Az elemek eredete I.

Átírás

1 Az elemek eredete I.

2 A Föld kontinentális kérgében ma 90 elem (H U), de 112 ismert: - az első 82 (H Pb) stabil nuklid is (Tc és Pm nincs a természetben), - a (Bi U) csak radioaktív nuklid ( 209 Bi, 2002-től radioaktív; 210 Po, MCS-PC, 209 Bi+n 210 Po; Rn; Ra), - a további 20 ritka elem: radioktív nuklidjai ismertek ( 237 Np /2.14*10 6 a, 209 Bi, majd 205 Tl/, 244 Pu/természet is/, 239 Pu és 241 Pu / 238 U+n maghasadás/), olv. és forr. pont (fiz. tul.) (kisérleti úton legalább további 1000, különböző radionuklidot állítottak/anak elő!) - elemi sokszínűség Fémek Alkálifémek Alkáliföldfémek Átmenetifémek Lantanoidák és aktinoidák Másodfajú fémek Félfémek Nemfémek Egyéb nemfémek Halogének Nemesgázok

3 A geokémia csoportosítása: - Nukleáris tulajdonságok alapján (stabil, radioaktív); - Illékonyságuk (kondezációs képesség) alapján gáz-szilárd egyensúlyi rendszerben (Univerzum); - Affinitásuk alapján (megjelenésük a földi szférákban) (pl. sziderofil, biofil); - Kompatibilitásuk szerint (szilárd/olvadék (oldat) relációban); - Gyakoriságuk alapján (mennyi a kéregben, talajban, folyókban, magban);

4 A hét leggyakoribb elem a Földben Relative atomic abundances of the seven most common elements that comprise 97% of the Earth's mass. Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, by John Winter, Prentice Hall. 93,3 % 88,75 % 96,6 % The 10 most abundant elements by mass in the earth's crust and in the human body. All are main-group elements except Fe and Ti.

5 /Kontinentális/

6 H, O, C, N mellett Ca, S, Na, K, Cl, Mg 0,X-0,0X at% Univerzum (csillagok): H>He>O - H az Univerzum leggyakoribb eleme (88.6 at%), - He a csillagokban a H tizede (11.3 at%) és arányuk állandó, - O a He százada - H- és He-től >Z elemek a H és He magreakciójából jött létre?

7 Az elemek szintézise - Ősrobbanás (Big Bang) (kozmológia nukleoszintézis) - Csillagok születése (sztelláris nukleoszintézis) - Szupernóva robbanás - Kozmikus sugárzás (spalláció) Burbidge, Burbidge, Fowler, Hoyle (1957) B 2 FH ( 2-3, de He, D ) Alpher, Bethe, Gamow (1948) ( 1, He, D, 7 Li)

8 Ősrobbanás Ősrobbanás (Big Bang): 15 milliárd éve Univerzum kialakulása (energia, tömeg); Nagy sűrűségű (~10 96 g/cm 3 ), nyomású (komprimált) és hőmérsékletű ún. quarksoup hirtelen felrobbanása (Hubble: az Univerzum a központi részéből induló tágulása) csökkenő sűrűsség és T: ~10 32 K-ről ~10 12 K-re Az Ősrobbanást követő tágulásban (~3. min.): (szubatomi) elemi részecskékből (kvark) proton (H) és neutron, majd magfúzió (T elegendően lecsökken: 10 9 K ) (~30. min.) deutérium (1p+1n), trícium (1p+2n) és He magok (2p+1n) és (2p+2n) keletkezése, majd H és He (ez a két elem leggyakoribb az Univerzumban: 4 He/( 4 He+H) ~ 25%, Az Univerzum egy forró, sebesen táguló tűzgolyó volt.

9 Big Bang Nucleosynthesis Universe starts at temperature (or energy) too hot for normal matter At about 1 second, the universe was a hot and dense mixture of free electrons, protons, neutrons, neutrinos and photons. The ratio of protons to neutrons is kept at unity as long as energy is high enough for matter to interact strongly with neutrinos. At about 2 seconds, neutrino mediation ends. Since free neutrons decay with half life of 900 seconds, the proton-to-neutron (p/n) ratio began to increase. After ~30 minutes, when p/n ~ 7, temperatures reached stability range of small nuclei and 4 He (and a bit of 2 D and 3 He) nuclei consumed the free neutrons. This predicts a mass fraction 4 He/( 4 He+H) ~ 25%, which is indeed observed powerful evidence in favor of big bang hypothesis Since there is no stable mass 5 nucleus and synthesis of He occurred on cooling (not heating), no heavy nuclei are formed!

10 A kezdet Anyag + antianyag Anyag kedvező állapotban Baryonok kvarkok, leptonok, elektronok, fotonok Hadronok protonok, neutronok Hidrogén, hélium (10:1 = H:He) (magok, néhány perc) + egyéb könnyű elemek magjai? ~ év (3*10 3 K): az anyag és sugárzás elkülönülése elektron + H, He mag = ATOM és FÉNY anyag szerveződése (csillagok, galaxisok)

11 GUT Grand Unified Theories

12 Az Ősrobbanás fő eseményei Univerzum átmérője mp 1 mp 180 mp 1 m m kvarkok, leptonok proton, neutron neutrínó leválása az anyagról könnyű magok (H, He) 100 milliárd K év fény Energia transzfer: foton anyagi részecske 0,5 milliárd év kvazárok galaxisok, csillagok 50 K Gravitáció okozta sűrűségkülönbség nehéz elemek szupernóvákból 15 milliárd év 3 K

13 Nukleáris fúzió - A tágulás miatt ~25 m/m% He formálódott (a legidősebb csillagok ezt a gyakoriságot mutatják nukleáris reakció T>10 9 K nincs). - Kezdetben csak H és He magok keletkeztek, azonban:

14 Be, Li, B szintézise az Ősrobbanásban? a korábbi reakciók mellett: 3 He + 4 He 7 Be + γ; 7 Be + e - 7 Li +γ; p-ben ill. n-ben sűrűbb tartományok kialakulása esetén: p-dús térben: 7 Li +p 2 4 He, n-dús térben: 7 Li +n 8 Li (t 1/2 = 0.84 s β He), de bomlás előtt: 8 Li + 4 He 11 B + n, ami p-dús térben: 11 B+ p 3 4 He egyéb n-gazdag részecskék is keletkezhettek: 7 Li + 3 H 9 Be + n 9 Be + 3 H 11 B + n

15 Chart of the Nuclides (1) number of Protons Isobar (nuclei of equal mass number) number of Neutrons 15

16 The mass fraction in various isotopes vs time p/n ratio, 2 H-peak, 3 H- 3 He link, 4 He-variation, 7 Li-variation, 7 Be- 7 Li link 6 Li (milyen fúzió?)

17 He-4 He-3 H-2 Li-7 variation The predicted abundance of elements heavier than hydrogen, as a function of the density of baryons (i.e. neutrons and protons) in the Universe at the time of nucleosynthesis

18 Bizonyítékok Kozmológiai nukleoszintézis: H, D, T, 3 He, 4 He / 7 Li/ Deutérium: - csillagközi felhőben kimutatható állandó koncentrációban (0.001 %), csillagokban nem keletkezik, egyetlen forrása az Ősrobbanás (sőt: 7 Li/ 2 H = 10-9 ) Hélium: - előfordulása mindenhol ~25 m/m % Csillagok vöröseltolódása: - a távoli galaxisokról érkező fény annál inkább a vörös felé mozdul el, minél nagyobb a fényforrás távolsága (Hubble megfigyelése) a világegyetem tágul Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás (Penzias & Wilson, 1964): - H atommag - foton lecsatolódása (~3000 K) sugárzás formájában detektálható - a T lecsökkent (~3 K) hullámhossz megnőtt, tágulás (a kozmikus háttérsugárzás az ősrobbanás maradványa)

19 The Big Bang Primary evidence for hot big bang origin of the universe: Hubble expansion Microwave background linear relationship between distance and red-shift demonstrates uniform expansion, implying a point-source origin perfect, isotropic 2.7 K blackbody spectrum of photons created at recombination (~300 ky after big bang) 19