геохмия реферат. Геохиммия. Учебнике Перельмана Геохимия (1989) дано определение дисциплины Геохимия изучает историю атомов Земли и других планет земной группы

• Название: Учебнике Перельмана Геохимия (1989) дано определение дисциплины Геохимия изучает историю атомов Земли и других планет земной группы
• Анкор: геохмия реферат
• Дата: 05.05.2021
• Размер: 499.5 Kb.
• Имя файла: Геохиммия.doc
• Тип: Учебник; #201987
• страница: 2 из 5

7. Факторы, определяющие и контролирующие устойчивость и распространенность ядер (атомов) в природных системах (n/p дефект массы, магические числа, 4 Q, радиоактивность и т.д.)

Ответ: Устойчивость связанного состояния обеспечивается тем, что ядро как система из взаимодействующих между собой нуклонов должна иметь минимум полной энергии. Полная энергия Е1 системы из А нуклонов до объединения в ядро, т.е. находящихся между собой на таких расстояниях, когда действием сил между ними можно пренебречь, будет равна (массы выражены в единицах энергии).

Работа сил притяжения вызывает переход системы в состояние с меньшей энергией, поэтому величина Е < 0 будет равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра и передается в окружающее пространство. Наоборот, чтобы разрушить ядро и удалить нуклоны на такие расстояния, где их можно считать свободными, потребуется затратить энергию | Е|.

Распространенность ядер связана с их устойчивостью, и в земной коре наиболее распространены ядра с четным зарядом и четным массовым числом, т.с. содержащие четные числа протонов и нейтронов.

Дефект массы - разность М между массой М системы взаимодействующих тел (частиц) и суммой их масс ∑m в свободном состоянии. Определяется полной энергией их взаимодействия, т.е. энергией их связи Есв: М=Есв/с2. Знание дефекта массы позволяет определить величину энергии, выделяющейся в ядерных реакциях. Точные значения масс атомных ядер (в том числе протона) определяются с помощью масс-спектрометров – приборов, в которых используются фокусирующие свойства электрического и магнитного полей по отношению к движению заряженных частиц. Точное значение массы нейтрона получено из рассмотрения ядерных реакций, протекающих с участием нейтронов.

Электрический заряд ядра q определяется числом протонов Z, входящих в состав ядра, и может быть определен по порядко­вому номеру элемента в таблице Менделеева: q = Ze, где е = 1,6 10-19 Кл -положительный заряд протона.

Ядра ряда атомов (радионуклиды) подвержены самопроизвольным превращениям, в результате которых возникают ионизирующие излучения в виде квантов электромагнитной энергии и элементарных частиц. Эти излучения, взаимодействуя с биологическими тканями, оказывают сильное воздействие на биологические объекты, производя сильные структурные и функциональные изменения. Рассмотрению законов радиоактивности и их медико-биологическому применению посвящен данный раздел.

8. Геохимическая классификация химических элементов.

Ответ: Для каждой из геосфер характерен тот или иной набор химических элементов.

Гольдшмидт установил связь между составом различных геосфер и периодической системой элементов и в зависимости от атомного объема разделил элементы на четыре основные группы:

1. Сидерофильные, сосредоточенные по преимуществу в центральном ядре планеты, элементы с минимальными атомными объемами (Fe, Ni, Co и др.).

2. Халькофильные элементы накапливаются в окисно-сульфидной оболочке, они имеют сродство к сере и атомные объемы по сравнению с элементами предыдущей группы, увеличиваются (S, Zn, Pb, Sn, Cd, Ag, Au и др.).

3.Литофильные элементы накапливаются в силикатной оболочке (Si, Ti, V, Mg, Zr, Sc, Ca). Атомные объёмы элементов уменьшаются по сравнению с халькофильной группой.

4. Атмофильные элементы накапливаются в атмосфере и обладают максимальными атомными объёмами (N, He, Н, Ne, Ar, Ge и др.).

Таким образом, гипотеза Гольдшмидта предполагает, что первичное распределение вещества в Земле происходило главным образом под влиянием гравитационных сил. А основными компонентами ландшафтной оболочки являются атмофильные и отчасти литофильные элементы.

