Hvis tyngdekraften i sentrum av jorden er null, hvorfor er tunge elementer som jern der?

Glem kraft. Kraft er litt mye irrelevant her. Svaret på dette spørsmålet ligger i energi, termodynamikk, trykk, temperatur, kjemi og stjernefysikk.

Potensiell energi og kraft går hånd i hånd. Gravitasjonskraften på et tidspunkt inne i jorden er hastigheten som gravitasjonspotensialenergi endres med hensyn til avstand. Kraft er gradient av energi. Gravitasjonspotensialenergi er som lavest i midten av jorden.

Dette er hvor termodynamikk spiller inn. prinsippet om minimum total potensiell energi er en konsekvens av andre termodynamikklov . Hvis et system ikke er i sin minimale potensielle energitilstand og det er en vei til den tilstanden, systemet vil prøve å følge den veien. En planet med jern og nikkel (og andre tette elementer) like blandet med lettere elementer er ikke den minste potensielle energitilstanden. For å minimere total potensiell energi, bør jern, nikkel og andre tette elementer være i sentrum av en planet, med lettere elementer utenfor kjernen.

En vei må eksistere til den minste potensielle energitilstanden, og det er her trykk, temperatur og kjemi spiller inn. Dette er det som skaper forholdene som tillater termodynamikkens andre lov å skille en planet. Som et moteksempel er uran ganske tett, men likevel er uran utarmet i jordens kjerne, lett utarmet i jordens kappe og sterkt forbedret i jordskorpen. Kjemi er viktig!

Uran er ganske reaktivt kjemisk. Det har en sterk affinitet å kombinere med andre elementer. Uran er en litofil (» bergelskende » ) element per Goldschmidt-klassifisering av elementer. Faktisk er uran et » inkompatibelt element » , som forklarer den relative overfloden av uran i jordskorpen.

Nikkel, kobolt, mangan , og molybden, sammen med de mest ekstremt sjeldne og edle metaller som gull, iridium, osmium, palladium, platina, rhenium, rodium og ruthenium, er ganske inerte kjemisk, men de oppløses lett i smeltet jern. Disse (sammen med selve jernet) er siderofile (jernelskende) elementer. Faktisk er jern ikke like siderofilt som edle metaller. Det ruster (å lage jern er litt litofilt) og det kombineres lett med svovel (gjør jern litt kalkofilt).

Det er her trykk og temperatur spiller inn. Trykk og temperatur er ekstremt høy inne i jorden. Høytrykk og høytemperatur tvinger jern til å gi avkall på bindinger med andre forbindelser. Så nå har vi rent jern og nikkel, pluss spormengder av edle metaller, og termodynamikk vil veldig gjerne ha at de tette elementene legger seg mot sentrum. Forholdene er nå rette for at det skal skje, og det er akkurat det som skjedde kort tid etter at jorden ble dannet.

Endelig er det fantastisk fysikk. Jorden ville ha en liten kjerne av sjeldne, men tette elementer hvis jern og nikkel var like sjeldne som gull og platina. Det er ikke tilfelle. Jern og nikkel er overraskende mange elementer i universet. Det er en generell tendens til at tyngre elementer er mindre vanlige. Jern (og i mindre grad nikkel) er to unntak fra denne regelen; se grafen nedenfor. Jern og nikkel er der alfaprosessen i stjernefysikk stopper. Alt tyngre enn jern krever eksotiske prosesser som s-prosessen eller de som forekommer i en supernova for å lage dem. Dessuten er supernovaer, spesielt type Ia-supernovaer, produktive produsenter av jern.Til tross for de relativt tunge massene er jern og nikkel ganske mange elementer i vårt aldrende univers.

_{(kilde: virginia.edu )}

Kommentarer

• Bildet, som i det minste starter med $ \ mathrm {Sn} $, har atomnumre (eller elementnavn) rotet opp.
• Er ikke ‘ t det bare at det som er merket Sn, skal være Cd? Jeg synes de andre er ok.
• At ‘ er et wikipedia-bilde. Jeg fikk det jeg betalte for. Tinn (Sn) skal bare flyttes slik at det ‘ s etter indium (In) i stedet for før det.
• Hvor er den figuren på Wikipedia?
• @PeterMortensen – en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png . Jeg ‘ skal erstatte det wikibildet med et mer pålitelig.

Her er et interessant tankeeksperiment.

Tenk deg at du har en heissjakt til sentrum av jorden som av en eller annen merkelig grunn ikke påvirker jordens gravitasjonsfelt og ikke «t flom med magma.

