Самый распространенный металл в космосе
Обновлено: 13.05.2024
«Два самых распространенных элемента во Вселенной — водород и глупость». — Харлан Эллисон. После водорода и гелия, в периодической таблице сплошь и рядом идут сюрпризы. В числе самых удивительных фактов есть и то, что каждый материал, которого мы когда-либо касались, который видели, с которым взаимодействовали, состоит из одних и тех же двух вещей: атомных ядер, заряженных положительно, и электронов, заряженных отрицательно. То, как эти атомы взаимодействуют между собой — как они толкаются, связываются, притягиваются и отталкиваются, создавая новые стабильные молекулы, ионы, электронные энергетические состояния, — собственно, определяет живописность мира вокруг нас.
Даже если именно квантовые и электромагнитные свойства этих атомов и их составляющих позволяют нашей Вселенной существовать с теми свойствами, что у нее есть, важно понимать, что Вселенная начиналась вовсе не со всеми этими элементами. Совсем наоборот, начинала она практически без них.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Видите ли, чтобы достичь разнообразия структур связи и построить сложные молекулы, которые лежат в основе всего, что нам известно, нужно очень много атомов. Не в количественном выражении, а в разнообразном, то есть чтобы были атомы с разным числом протонов в их атомных ядрах: именно это делает элементы разными.
Наши тела нуждаются в таких элементах, как углерод, азот, кислород, фосфор, кальций и железо. Кора нашей Земли нуждается в таких элементах, как кремний и множество других тяжелых элементов, тогда как ядро Земли — чтобы вырабатывать тепло — нуждается в элементах, наверное, всей периодической таблицы, которые встречаются в природе: торий, радий, уран и даже плутоний.
Но вернемся к ранним этапам Вселенной — до появления человека, жизни, нашей Солнечной системы, до самых первых твердых планет и даже первых звезд — когда все, что у нас было, это горячее, ионизированное море протонов, нейтронов и электронов. Не было элементов, атомов и не было атомных ядер: Вселенная была слишком горячей для всего этого. И только когда Вселенная расширилась и остыла, появилась хоть какая-то стабильность.
Прошло некоторое время. Первые ядра слились вместе и больше не разошлись, произведя водород и его изотопы, гелий и его изотопы, а также крошечные едва различимые объемы лития и бериллия, последний впоследствии радиоактивно распался на литий. С этого началась Вселенная: по числу ядер — 92% водорода, 8% гелия и примерно 0,00000001% лития. По массе — 75-76% водорода, 24-25% гелия и 0,00000007% лития. В начале было два слова: водород и гелий, на этом, можно сказать, все.
Сотни тысяч лет спустя Вселенная остыла достаточно, чтобы смогли образоваться нейтральные атомы, а десятки миллионов лет спустя гравитационный коллапс позволил состояться первым звездам. Вместе с этим, явление ядерного синтеза не только наполнило светом Вселенную, но и позволило сформироваться тяжелым элементам.
К моменту рождения первой звезды, где-то 50-100 миллионов лет после Большого Взрыва, обильное количество водорода начало сливаться в гелий. Но что еще более важно, самые массивные звезды (в 8 раз массивнее нашего Солнца) сжигали свое топливо очень быстро, выгорая всего за пару лет. Как только в ядрах таких звезд заканчивался водород, гелиевое ядро сжималось и начинало сливать три ядра атома в углерод. Потребовался всего триллион этих тяжелых звезд в ранней Вселенной (которая образовала намного больше звезд в первые несколько сотен миллионов лет), чтобы литий был побежден.
И тут вы, наверное, думаете, что углерод стал элементом номер три в наши дни? Об этом можно подумать, поскольку звезды синтезируют элементы послойно, как луковица. Гелий синтезируется в углерод, углерод в кислород (позже и при большей температуре), кислород в кремний и серу, а кремний в железо. В конце цепочки железо не может слиться больше ни во что, поэтому ядро взрывается и звезда становится сверхновой.
Эти сверхновые, этапы, которые к ним привели, и последствия обогатили Вселенную содержимым внешних слоев звезды, водородом, гелием, углеродом, кислородом, кремнием и всеми тяжелыми элементами, которые сформировались в ходе других процессов:
- медленного захвата нейтрона (s-процесс), последовательно выстраивающего элементы;
- слияния ядер гелия с тяжелыми элементами (с образованием неона, магния, аргона, кальция и так далее);
- быстрого захвата нейтрона (r-процесс) с образованием элементов до урана и дальше.
Но у нас было не одно поколение звезд: у нас было много таких, и поколение, которое существует ныне, построено в первую очередь не на девственном водороде и гелии, но и на остатках от предыдущих поколений. Это важно, поскольку без этого у нас никогда бы не было твердых планет, лишь газовые гиганты из водорода и гелия, исключительно.
За миллиарды лет процесс образования и смерти звезд повторялся, все с более и более обогащенными элементами. Вместо того чтобы просто сливать водород в гелий, массивные звезды сливают водород в цикле C-N-O, со временем выравнивая объемы углерода и кислорода (и чуть меньше азота).
Кроме того, когда звезды проходят через гелиевый синтез с образованием углерода, довольно просто захватить лишний атом гелия с образованием кислорода (и даже добавить еще один гелий к кислороду с образованием неона), и даже наше Солнце будет делать это во время фазы красного гиганта.
Но есть один убийственный шаг в звездных кузницах, который исключает углерод из космического уравнения: когда звезда становится достаточно массивной, чтобы инициировать слияние углерода — такова необходимость для образования сверхновой II типа — процесс, который превращает газ в кислород, идет до отказа, создавая намного больше кислорода, чем углерода, к моменту, когда звезда готова к взрыву.
Когда мы смотрим на останки сверхновой и планетарные туманности — остатки очень массивных звезд и солнцеподобных звезд соответственно — мы находим, что кислород превосходит углерод массово и количественно в каждом из случаев. Мы также обнаружили, что ни один из других элементов тяжелее и близко не стоит.
Что будущее нам готовит?
Вселенная меняется. Кислород — третий по распространенности элемент в современной Вселенной, и в очень, очень далеком будущем, возможно, поднимется выше водорода. Каждый раз, когда вы вдыхаете воздух и чувствуете удовлетворение от этого процесса, помните: звезды — единственная причина существования кислорода.
Что входит в состав звёзд
По определению звезда — это гигантский газовый шарообразный объект, который излучает свет и находится в состоянии равновесия благодаря собственной гравитации и давлению внутри него. Как известно, они формируются из газово-пылевой среды под действием гравитационного сжатия. Но что входит в состав звёзд?
Звезда Арктур
Хотя все светила разные, их образуют одни и те же вещества. Итак, химический состав звёзд:
- водород (73%);
- гелий (25%);
- атомы тяжёлых веществ (2%).
Водород
Как видно, в составе звёзд самым распространенным элементом является водород. Кстати, благодаря ему и начинаются ядерные реакции.
Газовые облака
Во время сжатия газового облака, температура внутри повышается. Так, запускаются термоядерные реакции в уже сформировавшемся ядре. В это время четыре атома водорода, которые преобладают в области, сливаются в один атом гелия. Другими словами, водород начинает гореть, а из него синтезируется гелий. Таким образом вырабатывается основная часть энергии (98% от общей звездной).
Гелий
Стоит отметить, что это второй самый распространённый элемент в химическом составе всех светил. Более того, он является вторым самым лёгким элементом, опять же после водорода. Вероятно, поэтому гелия и водорода больше любых других элементов во всей Вселенной. Они входят в состав всего, что есть в нашем космосе.
Гелий, как уже было сказано, образуется во время термоядерного синтеза. И, что важно, под воздействием высокой температуры и горения водорода, он также начинает гореть. Данный процесс приводит к формированию плотного ядра.