Принцип основан на развернутой таблице Д.И. Менделеева. А.Е. Ферсман выделил элементы, создающие концентрации в определенных магматических горных породах: кислых, средних и ультраосновных магм и сульфидных месторождений. В итоге было получено пять самостоятельных групп:

1.благородные газы (от Не до Rh)

2.металлы обычного поля( Li, Be, Na, Mg, Ca, K и другие)

3.металлоиды обычного поля, ( B, C, N, O, P, Al, Si, и другие

4.элементы нижнего кислого поля (Pb, Ba, Nb, Mo, Ag)

5.элементы сульфидного поля(Zn, Cd, Hg, As, Te, I и др)

Все остальные элементы относятся к редким или рассеянным элементам. Принципиальная разница между петрогенными и редкими элементами заключается в том, что петрогенные элементы определяют фазовый (минеральный) состав системы, в то время как редкие элементы входят в эти фазы в виде примесей и пассивно распределяются между существующими фазами, но не влияют на их содержание и устойчивость. У этого правила есть исключения.

Так, стронций даже в небольших количествах сильно влияет на устойчивость кальцита/ арагонита.

С другой стороны, при появлении в системе минералов, в которых редкий элемент основной, например, в случае кристаллизации циркона или монацита, такой элемент ведёт себя как петрогенный элемент.

Геохимическая классификация химических элементов В.И.Вернадского основана на различной способности химических элементов участвовать в природных физических и химических процессах а также в циклических биосферных круговоротах веществ.

I группа благородных (инертных) газов характеризуется неучастием их в главных химических процессах в биосфере Земли. Только в исключительных случаях эти элементы способны образовывать химические соединения.

II группа благородных металлов характеризуется тем, что они почти не образуют химических соединений в земной коре. Для этих элементов характерны сплавы друг с другом, которые образуются и образовались в термодинамических условиях (высокая температура и давление), резко отличных от условий биосферы.

III группа циклических или органогенных элементов - наибольшая по количеству элементов группа. Для элементов этой группы характерны многочисленные обратимые (циклические) химические процессы, часто проходящие при непосредственном участии живой материи. Каждый элемент этой группы дает характерные для определенной геосферы постоянно изменяющиеся соединения.

IV группа рассеянных элементов характеризуется отсутствием или редкостью образуемых ими в природе химических соединений. Для элементов этой группы основная форма нахождения в биосфере - свободные атомы, входящие в виде примесей в кристаллические решетки минералов других элементов.

V группа радиоактивных элементов характеризуется неполным их обращением в природных циклических процессах - часть атомов теряется в результате радиоактивного распада.

VI группа редкоземельных элементов выделена по признаку их тесной взаимной связи и совместного поведения в чрезвычайно различных условиях биосферы.

Существуют также геохимические классификации химических элементов А.Е.Ферсмана, А.Н.Заварицкого. А.Е.Ферсман выделил следующие группы химических элементов:

1.Ультраосновных магм: Cu, Ti, V, Mg, Fe, Co, Ni, платиноиды.

2.Средних и основных магм (Na, Ca, Mg, Al, Sr, Ba).

3.Гранитных пегматитов (K, Li, Rb, Cs, Sn, TR, U, B, Be и др.).

4.Нефелин-сиенитовых магм (Cl, Ti, Zr, TR, Sr и др.).

5.Сульфидных месторождений (все халькофильные элементы а также Fe, Co, Ni, Mo,

Во всех указанных классификациях не исключается попадания одних и тех же элементов в разные группы. Этого недостатка лишена классификация А.Н.Заварицкого, который выделил следующие группы элементов:

1.Элементы горных пород. 2.Инертные газы. 3.Элементы семейства железа.

4.Элементы магматических эманаций. 5.Редкие элементы.

6.Элементы сульфидных руд. 7.Металлоиды- элементы сульфосолей.

8.Тяжелые галоиды. 9 Элементы группы платины. 10 Радиоактивные элементы

9. Основные законы геохимии, вытекающие из особенностей строения атома (законы В.М. Гольдшмидта, А.Е.Ферсмана и В.И.Вернадского).

