Интересное о космосе: теория Большого взрыва и количество атомов во Вселенной

Появление Вселенной

Примерно 13,8 млрд лет назад Вселенная представляла собой небольшую сингулярность повышенной плотности. В определенный момент она начала резко расширяться в пространстве. Именно это мгновение прозвали Большим взрывом.

Большое количество световой энергии устремилось в разные стороны, образуя пространство. Спустя некоторое время в нем начали появляться молекулы, способные образовывать вещества.

Интересный факт: Через 300 млн лет стали формироваться галактики, однако их внешний вид был далек от нынешнего. Лишь через несколько миллиардов лет они постепенно примут форму диска.

Сколько всего элементарных частиц во Вселенной?

Фанатичным математикам, обожающим подсчитывать всё на свете, давно хотелось узнать ответ на фундаментальный вопрос: сколько всего частиц во Вселенной? Учитывая, что приблизительно 5 триллионов атомов водорода могут поместиться на одной лишь головке булавки, при этом каждый из них состоит из 4 элементарных частиц (1 электрон и 3 кварка в протоне), можно с уверенностью предположить, что число частиц в наблюдаемой Вселенной находится за гранью человеческого представления.

Как бы то ни было, профессор физики Тони Падилла из Нотингемского университета разработал способ оценки общего количества частиц во Вселенной, не принимая в расчет фотоны или нейтрино, поскольку у них отсутствует (вернее, практически отсутствует) масса:

Для своих расчетов ученый использовал данные, полученные с помощью телескопа Планка, которые использовались для измерения реликтового излучения, являющегося самым старым из видимого светового излучения во Вселенной и, таким образом, формирующего подобие ее границы. Благодаря телескопу, ученые смогли оценить плотность и радиус видимой Вселенной.

Другая необходимая переменная — это доля вещества, содержащаяся в барионах. Эти частицы состоят из трех кварков, и наиболее известными барионами на сегодняшний день являются протоны и нейтроны, а потому в своем примере Падилла рассматривает именно их. Наконец, для расчета необходимо знание масс протона и нейтрона (которые примерно совпадают друг с другом), после чего можно приступать к вычислениям.

Наука

Разработан новый метод датировки возраста древесины

Что делает физик? Он берет плотность видимой Вселенной, умножает ее на долю плотности одних лишь барионов, а затем умножает результат на объем Вселенной. Получившуюся в результате массу всех барионов во Вселенной он делит на массу одного бариона и получает общее количество барионов. Но барионы нам не интересны, наша цель — элементарные частицы.

Известно, что каждый барион состоит из трех кварков — как раз они-то нам и нужны. Более того, общее число протонов (как все мы знаем из школьного курса химии) равно общему числу электронов, которые тоже являются элементарными частицами. Помимо этого, астрономы установили, что 75% вещества во Вселенной представлено водородом, а оставшиеся 25% — гелием, прочими же элементами при расчетах такого масштаба можно пренебречь. Падилла вычисляет количество нейтронов, протонов и электронов, после чего умножает две первые позиции на три — и у нас наконец есть итоговый результат.

3.28х1080. Более трех вигинтиллионов.

328.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

Самое интересное, что, с учетом масштаба Вселенной, эти частицы не заполняют даже большую часть от ее общего объема. В результате, на один кубометр Вселенной приходится лишь одна (!) элементарная частица.

Количество атомов во Вселенной

Точные расчеты числа атомов во Вселенной невозможны, поскольку достоверно неизвестны размеры последней. Поэтому можно сделать лишь некоторую оценку данной величины. Предположим, что в нашей Вселенной существует около 300 миллиардов галактик, каждая из которых имеет около 400 миллиардов звезд. Эти цифры соответствуют действительности, поскольку диаметр наблюдаемой нами Вселенной оценивается в 93 миллиарда световых лет, то есть больше половины всей Вселенной человечество видит. Исходя из этих оценок получаем, что общее количество звезд приблизительно равно 1023.

Проводя далее вычисления для определения количества атомов во Вселенной, положим среднюю массу одной звезды равной 1035 грамм (масса Солнца приблизительно 1033 грамм), тогда получим, что общая масса Вселенной равна 1058 грамм. Поскольку каждый грамм материи содержит порядка 1024 протонов, а также учитывая, что водород, который является самым распространенным элементом во Вселенной, содержит один протон, получаем число атомов водорода равное 1082.