OK, nå på jordens overflate får du en flaske, halvfull med olje og halvfull med vann.Vannet er tettere enn oljen, så tyngdekraften på vannet er større enn tyngdekraften på oljen … så vannet synker til bunnen og oljen flyter på toppen.

Gå nedover heissjakten din. Er tyngdekraften svakere eller sterkere her? Vel, for vår flaske olje spiller det ingen rolle. Uansett hvor alvorlig det er, produserer det fortsatt en større kraft på vannet enn det gjør oljen, så vannet vil alltid synke.

av materialer som flyter eller synker i forhold til andre materialer, spiller det ingen rolle hvor tyngdekraften er sterk eller svak. Det som betyr noe er bare retning av tyngdekraften.

Så hvorfor er ikke jorden en stor sfære av materialer lagdelt etter tetthet? Vel … i stor grad er det. Jern (7870 kg / m ^ 3) er tettere enn magma (~ 2500 kg / m ^ 3) er tettere enn vann (1000 kg / m ^ 3) er tettere enn nitrogen (~ 1 kg / m ^ 3) … og det er den rekkefølgen du vanligvis finner dem i.

Hva med unntakene? Hvorfor er det gull (19 300 kg / m ^ 3) og jern i jordskorpen … Jeg foreslår David Hammens innlegg.

Ta et glass vann og to små kuler, samme størrelse, en av jern og en av aluminium. Begge vil nå bunnen til slutt, men på grunn av oppdrift vil jernet legge seg først.

Jorden ble oppdaget for å ha en solid indre kjerne som er forskjellig fra den flytende ytre kjernen i 1936,

…..

Det antas å bestå hovedsakelig av en jern-nikkel-legering og å være omtrent den samme temperaturen som solens overflate: omtrent 5700 K (5400 ° C).

….

Jordens indre kjerne antas å vokser sakte den flytende ytre kjernen ved grensen med den indre kjernen, avkjøles og stivner på grunn av gradvis avkjøling av jordens indre (ca. 100 grader Celsius per milliard år). Mange forskere hadde i utgangspunktet forventet at fordi den faste indre kjernen opprinnelig ble dannet av en gradvis avkjøling av smeltet materiale, og fortsetter å vokse som et resultat av den samme prosessen, ville den indre kjernen bli funnet å være homogen. Det ble til og med antydet at jordens indre kjerne kan være en enkelt krystall av jern. Denne spådommen ble imidlertid motbevist av observasjoner som antydet at det faktisk er en viss forstyrrelse i den indre kjernen. Seismologer har funnet at den indre kjernen ikke er helt uniform, men inneholder i stedet store strukturer slik at seismiske bølger passerer raskere gjennom noen deler av den indre kjernen enn gjennom andre. I tillegg varierer egenskapene til den indre kjernens overflate fra sted til sted over avstander så små som 1 km. Denne variasjonen er overraskende, siden laterale temperaturvariasjoner langs den indre kjernegrensen er kjent for å være ekstremt små (denne konklusjonen er trygt begrenset av magnetfeltobservasjoner). Nylige funn tyder på at selve den faste indre kjernen består av lag, atskilt med en overgangssone på omtrent 250 til 400 km tykk. Hvis den indre kjernen vokser av små frosne sedimenter som faller på overflaten, kan det også bli fanget litt væske i porene, og noe av denne gjenværende væsken kan fortsatt vedvare i liten grad i mye av det indre.

….

Jorden «indre kjerne er en kule av solid jern omtrent på størrelse med månen vår. Denne kulen er omgitt av en svært dynamisk ytre kjerne av en flytende jern-nikkel-legering (og noen andre, lettere elementer), en veldig tyktflytende kappe og en solid skorpe som danner overflaten der vi bor.

I løpet av milliarder av år har jorden avkjølt seg fra innsiden og ut og forårsaket at den smeltede jernkjernen delvis fryser og stivner. Den indre kjernen har senere blitt vokser med en hastighet på rundt 1 mm i året når jernkrystaller fryser og danner en solid masse.

Varmen som avgis når kjernen avkjøles, strømmer fra kjernen til kappen til jordskorpen gjennom en prosess kjent som konvekt ion. Som en vannpanne som koker på en komfyr, flytter konveksjonsstrømmer varm kappe til overflaten og sender kjølig kappe tilbake til kjernen. Denne rømmende varmen driver geodynamo og sammen med jordens spinning genererer magnetfeltet.

Så fra dette ser vi at den faste indre kjernen langsomt ble bygget opp fra væske ytre kjerne. Det er i den ytre kjernen at sammensetningene skiller mellom de tyngre elementene som faller ut fra væsken i gravitasjonsfeltet, som oppstår fra den indre kjernen.

Ekstrapolering fra observasjoner av avkjølingen av den indre kjernen, anslås det at den nåværende faste indre kjernen ble dannet for omtrent 2 til 4 milliarder år siden fra det som opprinnelig var en helt smeltet kjerne. Hvis det er sant, vil dette bety at jordens faste indre kjerne ikke er et primordialt trekk som var til stede under planets dannelse, men et trekk yngre enn jorden (jorden er omtrent 4,5 milliarder år gammel).

La oss se på perioden da den indre og ytre kjernen var flytende. Jo nærmere sentrum av gravitasjonsfeltet, jo mindre tyngdekraft, men likevel vil volumet til masse * spille den samme rollen i væsken, og konsentrere den tyngre til sentrum, og danne de første frøene til kjernen når systemet avkjøles. / p>

hvorfor domineres ikke kjernen av de tyngste elementene (elementer tyngre enn jern)?

Nå er årsaken til at kjernen er jern / nikkel på grunn av elementene bindende energikurve .

Bindingsenergi per nukleon av vanlige isotoper

Oppbyggingen av tyngre grunnstoffer i kjernefusjonsprosesser i stjerner er begrenset til grunnstoffer under jern, siden sammensmelting av jern vil trekke energi i stedet for å gi den. Jern-56 er rikelig i stjerneprosesser, og med en bindingsenergi per nukleon på 8,8 MeV, er den den tredje tettest bundet av nuklidene. Dens gjennomsnittlige bindingsenergi per nukleon overskrides bare av 58Fe og 62Ni, nikkelisotopen er den tettest bundet av nuklidene.

Det er her fusjonen stopper å være energisk gunstig. I Big Bang-modellen der en primursuppe havner i kreasjonene ved fusjon av kjerner, stopper modellen øverst i kurven.

Nukleær syntese for tunge elementer fortsetter i supernovaeksplosjoner:

Elementer over jern i det periodiske systemet kan ikke dannes i normale kjernefusjonsprosesser i stjerner. Inntil jern gir fusjon energi og kan dermed fortsette. Men siden » jerngruppen » er på toppen av den bindende energikurven, absorberer sammensmelting av elementer over jern dramatisk energi. (Nuklidet 62Ni er det mest tettbundne nuklidet, men det er ikke så mye som 56Fe i stjernekjernene, så astrofysisk diskusjon handler generelt om jernet.) Egentlig kan 52Fe fange en 4He for å produsere 56Ni, men det er den siste trinn i heliumfangstkjeden.

Gitt en nøytronstrøm i en massiv stjerne, kan tyngre isotoper produseres ved nøytronfangst. …

Avslutningsvis:

Lagene som inneholder de tunge elementene kan bli blåst av av supernovaeksplosjonen og gi råmaterialet til tunge elementer i de fjerne hydrogenskyene som kondenserer til å danne nye stjerner.

Fordi tyngre elementer er mye sjeldnere og kommer fra et sekundært trinn som en eksplosjon av en stjerne. De spesifikke forholdene for dannelsen av stjernen vår, solen og kreasjonene til planetene rundt den viser at jorden har tyngre enn jernelementene som er samlet andre nivå til den opprinnelige saken som kom sammen til kjernen. Overflodene er veldig små

de tyngste naturlig radioaktive elementene , thorium og uran, utgjør henholdsvis 8,5 deler per million og 1,7 deler per million. Noen av de sjeldneste elementene er også de tetteste; dette er platinagruppemetallene, inkludert osmium med 50 deler per billion, platina med 400 deler per billion og iridium med 50 deler per billion.

og ville ikke kan påvises med de seismografiske metodene som studerer den indre og ytre kjernen.

 ----- 

• volum til masse for alle elementene kan sees her

Newtons lov sier at midten av det sfæriske skallet føles tyngdekraften. Så det minimale (faktisk punktet) sentrum av jorden føler null tyngdekraften (fra selve jorden). Tenk på det på denne måten, hver retning du ser der, er den samme massen som trekker radialt borte – tyngdekraften balanserer til null. Beveg deg nå 100 miles i hvilken som helst retning fra sentrum. Du har nå hundre miles materie ikke lenger i skallet og utøver et ubalansert trekk – tyngdekraften trer i kraft og separasjon av ting begynner å ta sted wi tettere materiale som faller innover og lettere materiale som flyter oppover. Jo lenger du beveger deg fra sentrum jo høyere blir ubalansert tyngdekraft og jo raskere skillet finner sted. Merk at å ha null gravitasjonstrekk i midten ikke betyr null trykk. Presset fra alle de ubalanserte kreftene tilfører seg til tross for variasjonene i tyngdekraften. Så jordens sentrum føles ikke gravitasjonelt trekk, men føles det største trykket, alt på grunn av sfærisk symmetri.

Jeg tror et enkelt svar er at den boyante styrken hovedsakelig er ansvarlig for at tunge elementer synker til midten av jorden. For eksempel flyter et hangarskip på vann fordi skipet har mye plass inne i det. Dermed hvis du fylte dette rommet med vann og deretter veide det, vil du oppdage at vekten til skipet uten vannet er mindre enn mengden vann det fortrenger eller vannvekten. Dette gjør det lettere enn vannet, og det flyter. Tunge elementer har flere atomer i en gitt mengde plass enn lettere elementer, så tunge elementer synker mens lettere flyter på toppen og så videre.En enkel måte å tenke på sentrum av jorden er at hvis du befinner deg der, er alle retninger fra sentrum oppe og kraften vil være den samme fra alle retninger, slik at de vil avbryte og etterlate deg vektløs.

Jeg er bare 14, og jeg vil prøve å svare på spørsmålet ut fra min forståelse.

Først av alt tyngdekraften, som er en kraft og dermed en vektor, vil avbrytes i kjernen, da det ikke bare avhenger av størrelsen på den relative kraften, men også retningen av den, dvs. en vektor som går oppover vil avbrytes med en vektor som går nedover , og så videre. Men …..

Hvis vi skulle skjære et skall for oss selv midt på jorden (referer til skallsetningen), ville vi oppleve vektløshet inne i skallet til vi er Det ville oppleve null tyngdekraft. I følge spørsmålet ditt, hvis kjernen var laget av tyngre elementer, ville det bare påvirke gravitasjonskraften vi opplever utenfor t skall.

Så det ville ikke ha noe å si om kjernen var laget av jern eller wolfram. Kjernen består av hva den er, og at den er. Du må være kjent med jordens historie, hvordan den ble dannet. Tyngdekraften ville ikke ha noen effekt med det kjernen vår besto av.

Men det virkelige problemet er magnetfeltet. Jern er en suveren magnet (når den er magnetisert eller funnet som en magnet). Det var og er den eneste støttespiller for magnetfeltet vårt. Jeg vet ikke om mange andre elementer, men et tyngre element ville absolutt ikke kunne opprettholde magnetfeltet vårt. Hvis det kunne, ville det enten være for sterkt eller for svakt til å holde «kosmisk stråling» fra solen. Hvis også svak, vil strålingen desimere oss. Hvis det er for sterkt, vil det samme skje.

En grunnleggende fysikklov fra Newton er at alle partikler tiltrekker hverandre, men den er så liten (Gravitasjonskonstanten) at vi bare kan se tyngdekraften for himmellegemer (planetene og stjernene, og så videre). Så i kjernen, ville vi oppleve tyngdekraften, men ikke i skallet vi ville lage, der skallsetningen ville gjelde. / p>

Så, kort sagt, naturen har gjort kjernen vår, og vi kan ikke endre den. Vi har aldri opplevd (og jeg håper vi aldri gjør det) en endring i kjernens sammensetning. Når det gjelder spørsmålet, tror jeg det ville ikke ha noen innvirkning på tyngdekraften i kjernen hvis elementene som komponerer den, var forskjellige. Men det kan absolutt gjøre tyngdekraften vi opplever annerledes. Det kan til og med gjøre planeten vår bebodd.

Håper dette hjelper.

Kommentarer

• Svaret ditt ser ut til å koke ned til uttalelse » Så det ville ikke ‘ t saken om kjernen var laget av jern eller wolfram. Kjernen består av hva det er og at ‘ s natur. » som er en fullstendig cop-out og ikke ‘ t adresser selve spørsmålet i det hele tatt.
• @BrandonEnright Nei, dette svaret er ikke så grunt. Begrunnelsen er som » intet jern i kjernen = > intet magnetfelt = > intet liv = > motsigelse; derfor må det være jern i kjernen «. I følge Dynamo-teorien kreves det imidlertid ikke jern; hvilken som helst elektrisk ledende væske. Dette inkluderer wolfram, vann og metallisk hydrogen .