Правило Оддо-Харкинса

Правило Оддо-Харкинса гласит, что элемент с четным атомным номером более распространен, чем элементы с соседними атомными номерами . Например, углерода с атомным номером 6 больше, чем бора (5) и азота (7). Как правило, относительное содержание элемента с четным атомным номером примерно на два порядка превышает относительное содержание непосредственно соседних элементов с нечетным атомным номером с каждой стороны. Об этой закономерности впервые сообщил Джузеппе Оддо. ^{[ 1 ]} в 1914 году и Уильям Дрейпер Харкинс ^{[ 2 ]} в 1917 году. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Правило Оддо-Харкинса справедливо для всех элементов, начиная с углерода, полученного в результате звездного нуклеосинтеза , но не верно для самых легких элементов ниже углерода, полученных в результате нуклеосинтеза Большого взрыва и расщепления космических лучей . ^{[ нужна ссылка ]}

Предполагаемое содержание химических элементов в Солнечной системе.

Определения

Все атомы крупнее водорода образуются в звездах или сверхновых посредством нуклеосинтеза , когда гравитация , температура и давление достигают достаточно высоких уровней, чтобы слить вместе протоны и нейтроны . Протоны и нейтроны образуют атомное ядро , которое накапливает электроны , образуя атомы. Число протонов в ядре, называемое атомным номером, однозначно идентифицирует химический элемент.

Правило

Ранняя форма правила возникла на основе исследования метеоритов Харкином в 1917 году. Он, как и другие в то время, рассуждал, что метеориты более отражают космологическое изобилие элементов. Харкинс заметил, что элементов с четными атомными номерами ( Z ) было примерно в 70 раз больше, чем элементов с Z. нечетным Первые семь элементов, составляющие почти 99% материала метеорита, имели четные Z. номера Кроме того, он заметил, что 90% материала состоит всего из 15 различных изотопов с атомным весом, кратным четырем, что соответствует приблизительному весу альфа-частиц . Тремя годами ранее Оддо сделал аналогичное наблюдение для элементов в земной коре, предположив, что элементы являются продуктами конденсации гелия . Ядерное ядро гелия такое же, как у альфа-частицы. ^{[ 5 ]}^: 385 Эта ранняя работа по связи геохимии с ядерной физикой и космологией была значительно расширена норвежской группой, созданной Виктором Гольдшмидтом . ^{[ 5 ]}^: 389

Связь со звездным нуклеосинтезом

Правило Оддо–Харкинса для элементов из ¹²С до ⁵⁶Fe объясняется альфа-процессом звездного нуклеосинтеза . ^{[ 6 ]}^: 42 Этот процесс включает в себя синтез альфа-частиц (ядер гелия-4) при высокой температуре и давлении в звездной среде. На каждом этапе альфа-процесса добавляются два протона (и два нейтрона), что способствует синтезу элементов с четными номерами. Сам углерод является продуктом тройного альфа-процесса из гелия, процесса, в котором отсутствуют Li, Be и B. Эти нуклиды (включая гелий-3) производятся в результате расщепления космических лучей – типа ядерного деления, при котором космические лучи воздействуют на более крупные изотопы и фрагментировать их. Расщепление не требует высокой температуры и давления звездной среды, но может происходить и на Земле. Хотя более легкие продукты расщепления относительно редки, изотопы с нечетными массовыми числами в этом классе встречаются в большем относительном количестве по сравнению с изотопами с четными числами, что противоречит правилу Оддо-Харкинса.

Исключения из правил

Этот постулат, однако, не применим к самому распространенному и простому элементу во Вселенной: водороду с атомным номером 1. Это может быть связано с тем, что в своей ионизированной форме атом водорода становится одним протоном, из которого, как предполагается, он состоит. были одним из первых крупных конгломератов кварков в первую секунду периода инфляции Вселенной , последовавшего за Большим взрывом . В этот период, когда инфляция Вселенной привела ее от бесконечно малой точки до размеров современной галактики, температура в супе из частиц упала с более чем триллиона кельвинов до нескольких миллионов кельвинов.

Этот период позволил слиться одиночным протонам и ядрам дейтерия с образованием ядер гелия и лития , но был слишком коротким для каждого H. ⁺ ион должен быть восстановлен в более тяжелые элементы. В этом случае гелий, атомный номер 2, остается четным аналогом водорода. Таким образом, нейтральный водород — или водород в паре с электроном , единственным стабильным лептоном — составлял подавляющее большинство оставшихся неуничтожённых частей материи после завершения инфляции.

Еще одним исключением из правил является бериллий , который, несмотря на четный атомный номер (4), встречается реже, чем соседние элементы ( литий и бор ). Это связано с тем, что большая часть лития, бериллия и бора во Вселенной производится в результате расщепления космических лучей , а не обычного звездного нуклеосинтеза , а бериллий имеет только один стабильный изотоп, из-за чего его количество отстает от соседей, каждый из которых имеет два изотопа. стабильные изотопы.

Изотопное изобилие

Элементная база Оддо–Харкинса имеет прямые корни в изотопном составе элементов. ^{[ 7 ]} Хотя элементов с четными атомными номерами больше, чем с нечетными, дух правила Оддо-Харкинса распространяется на наиболее распространенные изотопы и . Изотопы, содержащие равное количество протонов и нейтронов, являются наиболее распространенными. К ним относятся ${\ce {^{4}_{2}He}}$ , ${\ce {^{12}_{6}C}}$ , ${\ce {^{14}_{7}N}}$ , ${\ce {^{16}_{8}O}}$ , ${\ce {^{20}_{10}Ne}}$ , ${\ce {^{24}_{12}Mg}}$ , ${\ce {^{28}_{14}Si}}$ , и ${\ce {^{32}_{16}S}}$ . Семь из восьми являются альфа-нуклидами , содержащими целые кратные ядра He-4 ( ${\ce {^{14}_{7}N}}$ является исключением). Двое из восьми ( ${\ce {^{4}_{2}He}}$ и ${\ce {^{16}_{8}O}}$ ) содержат магические числа протонов или нейтронов (2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126), и поэтому модель ядерной оболочки предсказывает их необычно большое количество. Высокая численность остальных шести ( ${\ce {^{12}_{6}C}}$ , ${\ce {^{14}_{7}N}}$ , ${\ce {^{20}_{10}Ne}}$ , ${\ce {^{24}_{12}Mg}}$ , ${\ce {^{28}_{14}Si}}$ , и ${\ce {^{32}_{16}S}}$ ) не предсказываются моделью оболочки. «Тот факт, что ядер этого типа необычайно много, указывает на то, что избыточная стабильность, должно быть, сыграла роль в процессе создания элементов», — заявила Мария Гепперт Майер в своей лекции на вручении Нобелевской премии по физике в 1963 году за открытия, касающиеся ядерной оболочки. структура. ^{[ 8 ]}

Правило Оддо-Харкинса может предполагать, что элементы с нечетными атомными номерами имеют один неспаренный протон и могут быстро захватывать другой, чтобы достичь четного атомного номера и протонной четности. Протоны спарены в элементы с четными атомными номерами, причем каждый член пары уравновешивает спин другого, тем самым повышая стабильность нуклона. Вызов этому объяснению ставит ${\ce {^{14}_{7}N}}$ , которого очень много, несмотря на наличие неспаренного протона. Кроме того, изотопы с четной четностью, у которых нейтронов ровно на два больше, чем протонов, не особенно многочисленны, несмотря на их четность. Каждый из легких элементов (кислород, неон, магний, кремний и сера) имеет два изотопа с четной изоспиновой (нуклонной) четностью. Как показано на графике выше, изотоп с равным количеством протонов и нейтронов на один-два порядка более распространен, чем изотоп с четной четностью, но с двумя дополнительными нейтронами. Это может оставить открытой роль паритета в изобилии. Структурная или субатомная основа необычного содержания равноядерных изотопов в барионной материи — одна из самых простых и самых глубоких неразгаданных загадок атомного ядра. ^{[ нужна ссылка ]}

Отношение к слиянию

В зависимости от массы звезды, модель Оддо-Харкинса возникает в результате сгорания все более массивных элементов внутри коллапсирующей умирающей звезды в результате процессов синтеза, таких как протон -протонная цепочка , цикл CNO и процесс тройного альфа . Вновь образовавшиеся элементы медленно выбрасываются в виде звездного ветра или взрыва сверхновой и галактики в конечном итоге присоединяются к остальной части межзвездной среды .

См. также

Содержание элементов в земной коре
Список элементов по стабильности изотопов
Ядерная химия - раздел химии, изучающий радиоактивность, трансмутацию и другие ядерные процессы.

Ссылки

^ Оддо, Джузеппе (1914). «Молекулярная структура радиоактивных атомов» . Журнал неорганической химии (на немецком языке). 87 : 253-268. дои : 10.1002/zaac.19140870118 .
^ Харкинс, Уильям Д. (1917). «Эволюция элементов и стабильность сложных атомов» . Журнал Американского химического общества . 39 (5): 856–879. дои : 10.1021/ja02250a002 .
^ Норт, Джон (2008). Космос - иллюстрированная история астрономии и космологии (Переизданное и обновленное изд.). унив. из Чикаго Пресс. п. 602. ИСБН 978-0-226-59441-5 .
^ Эта вторичная ссылка называет это только правилом Харкинса. Зюсс, Ганс Э.; Юри, Гарольд К. (1 января 1956 г.). «Изобилие стихий» . Обзоры современной физики . 28 : 53–74. дои : 10.1103/RevModPhys.28.53 . ISSN 0034-6861 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Краг, Хельге (2000). «Маловероятная связь: геохимия и структура ядра» . Физика в перспективе . 2 (4): 381. Бибкод : 2000PhP.....2..381K . дои : 10.1007/s000160050051 .
^ Фор, Гюнтер; Менсинг, Тереза М. (2007). Введение в планетологию: геологическая перспектива . Дордрехт: Спрингер. ISBN 978-1-4020-5544-7 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Росман, KJR; Тейлор, НДП (1 ноября 1998 г.). «Изотопный состав элементов 1997» . Журнал физических и химических справочных данных . 27 (6): 1275–1287. дои : 10.1063/1.556031 . ISSN 0047-2689 .
^ «Нобелевская премия по физике 1963 года» . NobelPrize.org . Проверено 1 февраля 2024 г.

[1] Оддо, Джузеппе (1914). «Молекулярная структура радиоактивных атомов» . Журнал неорганической химии (на немецком языке). 87 : 253-268. дои : 10.1002/zaac.19140870118 .

[2] Харкинс, Уильям Д. (1917). «Эволюция элементов и стабильность сложных атомов» . Журнал Американского химического общества . 39 (5): 856–879. дои : 10.1021/ja02250a002 .

[north-3] Норт, Джон (2008). Космос - иллюстрированная история астрономии и космологии (Переизданное и обновленное изд.). унив. из Чикаго Пресс. п. 602. ИСБН 978-0-226-59441-5 .

[4] Эта вторичная ссылка называет это только правилом Харкинса. Зюсс, Ганс Э.; Юри, Гарольд К. (1 января 1956 г.). «Изобилие стихий» . Обзоры современной физики . 28 : 53–74. дои : 10.1103/RevModPhys.28.53 . ISSN 0034-6861 .

[KraghGeochemsitry-5] Перейти обратно: ^а ^б Краг, Хельге (2000). «Маловероятная связь: геохимия и структура ядра» . Физика в перспективе . 2 (4): 381. Бибкод : 2000PhP.....2..381K . дои : 10.1007/s000160050051 .

[6] Фор, Гюнтер; Менсинг, Тереза М. (2007). Введение в планетологию: геологическая перспектива . Дордрехт: Спрингер. ISBN 978-1-4020-5544-7 .

[:0-7] Перейти обратно: ^а ^б Росман, KJR; Тейлор, НДП (1 ноября 1998 г.). «Изотопный состав элементов 1997» . Журнал физических и химических справочных данных . 27 (6): 1275–1287. дои : 10.1063/1.556031 . ISSN 0047-2689 .

[8] «Нобелевская премия по физике 1963 года» . NobelPrize.org . Проверено 1 февраля 2024 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]