Отметим, что более сложные теоретические расчеты говорят о существовании гораздо большего количества атомов во Вселенной, чем полученное число. Такое различие в теоретических данных обусловлено существованием во Вселенной невидимой темной материи.

Атом вещества

Химические свойства

H 2 → 2 H {\displaystyle {\mathsf {H_{2}\rightarrow {}\ 2H}}} − 432 кДж

Поэтому при обычных температурах водород реагирует только с очень активными металлами, например, с кальцием, образуя гидрид кальция:

C a + H 2 → C a H 2 {\displaystyle {\mathsf {Ca+H_{2}\rightarrow {}\ CaH_{2}}}}

и с единственным неметаллом — фтором, образуя фтороводород:

F 2 + H 2 → 2 H F {\displaystyle {\mathsf {F_{2}+H_{2}\rightarrow {}\ 2HF}}}

С большинством же металлов и неметаллов водород реагирует при повышенной температуре или при другом воздействии, например, при освещении:

O 2 + 2 H 2 → 2 H 2 O {\displaystyle {\mathsf {O_{2}+2H_{2}\rightarrow {}\ 2H_{2}O}}}

Записанное уравнение отражает восстановительные свойства водорода.

N 2 + 3 H 2 → 2 N H 3 {\displaystyle {\mathsf {N_{2}+3H_{2}\rightarrow {}\ 2NH_{3}}}}

С галогенами образует галогеноводороды:

H 2 + F 2 → 2 H F {\displaystyle {\mathsf {H_{2}+F_{2}\rightarrow {}\ 2HF}}} , реакция протекает со взрывом в темноте и при любой температуре, H 2 + C l 2 → 2 H C l {\displaystyle {\mathsf {H_{2}+Cl_{2}\rightarrow {}\ 2HCl}}} , реакция протекает со взрывом, только на свету.

С сажей взаимодействует при сильном нагревании:

C + 2 H 2 → C H 4 {\displaystyle {\mathsf {C+2H_{2}\rightarrow {}\ CH_{4}}}}

Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами

При взаимодействии с активными металлами водород образует гидриды:

2 N a + H 2 → 2 N a H {\displaystyle {\mathsf {2Na+H_{2}\rightarrow {}\ 2NaH}}} C a + H 2 → C a H 2 {\displaystyle {\mathsf {Ca+H_{2}\rightarrow {}\ CaH_{2}}}} M g + H 2 → M g H 2 {\displaystyle {\mathsf {Mg+H_{2}\rightarrow {}\ MgH_{2}}}}

Гидриды

— солеобразные, твёрдые вещества, легко гидролизуются:
C a H 2 + 2 H 2 O → C a ( O H ) 2 + 2 H 2 ↑ {\displaystyle {\mathsf {CaH_{2}+2H_{2}O\rightarrow {}\ Ca(OH)_{2}+2H_{2}\uparrow }}}

Взаимодействие с оксидами металлов

Оксиды металлов (как правило, d-элементов) восстанавливаются до металлов:

C u O + H 2 → C u + H 2 O {\displaystyle {\mathsf {CuO+H_{2}\rightarrow {}\ Cu+H_{2}O}}} F e 2 O 3 + 3 H 2 → 2 F e + 3 H 2 O {\displaystyle {\mathsf {Fe_{2}O_{3}+3H_{2}\rightarrow {}\ 2Fe+3H_{2}O}}} W O 3 + 3 H 2 → W + 3 H 2 O {\displaystyle {\mathsf {WO_{3}+3H_{2}\rightarrow {}\ W+3H_{2}O}}}

Гидрирование органических соединений

Молекулярный водород широко применяется в органическом синтезе для восстановления органических соединений. Эти процессы называют реакциями гидрирования

. Эти реакции проводят в присутствии катализатора при повышенных давлении и температуре. Катализатор может быть как гомогенным (напр., Катализатор Уилкинсона), так и гетерогенным (напр., никель Ренея, палладий на угле).

Так, в частности, при каталитическом гидрировании ненасыщенных соединений, таких как алкены и алкины, образуются насыщенные соединения — алканы.

R − C H = C H − R ′ + H 2 → R − C H 2 − C H 2 − R ′ {\displaystyle {\mathsf {R\!\!-\!\!CH\!\!=\!\!CH\!\!-\!\!R’+H_{2}}}\rightarrow {\mathsf {R\!\!-\!\!CH_{2}\!\!-\!\!CH_{2}\!\!-\!\!R’}}}

Обнаружены первые молекулы Вселенной

Используя стратосферную обсерваторию «Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy» (SOFIA), астрономам удалось обнаружить в планетарной туманности NGC 7027 ион гидрида гелия (HeH+) – молекулу, которая первой образовалась почти 14 миллиардов лет назад после понижения температуры раскаленной Большим взрывом Вселенной до примерно 4000 градусов. Исследование, описывающее открытие, представлено в журнале Nature.