Ответ: По В.М. Гольдшмидту, изоморфные замещения возможны, когда радиусы ионов и атомов различаются не более чем на 15% от размера меньшего радиуса.

При температурах близких к точке плавления минералов в мантии эта величина достигает 30%, т.е. изоморфная смесимость возрастает.

В.М. Гольдшмидт сформулировал первый закон кристаллохимии и правила изоморфизма.

В.М. Гольдшмидт исследовал историю (миграцию) элементов семейства железа (Ti,V, Cr, Mn, Со, Ni), а также распространение в зем­ной коре Se, Li, Rb, Cs, Be, As, Au, В, элементов группы Pt и TR, дал геохимическую классификацию.

А.Е. Ферсман прочитал первый курс новой науки - геохимии. Им соз­дано более 1000 трудов и среди них уникальные монографии: «Пегма­титы», «Геохимия» (пятитомник) - неисчерпаемый источник мыслей и идей, «Полезные ископаемые Кольского полуострова». Последняя была удостоена Государственной премии I-й степени в 1942 г., а в 1943 г. А.Е. Ферсману была присуждена высшая геологическая награда мира Английским королевским обществом - медаль Волластона, сделанная из палладия.

Идеи А.Е. Ферсмана в области энергии геологических процессов подняли минералогию и геохимию на новую ступень развития. Все природные процессы и явления он рассматривал с энергетических по­зиций (кларки, миграция, изоморфизм).

В.И.Вернадским и их учениками генетической минералогии; открытие явления радиоактивности; установление химического состава земной коры; открытие законов квантовой механики; общий прогресс науки и повышение чувствительности старых аналитических методов и разработка новых.

В.И. Вернадский создает генетическую минерало­гию, придавая минералогии новое содержание. От химии минералов, от изоморфизма, энергетического анализа природных процессов В.И. Вер­надский пришел к изучению атома, к его истории и поведению в гео­логических процессах, т.е. к геохимии.

Основополагающие идеи В.И. Вернадского - минералогия есть история минералов в земной ко­ре; минерал - это продукт химических реакций, химическое соедине­ние, устойчивость которого определяется термодинамическими пара­метрами (Р, Т, концентрация и др.). С именем В.И. Вернадского связано начало дифференциации геохимии (биогеохимия, радиогеология). Он впервые сформулировал задачи и проблемы геохимии, указал место ее среди других наук и пути ее развития. Им дана история химических элементов в земной коре: С, Al, Th, Си, U н др. Он выделил «состояние

рассеяния» элементов как одну из форм нахождения - «неминераль­ную»;

дал геохимическую классификацию элементов (позже это сдела­ли и другие ученые). В.И. Вернадский исключительно глубоко и точно определил роль радиоактивных элементов (и явление радиоактивности) и их значение в жизни Земли.

10.Радиоактивность как фактор контроля устойчивости и распространенности ядер (атомов) в природе.

Ответ: Радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Известны три основных вида радиоактивного излучения:

- альфа-излучение – поток ядер гелия;

- бета-излучение – поток быстрых электронов;

- гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с очень малой длиной волны (менее 10-10 м), что обуславливает его чрезвычайно высокую проникающую способность.

Продолжительность жизни атомов определяется строением их ядер и характеризуется периодом полураспада, то есть временем, в течение которого распадается половина всех ядер данного элемента. Период полураспада может быть от 10-3 с до 1010 лет, но для большинства изотопов – 30 с - 10 суток.

На Земле встретить радиоактивный элемент можно только в 3 случаях:

- он «пережил» 4,3 млрд. лет со времени образования планеты Земля (торий, уран);

- его запасы постоянно пополняются за счет естественных процессов;

- он получен искусственно в результате деятельности человека (ускорители частиц, атомные реактора и пр.).

11. Типы радиоактивного распада, закон радиоактивного распада. Практическое значение.

Ответ: Радиоактивный распад – явление статистическое - нельзя предсказать, когда именно распадется данное нестабильное ядро.

