Природа космических тел Солнечной системы

Перемещение веществ, вызванное α- и β-распадами изотопов

Гипотеза 28

Процессы α- и β-распадов изотопов начали идти 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…

Картина перемещений преобразующихся изотопов является частью общей картины массообмена в ядре Земли.

Перемещения веществ, вызванные делениями ядер элементов

Гипотеза 29

Перемещения магнитных полюсов Земли говорят о мощных процессах, которые происходят в ее ядре. Такими процессами могут быть деления ядер тяжелых элементов U235, U233, Рu239. Природный уран состоит в основном из U238, но содержит в своем составе 0.7204% изотопа U235. В соответствии с существующими законами при увеличении концентрации изотопа U235 неизбежно начнет происходить цепная реакция деления ядер урана на осколки. При распаде ядра выделяется 2—3 нейтрона, которые раскалывают другие ядра, где в свою очередь выделяются нейтроны, продолжающие процесс. При этом выделяется значительная энергия, составляющая 200 Мэв на ядро атома. Подобные реакции происходят в атомных электростанциях, а также при взрывах ядерных боеприпасов.

Причина концентрации изотопа урана U235 в ядре Земли показана в гипотезе №20. По фундаментальному закону Кричевского—Большакова, газы при высоком давлении и температурах выше критических расслаиваются с образованием поверхностей раздела. При этом расслаивание происходит не только по элементам, но и по их изотопам, что неизбежно приведет к увеличению содержания изотопа урана U235 в определенном слое и создаст условия для протекания реакции ядерного деления.

В результате реакций ядерного деления образуются лишние нейтроны, которые приводят к реакциям ядерного синтеза дополнительных количеств ядерного топлива U233, Pu239:

Th232 + n = Th233 →β→Pa233→β→U233

U238 + n = U239→ β→Np239→ β→Pu239

Эти изотопы также способны на реакции деления по цепному механизму. Образующиеся в реакциях изотопы U233, Pu239, изменив плотность ядер, образуют свои слои на глубинах, соответствующих их плотностям, где распадаются в своих реакциях ядерных делений. В отличие от реакций естественного радиоактивного распада изотопов при реакциях ядерного деления образуются осколки, имеющие значительно меньшие атомные массы. Ядра делятся не на равные части. Осколки по массам примерно соотносятся как 2/3, например,

U235→Sr + Xe

Осколки перенасыщены нейтронами, и испытывают последовательно несколько β-распадов, из изотопа одного элемента превращаются в изотоп другого элемента, прежде чем становятся устойчивыми ядрами.

Известна реакция спонтанного деления ядер, при которой ядра распадаются самопроизвольно без воздействия нейтронов. Период полураспада при спонтанном делении быстро уменьшается с увеличением заряда ядер. При реакциях спонтанного деления образуются, как правило, два сравнимых по массе осколка.

При цепном делении ядер образуется до 200 радиоактивных изотопов от цинка до гадолиния, каждый из которых в условиях ядра Земли совершает перемещение в свой слой вещества. Изотопы с малым периодом полураспада слои не образуют, а в процессе перемещения преобразуются в другие изотопы и далее совершают перемещение уже в соответствии со своим новым состоянием.

Таким образом, существуют перемещения вновь образовавшихся атомов (осколков деления) от разрушающихся в реакциях деления U238, Th232, U235, U233, Pu239 из глубинной части ядра Земли вверх, ближе к мантии Земли, увеличивая массы имеющихся там слоев элементов.

Перемещения, вызванные образованием водорода и гелия

Гипотеза 30

Цепные ядерные реакции в глубинах Земли создают излучение нейтронов. Образуются и так называемые запаздывающие нейтроны, которые выделяют осколки деления распавшихся ядер. Свободные нейтроны имеют небольшой период полураспада Т1/2=12.8 мин. При этом они испытывают β-распад:

n → p+e-+ν

В ходе распада образуется протон, электрон и нейтрино. Заторможенные протоны и электроны образуют атомы водорода. Таким образом, в среде реакций цепного ядерного деления, очевидно, образуется определенное количество водорода, который, обладая сравнительно малой плотностью при повышении температуры будет подниматься в ядре Земли к его поверхности.