«Открытие HeH+ является драматической и прекрасной демонстрацией тенденции природы к образованию молекул. Несмотря на бесперспективные ингредиенты, которые были доступны в ранней Вселенной, в суровых условиях при высоких температурах в смеси водорода и инертного благородного газа гелия смогла образоваться хрупкая молекула. Ее обнаружение увенчало успехом долгие поиски и подтвердило, что наше представление об основополагающих «строительстве» и «разрушении» верны», – рассказывает Дэвид Нойфельд, соавтор исследования из Университета Джонса Хопкинса (США).

Ион гидрида гелия, созданный из атома гелия и протона, был первым типом молекулярной связи, которая сформировалась на ранних стадиях Вселенной. Со временем он был разрушен с образованием молекул водорода и атомов гелия. Хотя его существование было впервые продемонстрировано в лаборатории в 1925 году, он никогда не встречался в космосе.

Предыдущие попытки обнаружить ион гидрида гелия не заканчивались успехом из-за ограниченной разрешающей способности существующих спектрометров на соответствующих длинах волн. Молекула излучает свою самую сильную спектральную линию на характерной длине волны 0,149 миллиметра, но, к сожалению, атмосфера Земли непрозрачна для нее и наземные инструменты в этих поисках бессильны, что требует использования космических или стратосферных обсерваторий, таких как SOFIA, у которой спектрометр высокого разрешения GREAT обладает способностью обнаруживать инфракрасные линии, испускаемые ионом гидрида гелия.

В конце 1970-х астрохимические модели предположили возможность того, что ионы гидрида гелия в обнаружимых количествах могут существовать в планетарных туманностях, создаваемых солнцеподобными звездами на последней стадии их жизни.

«Жесткое излучение, испускаемое белым карликом, раскаленным остатком светила с температурой более 100 000 градусов, может привести к образованию иона гидрида гелия в окружающей его оболочке», – пояснили исследователи.

NGC 7027 стала отличным кандидатом для поиска. Это молодая планетарная туманность возрастом 600 лет, расположенная на расстоянии 3 тысяч световых лет от Земли в направлении созвездия Лебедя. Окружающая остаток погибшего светила оболочка, содержащая примерно 3 солнечных массы, все еще довольно компактная и плотная.

Белый карлик в сердце NGC 7027 – один из самых горячих среди всех известных, с температурой около 190 тысяч градусов, и очень яркий, в 10 тысяч раз ярче Солнца, а интенсивное ультрафиолетовое излучение, испускаемое им и бомбардирующее оболочку, приводит к образованию в ней иона гидрида гелия, который и был обнаружен в данных наблюдений туманности спектрометром на борту SOFIA, проведенных в мае 2020 года.

Геохимия водорода

На Земле содержание водорода понижено по сравнению с Солнцем, планетами-гигантами и первичными метеоритами, из чего следует, что во время образования Земля была значительно дегазирована: основная масса водорода, как и других летучих элементов, покинула планету во время аккреции или вскоре после неё.[источник не указан 1953 дня

] Однако точное содержание данного газа в составе геосфер нашей планеты (исключая земную кору) — астеносферы, мантии, ядра Земли — неизвестно.[
источник не указан 1953 дня
]

Свободный водород H2 относительно редко встречается в земных газах, но в виде воды он принимает исключительно важное участие в геохимических процессах. Известно содержание водорода в составе вулканических газов, истечение некоторых количеств водорода вдоль разломов в зонах рифтогенеза, выделение этого газа в некоторых угольных месторождениях[20][21].

В состав минералов водород может входить в виде иона аммония, гидроксил-иона и воды.

В атмосфере молекулярный водород непрерывно образуется в результате разложения формальдегида, образующегося в цепочке окисления метана или другой органики, солнечным излучением (31—67 гигатонн/год), неполного сгорания различных топлив и биомасс (по 5—25 гигатонн/год), в процессе фиксации азота микроорганизмами из воздуха (3−22 гигатонн/год)[22][23][24].

Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство (см. Диссипация атмосфер планет). Объёмы потерь оцениваются в 3 кг в секунду[25][26].

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 4 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: