истории Земли в функции от их рангового номера. Сплошной линией здесь представлена геометрическая прогрессия с модулем е, рассчитанная от длительности галактического года. Из рисунка видно, что в диапазоне длительностей ритмов от сотен миллионов до 10 тыс. лет соотношение между средними