Атомы водорода и гелия
Вместе с тем гравитационное сжатие увеличивает плотность гелия, что приводит к повышению температуры (да, она становится всё выше и выше). Тем самым увеличивается излучение и внешняя оболочка, которая при расширении начинает остывать. И вот звезда растёт и эволюционирует. Правда, гелиевый центр тела может догореть до взрыва или же выгореть в углеродное ядро. Все зависит от остального содержания звезды.
Другие атомы тяжёлых веществ
Несмотря на то, что вещества тяжелее гелия составляют всего 2% от всего светила, их значение очень велико. Ведь они влияют на скорость процессов внутри ядра. То есть могут либо ускорять, либо замедлять их. А это обуславливает яркость и длительность жизни звездного тела.
Как известно, чем тяжелее элемент, тем глубже он находится. Потому как тяжёлое сильнее притягивается силами гравитации. Соответственно, лёгкие элементы, наоборот, удерживаются снаружи.
Таким образом, если в химическом составе присутствуют атомы тяжелее водорода и гелия, то они будут располагаться в самом ядре. Если звезда имеет массу выше средней и в ней есть, например, железо или любое другое тяжёлое вещество, то произойдёт взрыв сверхновой. Конечно, не сразу, а на конечном этапе своей эволюции. Но итог очевиден — превращение в нейтронную звезду или чёрную дыру.
Нейтронная звезда Чёрная дыра
По данным учёных, существуют светила с богатым содержанием кремния, железа марганца, углерода и других веществ. Очевидно, что преобладание определённых веществ, которые и составляют эти небольшие, но важные 2%, предопределяют её судьбу.
Помимо того, что они образуются в результате термоядерных процессов, на их формирование также влияет межзвездная среда. Потому что первоначальный состав, то есть облако из газа и пыли, может уже содержать какие-либо тяжёлые элементы. И они, собственно, невольно попадут в звёздный состав.
Что интересно, жёлтые и красные карлики богаты на тяжёлые элементы, а вот массивные светила не могут этим похвастаться.
Если в массивной звезде преобладают атомы металлов, то при взрыве сверхновой остаток будет меньше.
Основная структура звёздных тел
внутренняя зона:
- ядро — центр, где протекают термоядерные реакции;
- конвективная зона — область, в которой энергия переносится посредством перемешения вещества;
- лучистая зона — область, где энергия переносится в результате излучения фотонов. Правда, она отсутствует у звезд с малой массой.
В процессе эволюции светила со средней и большой массой, так сказать, наращивают дополнительные слои. В которых, так же как и внутри, происходят ядерные реакции. Чем больше масса, тем больше слоёв. Но в них гореть может уже не водород, а углерод, превращающийся в тяжёлые элементы. К примеру, даже в железо.
внешняя часть — атмосфера.
Она расположена над поверхностью звезды и также, как и внутренняя область, состоит из трёх зон:
- фотосфера — находится в самом низу, в ней формируется спектр;
- хромосфера — окружает нижнюю часть, чаще всего красного цвета за счет водородного излучения;
- корона — внешняя атмосферная зона, состоящая из плазмы и излучающая рентгеновское излучение.
Как узнали из чего состоят звезды
Конечно, люди еще в древние-древние времена видели эти прекрасные и сияющие точки на ночном небе. Со временем их научились оценивать по цвету и светимости, даже узнали расстояние до них. Но состав звёзд долго оставался загадкой. Долго человечество строило догадки. И лишь в середине 19 века занавес тайны приоткрылся благодаря появлению методики спектрального анализа.
Как оказалось, любой источник света обладает собственным спектром, который зависит от составляющих веществ. Они могут поглощать и пропускать спектральные линии. Таким образом, анализ спектра звезды помог учёным определить из чего же они состоят.
Что интересно, по химическому составу и массе звезд учёные определяют их возраст и судьбу.
Солнечный спектр
Между прочим, существует целая наука о составе и природе звёзд — Астрофизика. Именно она изучает строение, физические свойства и химический состав космических объектов.