В процессе естественного радиоактивного распада урана и тория выделяются α-частицы, представляющие из себя ядра атомов гелия. Учитывая, что гелий имеет очень большую энергию ионизации, его ядра неизбежно в условиях ядра Земли соберутся с электронами в атомы и далее начнут подниматься в верхние слои. Как гелий, так и водород имеют очень большую проникающую способность и поднимаются до поверхности Земли, выходя в атмосферу. В отличие от гелия водород имеет довольно большую реакционную способность, взаимодействует с другими атомами с образованием различных химических соединений, в том числе углеводородов и силанов, в виде которых и поднимается к коре Земли. Это приводит к образованию залежей углеводородов и отложению силикатных пород. Гелий в пластах способны удержать только очень плотные покрышки газовых залежей, например, слои соли в месторождениях природного газа Восточной Сибири, где он и обнаруживается. Процессы поднятия гелия и водорода являются частью общего процесса массообмена в ядре и во всем объеме Земли.

Генерация магнитного поля слоями элементов ядра Земли

Гипотеза 31

До настоящего времени нет однозначного ответа на природу образования магнитных полей Солнца и планет Солнечной системы. Одна из выдвинутых ранее гипотез предполагает генерацию магнитного поля Земли за счет индукции от суточного движения ее слоев, имеющих разные заряды. Гипотеза основана на гироскопическом эффекте Эйнштейна—Барнетта [Яновский, 1978]. Однако не был решен вопрос, какие слои и по какой причине имеют разные заряды. Предлагаемая концепция дает ответ на этот вопрос. При высоком давлении и температуре, превышающей критические значения, смеси газов расслаиваются с образованием поверхностей раздела [Кричевский, Большаков, 1941]. Ядро Земли сепарировано по слоям элементов (рис. 13), поскольку там высокое давление и высокая температура [Тимофеев, 2009б]. Слои разных раскаленных газообразных элементов ядра Земли на границах раздела заряжаются разными зарядами из-за разной величины сродства к электрону. Не исключено также, что отдельные слои ядра приобретают заряды из-за радиоактивного распада веществ слоев нестабильных изотопов. Возможно, что и слои разных пород геосфер мантии Земли имеют разные заряды. Существует ряд закономерностей возникновения электрического потенциала при контакте веществ. Это и термическая ЭДС, проявляющаяся в эффекте Зеебека, его проявление в полупроводниковых материалах, отраженное в работах А.Ф Иоффе (СССР), эффект термоэлектронной эмиссии, а при высоких температурах – ионизация элементов. Величины удельных температурных ЭДС для некоторых элементов ядра, а также приближенная оценка потенциалов слоев элементов (таблица 9).

* Коэф. Зеебека (термоэлектрическая способность элемента по отношению к Pb). ** Приближенное значение ЭДС в вольтах при температуре 10000°С

Термическая ионизация элементов даст еще большие потенциалы. Большие потенциалы могут иметь слои кислорода, фтора и йода, расположенные в верхней части ядра. Суточное вращение разнородно заряженных слоев ядра и мантии создает главное магнитное поле Земли [Тимофеев, 2011б] (рис. 24).

Рис. 24. Генерация магнитного поля Земли. Изображение поверхности Земли из сайта https://live.staticflickr.com/5343/10209385305_8b2341f255_b.jpg

Суточное вращение Земли, следовательно, и заряженных слоев ядра, вызывает кольцевой ток. По закону магнитной индукции, кольцевой ток должен создавать магнитное поле.

где H – напряженность магнитного поля, I — ток, R —радиус.

Слои заряжены противоположными зарядами, и общее магнитное поле будет равно сумме магнитных полей слоев.

Н=Н1+Н2+Н3+…Нn

На рис. 25 изображена картина суммирования магнитных полей фрагментов двух слоев ядра.

Рис. 25. Суммирование магнитных полей фрагментов слоев

Если снаружи наружного и внутри внутреннего разно заряженных, равных по величине слоев магнитные поля будут компенсировать друг друга, то в промежутке между слоями магнитные поля будут суммироваться. По этой причине, при равной напряженности полей, доминировать будет магнитное поле наружного слоя.

Отрицательные заряды могут преобладать или во внутренней части ядра, или в наружной.

От этого зависит полярность суммарного магнитного поля Земли. На заряд слоя будет влиять температура слоя, которая может изменяться. Энергия магнитного поля в процессе трансформации космического тела может возрастать из-за увеличения электрического потенциала слоев и скорости вращения Земли. Доказательством такого механизма генерации магнитного поля является тот факт, что ориентация магнитного поля приблизительно соответствует оси вращения космических тел, а максимальная величина магнитного поля разных космических тел больше при большей скорости их вращения. Например, нейтронные звезды, скорость вращения которых может достигнуть 1800 оборотов в минуту (наблюдаемый период вращения до 0,033с), имеют магнитные поля в миллиарды и триллионы раз больше магнитного поля Земли. Величины магнитных полей медленно вращающихся космических тел, например, Луны незначительны.

Генерация магнитного поля слоями из-за несовпадения оси вращения Земли и полярности магнитного поля

Гипотеза 32

Известно, что магнитное поле не совпадает с осью вращения Земли в результате чего имеющее электрический заряд заряженное вещество в геосферах, при вращении пересекают магнитные силовые линии. Такие пересечения однозначно приводят к появлению токов внутри Земли, а те к генерированию магнитного поля, которое входит как составная часть общего магнитного поля Земли.

Инверсии магнитного поля от перестановки слоев элементов в ядре Земли

Гипотеза 33

Магнитное поле Земли неоднократно меняло свою полярность. Обращение или, как говорят, инверсии магнитного поля за последние 4 миллиона лет происходили 22 раза. Инверсии магнитного поля можно объяснить тем, что в ходе различных процессов в ядре Земли от постоянного повышения температуры изменяется взаимное расположение слоев, изменяются их массы, изменяются их заряды, следовательно, и величины генерируемых ими полей. Это влияет на суммарное магнитное поле Земли. Например, в первоначальном состоянии слои ядра располагались в порядке увеличения плотности атомов элементов. При разогревании и образовании в кристаллических газах межатомного пространства последовательность расположения слоев стала переходить в закономерность по закону Авогадро (слои элементов перестраиваются в последовательность увеличения атомных масс, гипотеза 15). Каждая перестановка изменяла магнитное поле в ту или иную сторону. Другой причиной является то, что при повышении температуры разные слои изменяют свои заряды не одинаково. У одних слоев заряды изменяются значительней, чем у других. Также изменяются величины магнитных полей из-за перемен зарядов слоев в результате распада α- и β-активных изотопов. Все процессы этих изменений постоянно изменяют величину суммарного значения магнитного поля Земли то в одну, то в другую сторону и создают явление инверсий [Тимофеев, 2011б].

Блуждание магнитных полюсов вызвано ядерными вспышками в ядре

Гипотеза 34

Магнитные полюса Земли постоянно изменяют свое положение, перемещаются, что до настоящего времени объяснения не имело.

Магнитное поле Земли генерируется заряженными слоями. В зоне F ядра Земли происходит сепарация веществ, способных на ядерное деление, например, U235. При достижении критической массы U235 происходят цепные ядерные реакций распада, вызывающие локальные выделения тепла. Локальные температурные всплески происходят и в слое обогащенном U233, и в слое обогащенном Pu239. Это приводит к местному повышению температуры и конвективным процессам, деформирующим форму слоев ядра, что дает искажение магнитного поля и блуждание магнитного полюса Земли [Тимофеев, 2011б]. Дополнительные искажения могут вызываться изменениями состояния разных участков мантии, которая создает свое магнитное поле при суточном вращении разноименно заряженных слоев пород.

Строение внутреннего ядра Земли

Гипотеза 35

Законы природы таковы, что в условиях глубинных сфер Земли самым тяжелым наиболее распространенным веществом оказался уран U238, который является основным элементом внутреннего ядра. Уран здесь находится в газообразном состоянии при температуре порядка 780000°К в седьмой степени ионизации.

Во внутреннем ядре Земли, в отличие от Солнца и крупных планет, свободное межатомное пространство в веществе достаточно большое, оно занимает объем равный 0.932 от объема атомов урана. Здесь в небольшом количестве могут находиться и ионизированные осколки деления ядер. Но большая их часть при распаде ядер делящегося вещества всплывает из зоны F и распределяется по своим слоям в верхнем ядре. Здесь также находится некоторое количество изотопов за урановых элементов протактиния, нептуния, плутония, америция, менделевия и других. Эти элементы известны, поскольку искусственно синтезированы в реакторах и ускорителях. Возможно наличие в ядре Земли и других, еще неизвестных науке элементов, которые естественным путем получаются в результате множественных ядерных реакций, например, нейтронного облучения, содержатся здесь в количествах, определяемых скоростями их синтеза и периодами их полураспада.

Синтез элементов по ядерной массе, значительно превышающей уран, невозможен из-за снижения прочности более тяжелых ядер. В 1939 году советские физики К. А. Петржак и Г. Н. Флеров, работая под руководством И. В. Курчатова, открыли спонтанное (самопроизвольное) деление ядер урана на два осколка со сравнительно близкими массами. Поведение тяжелого ядра может быть описано моделью жидкой капли, находящейся под действием сил электростатического отталкивания протонов и противодействующих им сил поверхностного натяжения. Степень неустойчивости ядра относительно деления определяется отношением энергий электростатического отталкивания к энергии поверхностного натяжения, то есть отношением Z2/А, где Z – заряд ядра, А – его массовое число. При достаточно больших значениях Z2/А деление атомного ядра может происходить самопроизвольно (так называемое спонтанное деление). Период полураспада при спонтанном делении быстро уменьшается с увеличением Z2/А, например, для U238 Т1/2=8∙1015 лет, а для Сf246 Т1/2=2∙103лет. Спонтанное деление ядер характерно для всех элементов тяжелее тория. Этот процесс лимитирует массу ядер, определяет границу периодической системы и, следовательно, облик Вселенной. Более тяжелые ядра просто распадаются на осколки в условиях планет Солнечной системы. Возможно, в условиях глубин звезд или вещества нейтронных звезд ядра с номером 300, 400 и более реально существуют и реально определяют процессы в таких космических телах, однако, при условиях Земли существование таких элементов, как это предполагает Тихонов А. И. [Тихонов, 2016], не доказано. Нахождение таких элементов в ядрах планет маловероятно.

Во внутреннем ядре Земли малая гравитация и значительные диффузионные процессы не позволяют распределиться элементам по слоям, там сравнительно гомогенная смесь атомов. Выделение энергии во внутреннем ядре Земли происходит от радиоактивного распада U238 и элементов продуктов ядерного синтеза. Процессы альфа-распада здесь приводят к образованию гелия, постоянно поднимающегося из внутреннего ядра в наружное, в мантию, кору и далее в верхние слои атмосферы Земли.

Причины отсутствия на Земле развитой жизни в течение 4 миллиардов лет

Гипотеза 36

В архейской и протерозойской эрах в течение 4 миллиардов лет жизни на Земле не было, не считая простейших цианофитов и прокариотов. Более развитые организмы появились только в кембрийский период 540 миллионов лет назад. Причина, по которой столь долгое время на Земле не развивалась жизнь, до последнего времени была неизвестна. В этой работе выдвинута следующая гипотеза.

Как представлено в гипотезе №1 четыре с половиной миллиарда лет назад произошел взрыв нейтронной звезды вокруг которой вращалась Земля. Нейтронная звезда в результате взрыва исчезла, разлетелась на атомы, образовала туманность, которая со временем собралась в Солнечную систему [Шмидт, 1960]. При взрыве все планеты, находящиеся на орбитах вокруг нейтронной звезды разлелелись и в течении четырёх миллиардов лет блуждали в тёмном холодном космическом пространстве пока не собрались на новых орбитах вокруг обновлённого Солнца, которое в нынешнем виде загорелось только пятьсот сорок миллионов лет назад. До загорания Солнца некоторое количество тепла от ядерных реакций согревало земные породы, что позволяло существовать простейшим организмам. Загоревшееся Солнце отогрело Землю до состояния, когда создались условия образования жизни.

Другой причиной, по которой развитая жизнь на Земле образовалась только пятьсот сорок миллионов лет назад явилось то, что первые 4 миллиарда лет жизнь не развивалась из-за высокого уровня радиации на поверхности Земли от поднимавшихся сюда радиоактивных осколков деления урана в ядре, разрушавшей сложные организмы. Сложные организмы значительно более чувствительны к радиации, чем простейшие. Например, по данным исследований доза половинной выживаемости для бактериофагов (Dsent) равна 580000 рентген, водорослей 5000—10000 рентген, моллюсков 1200 рентген, собак 450 рентген. В архее ядро Земли было небольшое и состояло из самых тяжелых элементов, поэтому радиоактивные осколки деления урана и плутония стронций Sr90, цезий Cz137, церий Се144 и др. беспрепятственно поднимались на поверхность, поскольку имели сравнительно небольшую плотность атомов. В палеозое ядро увеличилось до состояния, когда весь диапазон радиоактивных осколков деления урана и плутония от цинка до гадолиния (стронций Sr90, цезий Cz137, церий Се144…) образовали свои слои в ядре Земли. Все радиоактивные осколки (рис. 11) оказались заперты в ядре. Поднятие радиоактивных осколков деления в мантию и кору Земли полностью прекратилось. Уровень радиации на поверхности снизился, и на Земле кроме простейших организмов начала развиваться жизнь более сложных существ.

Прогноз дальнейшего изменения состояния Земли

Гипотеза 37

Постоянное выделение тепла ядерными реакциями является основной причиной изменения состояния планет. Планеты увеличиваются в диаметре, одновременно уменьшается плотность их веществ. Такое изменение Земли показано на рис. 26

Рис. 26. Увеличение размера Земли и уменьшение толщины ее мантии со временем: 1 – настоящее состояние; 2 – состояние через один миллиард лет; 3 – состояние через 2 миллиарда лет