Для описания статистических закономерностей радиоактивного распада используется естественная статистическая величина - постоянная распада  не зависит от времени.N ядер.

Уменьшение количества активных ядер с течением времени происходит в соответствии с законом радиоактивного распада, который описывается экспоненциальной кривой и формулируется следующим образом: за равные промежутки времени происходит превращение равных долей активных атомов.

Закон радиоактивного распада имеет математическое выражение:

, где   - исходное количество радиоактивных ядер;   - постоянная распада, t - время распада.- количество активных ядер, оставшихся спустя время распада t; e - основание натуральных логарифмов;

Период полураспада (Т1/2 или Tf) - время, в течение которого число радиоактивных ядер уменьшается вдвое.



Данная формула может быть использована для практических целей, когда необходимо дать рекомендации о возможности использования загрязненных радионуклидами территорий, продуктов питания, воды, так как через 10 Т1/2 остается практически чистая среда (т.е. остается меньше 0,1% от исходного количества радионуклида).

Тип радиоактивного превращения определяется видом частиц, испускаемых при распаде. Процесс радиоактивного распада идет с выделением энергии. Исходное ядро называется материнским (в нижеприведенных схемах обозначено символом X), а получающееся после распада ядро - дочерним (в схемах - символ Y).

Нестабильные ядра претерпевают 4 основных типа радиоактивных превращений:

а) альфа-распад - состоит в том, что тяжелое ядро самопроизвольно испускает альфа-частицу, т.е. это чисто ядерное явление. Известно более 200 альфа активных ядер, почти все они имеют порядковый номер больше 83 (Am-241; Ra-226; Rn-222; U-238 и 235; Th-232; Pu-239 и 240). Энергия альфа-частиц тяжелых ядер чаще всего находится в интервале от 4 до 9 МэВ.



б) бета-превращение -частицы (электрон- это внутринуклонный процесс; в ядре распадается одиночный нуклон, при этом происходит внутренняя перестройка ядра и появляются вылетающие из ядра   , позитрон , нейтрино , антинейтрино ). Примеры радионуклидов, претерпевающих бета-превращение: тритий (H-3); C-14; радионуклиды натрия (Na-22, Na-24); радионуклиды фосфора (P-30, P-32); радионуклиды серы (S-35, S-37); радионуклиды калия (K-40, K-44, K-45); Rb-87; радионуклиды стронция (Sr-89, Sr-90); радионуклиды йода (I-125, I-129, I-131, I-134); радионуклиды цезия (Cs-134, Cs-137).

Энергия бета-частиц варьирует в широком диапазоне: от 0 до E max (полная энергия, выделяющаяся при распаде) и измеряется в кэВ, МэВ. Для одинаковых ядер распределение вылетающих электронов по энергиям является закономерным и называется спектром электронов -распада, или бета спектром; по спектру энергии бета-частиц можно провести идентификацию распадающегося элемента.

Виды бета превращения ядер:

1) электронный распад:  .

2) позитронный распад: 

3) электронный захват (К-захват, т.к. ядро поглощает один из электронов атомной оболочки, обычно из К-оболочки): 

в) гамма-превращение (изомерный переход) - внутриядерное явление, при котором за счет энергии возбуждения ядро испускает гамма-квант, переходя в более стабильное состояние; при этом массовое число и атомный номер не изменяются. Спектр гамма-излучения всегда дискретен. Испускаемые ядрами гамма кванты обычно имеют энергию от десятков кэВ до нескольких МэВ. Примеры радионуклидов, претерпевающих гамма-превращение: Rb-81m; Cs-134m; Cs-135m; In-113m; Y-90m.

, где индекс “m” означает метастабильное состояние ядра.

г) спонтанное деление ядер - возможно у ядер, начиная с массового числа 232. Ядро делится на 2 сравнимых по массам осколка. Именно спонтанное деление ядер ограничивает возможности получения новых трансурановых элементов. В ядерной энергетике используется процесс деления тяжелых ядер при захвате ими нейтронов:



В результате деления образуются осколки с избыточным количеством нейтронов, которые затем претерпевают несколько последовательных превращений (чаще - бета-распад).