В заключении, ещё раз отметим, что определенный химический состав звёзд определяет их жизненный путь и то, какие этапы эволюции их ожидают. Помимо этого, он влияет на формирование других космических объектов нашей Вселенной. Главным образом, тех, в которые светило будет входить и формировать.
Самый распространённый элемент во вселенной
В нашем понимании Вселенная это нечто единое целое. Но имеющее свою структуру и состав. Сюда относятся все небесные тела и объекты, материя, энергия, газ, пыль и многое другое. Все это образовалось и существует, независимо от того, видим ли мы это или ощущаем. А из чего состоит окружающий нас мир, какой самый распространённый элемент в нём? Вот об этом мы и поговорим.
Тёмная материя
Учёные давно рассматривают такие вопросы: Как образовалась наша Вселенная? И какие элементы её наполняют?
Оказывается этот химический элемент самый лёгкий в мире. Кроме того, его одноатомная форма составляет примерно 87% всего состава вселенной. Помимо того, он содержится в большинстве молекулярных соединений. Даже в воде, или, к примеру, он является частью органических веществ. Вдобавок водород выступает особенно важной составляющей частью кислотно-основных реакций.
Этот распространённый элемент растворим в большинстве металлах. Что интересно, водород не обладает запахом, цветом и вкусом.
Водород
В процессе изучения, учёные назвали водород горючим газом.
Как только не определяли его. Например, он носил имя: рождающий воду, а затем водотворное вещество.
Лишь в 1824 году ему присвоили название водород.
Во Вселенной водород входит в состав 88,6% всех атомов. Остальное в большем количестве составляет гелий. И лишь малая часть это прочие элементы.
Звёзды и другие газы также в основном содержат данный распространённый элемент.
Кстати, опять же он может присутствовать в виде плазмы. А в космическом пространстве он представлен в виде молекул, атомов и ионов.
Водород способен формировать молекулярные облака.
Молекулярное облако Ориона
Характеристика водорода
Это уникальный элемент, так как не имеет нейтронов. Он содержит лишь один протон и электрон.
Как указывалось, это самый лёгкий газ. Чем меньше масса молекул, тем выше их скорость. На это не влияет даже температура.
Теплопроводность водорода одна из высоких среди всех газов.
Помимо всего прочего, он хорошо растворим в металлах, что влияет на его способность диффундировать через них. Иногда процесс приводит к разрушению. К примеру, взаимодействие водорода и углерода. В этом случае происходит декарбонизация.
Появление водорода
Возник во Вселенной после Большого взрыва, как и все химические элементы. Согласно общепринятой теории, в первые микросекунды после взрыва температура вселенной была выше 100 млрд градусов. При этом образовалась связь трёх кварков, что создало протон. Затем возникло ядро атома водорода. В процессе расширения температура упала, и кварки образовали протоны и нейтроны. Так, появился водород.
Связь трёх кварков
В промежутке от 1 до 100 секунд после образования Вселенной часть протонов и нейтронов соединилась, образовав другой элемент-гелий.
А потом расширение пространства и снижение температуры приостановило соединительные реакции. Но они вновь запустились внутри звёзд. В результате образовались атомы других химических элементов.
По сути, водород и гелий являются основными двигателями образования остальных элементов.
Гелий
Гелий вообще является вторым по распространённым элементом во Вселенной. Его доля составляет 11,3% всего космического пространства.
Свойства гелия
Он аналогично водороду не имеет запаха, цвета и вкуса. Вдобавок, это второй по лёгкости газ. Но его температура кипения самая низкая из всех известных.
Гелий — это инертный, нетоксичный и одноатомный газ. По теплопроводности он также стоит на втором месте.
Добыча гелия осуществляется методом разделения при низкой температуре.
Хотя раньше гелий считали металлом, но в процессе изучения определили, что это газ. Причём, основной в составе Вселенной.
Применение гелия
Все элементы на Земле, за исключением водорода и гелия, породила миллиарды лет назад алхимия звёзд, часть которых является ныне неприметными белыми карликами где-то на другой стороне Млечного Пути. Азот наших ДНК, кальций наших зубов, железо нашей крови, углерод наших яблочных пирогов созданы в недрах сжимающихся звезд.
Мы сотворены из звездного вещества.
Карл Саган
Применение элементов
Человечество научилось добывать и применять с пользой для себя химические элементы. К примеру, водород и гелий применяют во многих сферах деятельности:
- пищевой промышленности;
- металлургии;
- химической промышленности;
- нефтепереработке;
- производстве электроники;
- косметической промышленности;
- геологии;
- даже в военной сфере и др.
Как видно, эти элементы играют важную роль в жизни космоса. Более того, само наше существование напрямую зависит от них. Ежеминутно происходит рост и движение Вселенной. И несмотря на то, что они по отдельности небольшие, все вокруг основано из этих элементов.
Несомненно, водород и гелий, также как другие химические элементы, уникальны и удивительны. Пожалуй, с этим невозможно поспорить.
Топ-10: самые распространенные химические элементы во всей Вселенной
Все мы знаем, что водород наполняет нашу Вселенную на 75%. Но знаете ли вы, какие еще есть химические элементы, не менее важные для нашего существования и играющие значительную роль для жизни людей, животных, растений и всей нашей Земли? Элементы из этого рейтинга формируют всю нашу Вселенную!
10. Сера (распространенность относительно кремния – 0.38)
Этот химический элемент в таблице Менделеева значится под символом S и характеризуется атомным номером 16. Сера очень распространена в природе.
9. Железо (распространенность относительно кремния – 0.6)
Обозначается символом Fe, атомный номер – 26. Железо очень часто встречается в природе, особенно важную роль оно играет в формировании внутренней и внешней оболочки ядра Земли.
8. Магний (распространенность относительно кремния – 0.91)
В таблице Менделеева магний можно найти под символом Mg, и его атомный номер – 12. Что самое удивительное в этом химическом элементе, так это то, что он чаще всего выделяется при взрыве звезд в процессе их преобразования в сверхновые тела.
7. Кремний (распространенность относительно кремния – 1)
Обозначается как Si. Атомный номер кремния – 14. Этот серо-голубой металлоид очень редко встречается в земной коре в чистом виде, но довольно распространен в составе других веществ. Например, его можно обнаружить даже в растениях.
6. Углерод (распространенность относительно кремния – 3.5)
Углерод в таблице химических элементов Менделеева значится под символом С, его атомный номер – 6. Самой знаменитой аллотропной модификацией углерода являются одни из самых желанных драгоценных камней в мире – алмазы. Углерод активно применяют и в других в промышленных целях более будничного назначения.
5. Азот (распространенность относительно кремния – 6.6)
Символ N, атомный номер 7. Впервые открытый шотландским врачом Дэниелом Рутерфордом (Daniel Rutherford), азот чаще всего встречается в форме азотной кислоты и нитратов.
4. Неон (распространенность относительно кремния – 8.6)
Обозначается символом Ne, атомный номер - 10. Не секрет, что именно этот химический элемент ассоциируется с красивым свечением.
3. Кислород (распространенность относительно кремния – 22)
Химический элемент под символом О и с атомным номером 8, кислород незаменим для нашего существования! Но это не значит, что он присутствует только на Земле и служит только для человеческих легких. Вселенная полна сюрпризов.
2. Гелий (распространенность относительно кремния – 3.100)
Символ гелия – He, атомный номер – 2. Он бесцветен, не имеет запаха и вкуса, не ядовит, и его точка кипения – самая низкая среди всех химических элементов. А еще благодаря ему шарики взмывают ввысь!
1. Водород (распространенность относительно кремния – 40.000)
Истинный номер один в нашем списке, водород находится в таблице Менделеева под символом Н и обладает атомным номером 1. Это самый легкий химический элемент периодической таблицы и самый распространенный элемент во всей изученной человеком Вселенной.
Читайте также: