Geochemie
Geochemie studuje zastoupení
a změny v zastoupení chemických prvků
v jednotlivých částech Země (a v širším
pohledu v celém Vesmíru - kosmochemie).
Hmota a záření
Při vzájemných přeměnách jsou vlastnosti záření a hmotnost vázány
známým Einsteinovým vztahem
E = m c2
kde E je energie záření, které se uvolní při přeměně m hmoty na
záření a c je rychlost světla (2,998 × 108 m/s). Frekvence (a tím
i vlnová délka) vzniklého záření je pak dána vztahem
E = h 
kde h je Planckova konstata a  je frekvence záření.
Čím větší množství hmoty se přemění na záření, tím vyšší je jeho
frekvence, tím kratší je jeho vlnová délka a naopak.
Struktura hmoty
rozměr částice škála v rozměrech e–
10–10 m atom 100 000 000
10–14 m jádro 10 000
10–15 m
proton,
neutron
1 000
< 10–18 m
kvark,
elektron
1
Elementární částice
generace I II III
typ Označení, náboj a hmotnost (GeV/c2)
kvarky
u (up)
2/3
0,005
c (charm)
2/3
1,5
t (top)
2/3
175
d (down)
–1/3
0,01
s (strange)
–1/3
0,2
b (bottom)
–1/3
4,7
leptony
e– (elektron)
–1
0,000511
μ– (muon)
–1
0,106
τ– (tau)
–1
1,7771
νe (e neutrino)
0
< 7×10–9
νμ (μ neutrino)
0
< 0,0003
ντ (τ neutrino)
0
<0,03
Stabilní jsou pouze částice I. generace.
Konverze jednotek: 1 GeV/c2 = 1,783 10-27 kg
Hmotnosti a interakce
Částice Hmotnost (kg)
Elektron 9,10939 × 10–31
Proton 1,67262 × 10–27
Neutron 1,67493 × 10–27
interakce nosič působí základní částice
gravitační
graviton
(?)
všechny
leptony
slabá w+, w–, z° všechny
elektromagnetická foton
bez neutrin
všechny kvarky
silná gluon všechny
baryon kvarky náboj hmotnost (GeV/c2) spin
proton uud +1 0,938 1/2
antiproton uud –1 0,938 1/2
neutron udd 0 0,940 1/2
tři kvarky – baryony, dva kvarky – mesony
Složené částice
Vznik Vesmíru
Pozorování Vesmíru – pohled
do minulosti (konečná rychlost
světla 300 000 km/s).
Vzdálenost Slunce-Země urazí
světlo za 8 minut. Nejbližší
hvězda Alpha Centauri
vzdálena 4,3 svět. let, nejbližší
galaxie v Andromedě 2 miliony
svět. let (doba vývoje Homo
sapiens). Hubbleův teleskop
umístěný na oběžné dráze je
schopen pozorovat Vesmír do
vzdálenosti několika miliard let
– Hubble Deep Field.
Struktura
Vesmír má velkorozměrnou strukturu. Hvězdy
vytvářejí skupiny – galaxie, které vytvářejí kupy s
desítkami galaxií. Mléčná dráha s dalšími 30
galaxiemi patří do Lokální kupy – 3 velké spirální
galaxie – Mléčná dráha, galaxie v Andromedě a
M33. Rozměr Lokální kupy – 5 mil. svět. let. Další
kupy obsahují až tisíce galaxií a mají rozměry
desítek milionů světelných let. Kupy se sdružují do
clusterů a superclusterů o rozměrech stovek milionů
světelných let.
Velkorozměrná struktura
Naše galaxie Mléčná dráha
spolu s dalšími asi 30 galaxiemi
tvoří Lokální skupinu galaxií.
Skupiny a superskupiny galaxií pak vytvářejí velkoroměrnou
strukturu Vesmíru. Na obrázku je počítačová simulace
velkorozměrné struktury Vesmíru, v níž je hmota rozmístěna
velmi nerovnoměrně jakoby na hranicích „mýdlkových
bublin“.
Pozadí
Vesmír se mění. Dvacátá
léta – Edwin Hubble:
všechny objekty se
vzájemně vzdalují.
Kosmické mikrovlnné
záření v pozadí. Šedesátá
léta – z celého okolního
Vesmíru přichází uniformní
mikrovlnné záření (2,7 K).
Vývoj
t stav složení
0
singularita,
začíná expanze
10–24 s
malý ohnivý
kotouč – 1012 K
kvarková polévka
10–8–10–4 s hadronová éra
protony
a neutrony
1s leptonová éra
elektrony +
neutrina
106 let éra záření
~15×109 let –
současnost
éra hmoty
uzavřenýotevřený
COBE
Původní hmota složená z atomů vodíku a helia byla distribuována nehomogenně.
Vlastní gravitační síly v částech Vesmíru s vyšší hustotou atomů vedly ke
gravitačnímu stažení hmoty a ke vzniku první generace hvězd.
Ranný Vesmír jak jej zachytil COBE (Cosmic Backgraoud Explorer). Z nehomogenně
distribuovaných atomů vodíku a helia pravděpodobně vznikla první generace hvězd
gravitačním stažením.
Big Bang
Zrození
hvězd
Mlhoviny Orla, Laguny a Orionu. Jsou
to oblasti v naší galaxii Mléčná dráha
s vyšší hustotou hmoty, ve kterých
dochází ke vzniku hvězd. Všechny
vykazují přítomnost těžších prvků,
prachu a struktur, které pravděpodobně
podléhají dalšímu přerozdělení v
prostoru za vzniku protohvězd.
Detail sloupcovitých útvarů tvořených plynem a prachovitými částicemi s nově
vzniklými hvězdami v mlhovině Orla. Nejvyšší sloupec vlevo je jeden světelný
rok vysoký. Tato oblast v souhvězdí Hada je vzdálená 7 000 světelných let.
Zrození hvězd
Smrt hvězd
Planetární nebula NGC 7027
Konečná stádia života hvězdy s průměrnou
hmotností.
Smrt hvězd
Chemické složení – jak zjistíme
Emisní spektrum
Absorpční spektrum
Intenzita záření
nepřímo ze spektrálních údajů
Chemické složení
Základní charakteristika:
– Výrazně převládají H a He –vznikly z protonů,
neutronů a elektronů po Velkém třesku.
– S rostoucím atomovým číslem zastoupení prvků ve
Vesmíru klesá – ostatní prvky vznikly až
v následujících fázích vývoje Vesmíru ve hvězdách.
– Prvky se sudým atomovým číslem jsou ve Vesmíru
hojnější, než sousedící prvky s lichým atomovým
číslem – existuje celá řada vysvětlení například že
vytvoření párů zvyšuje stabilitu jádra.
– Z uvedeného trendu se vymykají tři skupiny prvků:
Li, Be, B, jejichž zastoupení je výrazně nižší –
obecně je možných několik vysvětlení
vysvětlení: buď jsou uvedené prvky
meziproduktem při nikleosyntéze těžších
prvků a po jejich vzniku jsou zase
spotřebovávány nebo vznikly po spolu
s H a He po Velkém třesku a
v současnosti již ve Vesmíru nevznikají,
nebo je to způsobeno nízkou stabilitou
jádra.
Prvky z okolí Fe, jejichž zastoupení je výrazně
vyšší – tyto prvky mají nejstabilnější jádra
Prvky z okolí Pb – jsou produktem
radioaktivního rozpadu těžkých prvků
(například U a Th)
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
Sc
Ti
V
CrMn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
MoRu
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Cs
Ba
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
Hf
Ta
W
Re
OsIr
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Th
U
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
1E+06
1E+07
1E+08
1E+09
1E+10
1E+11
0 20 40 60 80 100
Atomové číslo
atomů/10
6
atomůSi
Energie jader
0
2
4
6
8
0 50 100 150 200 250
Hmotové číslo
Vazebnáen.jádra(MeV)
H
He
Li
B
Fe
U
Vnitřní vývoj hvězd
Hvězdy vznikají při gravitačním stažení vesmírných plynů a prachových částic (v ranném
Vesmíru pouze atomů vodíku a helia). Pokud je hmotnost takového objektu dostatečná, pak
dojde k jeho zahřátí na teploty milionů K a nastartování termojaderné (nukleární) syntézy.
Snímek z Hubblova teleskopu
zachycuje oblast velké mlhoviny
NGC 604 (vpravo) v sousední
galaxii M33 (vlevo). Tato mlhovina
je vzdálena 2,7 milionu světelných
let a leží v souhvězdí Trojúhelníka.
Je to oblast vzniku nových hvězd
v jednom z ramen spirální galaxie
M33.
Nukleární reakce – lehké hvězdy
CNO cyklus:
12C + p → (↑ γ) → 13N
13N → (↑ e+, ν) → 13C
13C + p → (↑ γ) → 14N
14N + p → (↑ γ) → 15O
15O → (↑ e+, ν) → 15N
15N + p → (↑ γ) → 12C + α (4He)
p-p proces
(hoření vodíku – 10 milionů K):
p + p →(↑ e+, γ, ν) → 2H
2H + p → (↑ γ) → 3He
3He + 3He → 4He + 2 p
Nukleární reakce – těžké hvězdy
další prvky
hoření helia – 100 milionů K
4He + 4He + 4He → 12C
12C + 4He → 16O
hoření uhlíku – 500 milionů K
12C + 12C → 24Mg
12C + 12C → 23Na + p
12C + 12C → 20Ne + 4He
hoření kyslíku – 1 miliarda K
16O + 16O → 32S
16O + 16O → 31P + p
16O + 16O → 31S + n
16O + 16O → 28Si + 4He
hoření křemíku – e-proces
(equilibrium)
28Si + 28Si → 7 4He
28Si + 4He → 32S
28Si + 28Si → 56Ni
56Ni → 56Co
56Co → 56Fe
Těžké prvky - vznik
pomalý záchyt neutronů – s-proces (slow)
rychlý záchyt neutronů – r-proces (rapid) – následně β– rozpad
záchyt protonů – p-proces
H
He
O, Ne
malé hvězdy
velké hvězdy
Fe
Si
Mg
Ne
Ne
He
H
C
O
O
O
Hlavní posloupnost
Záhy po zformování hvězdy
dojde k vytvoření rovnováhy
mezi gravitačními silami, které
materiál hvězdy stahují do
středu a tlakem záření a
uvolňovaných částic, které
vznikají při nukleosyntéze a
směřují ven. Hvězda se
nachází ve stabilním stavu.
Hmotnosti hvězdy odpovídá
relativní svítivost a povrchová
teplota.
Hertzsprung-Russellův diagram vztahu mezi
povrchovou teplotou a relativní svítivostí hvězd.
90% hvězd se nachází na hlavní posloupnosti.
Většinu doby života tráví hvězdy v oblasti hlavní
posloupnosti.
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
110100
Povrchová teplota (tis. K)
Relativnísvítivost
bílí trpaslíci
superobři
červení obři
hlavní posloupnost
modrá bílá žlutá červená
Slunce
Vývoj hvězd - přehled
Hvězda Stabilní Závěr Konec Výsledek
Malá Bílý trpaslík
Střední
Neutronová
hvězda
Obří Černá díra
Jak ubývá „paliva“, tak postupně klesá intenzita nukleosyntézy a tlak záření a částic
slábne až nakonec nejsou schopny vyrovnávat tlak gravitačních sil. Další osud
hvězdy pak závisí na její hmotnosti.
Vývoj hvězd – jedna hvězda
Předpokládaný časový vývoj hvězdy o hmotnosti 25 našich Sluncí.
1
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
100000000
0 100 200 300 400
Teplota jádra (mil. K)
Hustotajádra(g/ccm)
spalování H (7 mil. let)
spalování He (500 tis. let)
spalování C (600 let)
spalování Ne (1 rok)
spalování O (6 měs.) Si (1 den)