Als de zwaartekracht in het centrum van de aarde nul is, waarom zijn er dan zware elementen zoals ijzer?

Vergeet geweld. Kracht is hier een beetje irrelevant. Het antwoord hierop vraag ligt in energie, thermodynamica, druk, temperatuur, scheikunde en stellaire fysica.

Potentiële energie en kracht gaan hand in hand. De zwaartekracht op een bepaald punt in de aarde is de snelheid waarmee de potentiële zwaartekrachtenergie verandert ten opzichte van de afstand. Kracht is de gradiënt van energie. De potentiële energie van de zwaartekracht is het laagst in het centrum van de aarde.

Dit is waar de thermodynamica een rol speelt. Het principe van minimale totale potentiële energie is een gevolg van de tweede wet van de thermodynamica . Als een systeem zich niet in de minimale potentiële energietoestand bevindt en er een pad naar die toestand is, het systeem zal proberen die weg te volgen. Een planeet met ijzer en nikkel (en andere dichte elementen) gelijkmatig gemengd met lichtere elementen is niet de minimale potentiële energietoestand. Om de totale potentiële energie te minimaliseren, moeten ijzer, nikkel en andere dichte elementen zich in het centrum van een planeet bevinden, met lichtere elementen buiten de kern.

Er moet een pad zijn naar die minimale potentiële energietoestand, en dit is waar druk, temperatuur en chemie een rol spelen. Dit zijn wat de voorwaarden creëren waardoor de tweede wet van de thermodynamica een planeet kan differentiëren. Als tegenvoorbeeld is uranium nogal dicht, maar toch is uranium verarmd in de kern van de aarde, enigszins verarmd in de aardmantel en sterk versterkt in de aardkorst. Chemie is belangrijk!

Uranium is chemisch redelijk reactief. Het heeft een sterke affiniteit om te combineren met andere elementen. Uranium is een lithofiel (” rotsminnend ” ) -element volgens de Goldschmidt-classificatie van elementen. In feite is uranium een ” incompatibel element ” , dat de relatieve overvloed aan uranium in de aardkorst verklaart.

Nikkel, kobalt, mangaan en molybdeen, samen met de meest uiterst zeldzame en edele metalen zoals goud, iridium, osmium, palladium, platina, rhenium, rhodium en ruthenium, zijn chemisch nogal inert, maar lossen gemakkelijk op in gesmolten ijzer. Dit zijn (samen met ijzer zelf) de siderofiele (ijzerminnende) elementen. In feite is ijzer niet zo siderofiel als de edelmetalen. Het roest (ijzer maken is een beetje lithofiel) en het combineert gemakkelijk met zwavel (waardoor ijzer een beetje chalcofiel wordt).

Dit is waar druk en temperatuur een rol spelen. Druk en temperatuur zijn extreem hoog in de aarde. Hoge druk en hoge temperatuur dwingen ijzer om zijn binding met andere verbindingen op te geven. Dus nu hebben we puur ijzer en nikkel, plus sporen van edele metalen, en de thermodynamica wil heel graag dat die dichte elementen zich naar het midden nestelen. De omstandigheden zijn nu goed om dat te laten gebeuren, en dat is precies wat er gebeurde kort nadat de aarde was gevormd.

Eindelijk is er stellaire fysica. De aarde zou een kleine kern van zeldzame maar dichte elementen hebben als ijzer en nikkel zo zeldzaam waren als goud en platina. Dat is niet het geval. IJzer en nikkel zijn verrassend veel elementen in het universum. Er is een algemene tendens dat zwaardere elementen minder overvloedig aanwezig zijn. IJzer (en in mindere mate nikkel) zijn twee uitzonderingen op deze regel; zie onderstaande grafiek. IJzer en nikkel zijn waar het alfaproces in de stellaire fysica stopt. Alles zwaarder dan ijzer vereist exotische processen zoals het s-proces of processen die plaatsvinden in een supernova om ze te maken. Bovendien zijn supernova, met name type Ia supernovae, productieve producenten van ijzer.Ondanks hun relatief zware massa zijn ijzer en nikkel vrij overvloedige elementen in ons verouderende universum.

_{(source: virginia.edu )}

Reacties

• De afbeelding, tenminste beginnend met $ \ mathrm {Sn} $, heeft atoomnummers (of elementnamen) in de war.
• Isn ‘ Is het gewoon dat wat met Sn wordt aangeduid, Cd moet zijn? Ik denk dat de anderen ok zijn.
• Dat ‘ is een Wikipedia-afbeelding. Ik heb waar ik voor betaald heb. Tin (Sn) moet gewoon worden verschoven zodat het ‘ s na indium (In) in plaats van ervoor staat.
• Waar is dat cijfer op Wikipedia?
• @PeterMortensen – en.wikipedia.org/wiki/File:SolarSystemAbundances.png . Ik ‘ ga die wiki-afbeelding vervangen door een betrouwbaardere.

Hier is een interessant gedachte-experiment.

Stel je voor dat je een liftschacht naar het centrum van de aarde hebt die, om een of andere vreemde reden, het zwaartekrachtveld van de aarde niet beïnvloedt en ook niet “t overstromen met magma.

OK, haal nu aan het aardoppervlak een fles, half vol met olie en half vol met water.Het water is dichter dan de olie, dus de zwaartekracht op het water is groter dan de zwaartekracht op de olie … dus het water zakt naar de bodem en de olie drijft aan de bovenkant.

Ga nu uw liftschacht af. Is de zwaartekracht hier zwakker of sterker? Nou, voor onze fles olie maakt het eigenlijk niet uit. Wat de zwaartekracht ook is, het produceert nog steeds een grotere kracht op het water dan op de olie, dus het water zal altijd zinken.

In termen van termen. van materialen die drijven of zinken ten opzichte van andere materialen, het maakt niet uit waar de zwaartekracht sterk of zwak is, het gaat alleen om de richting van de zwaartekracht.

Dus waarom is de aarde niet een grote bol van materialen gelaagd op dichtheid? Nou … grotendeels is het. IJzer (7.870 kg / m ^ 3) is dichter dan magma (~ 2.500 kg / m ^ 3) is dichter dan water (1000 kg / m ^ 3) is dichter dan stikstof (~ 1 kg / m ^ 3) … en dat is de volgorde waarin je ze doorgaans aantreft.

Hoe zit het met de uitzonderingen? Waarom zit er goud (19.300 kg / m ^ 3) en ijzer in de aardkorst … Ik stel de post van David Hammen voor.

Ik zal proberen een antwoord bij benadering te maken voor je moeder (zoals gevraagd), ervan uitgaande de bolvormige aarde, en verschillende andere benaderingen. Ik ben geen expert in geofysica of sterrenfysica. en als je details of grotere nauwkeurigheid wilt, raad ik je aan naar andere antwoorden te kijken, zoals die van David Hammen en anderen.

Over zwaartekracht

Ten eerste over zwaartekracht. Is er zwaartekracht in het middelpunt van de aarde, en zo niet, waarom zou daar dan iets naar worden aangetrokken?

Een basisoefening bij het bestuderen van zwaartekracht is het berekenen van de zwaartekracht in een lege bolvormige schil van materie (zoals de rubber van een basketbal). Het antwoord is: er wordt geen zwaartekracht geproduceerd door de bolvormige schaal in de schaal, hoewel er buiten de schaal door de schaal wordt geproduceerd.

Als je nu een bol met materie beschouwt, zal een straal van 6371 km ( zoals de aarde), en een punt op 5000 km van het centrum, kun je het ontleden in een volledige bol met een straal van 5000 km en een bolschil eromheen met een dikte van 1371 km. De sferische schaal veroorzaakt geen zwaartekracht, daarom is alle zwaartekracht die moet worden waargenomen die wordt geproduceerd door de bol met een straal van 5000 km.

Dit geldt eigenlijk voor elke straal, zodat in het midden van De aarde, dat wil zeggen met een straal van 0 km, is er niets meer om zwaartekracht te produceren aangezien alle materie zich in de “schil” bevindt.

Maar dat maakt niet zoveel uit, aangezien er enige zwaartekracht naar het midden is zodra je op enige afstand van het centrum komt, hoe zwak ook als je dicht bij het centrum komt, zodat zwaardere materie na verloop van tijd de neiging heeft naar de bodem te zinken, dwz naar het midden.

Dan is er de kwestie van wat zwaarder is.

Waar is de aarde van gemaakt

Oorspronkelijke materie in het universum (die echter niet teruggaat tot de oerknal) bestaat voornamelijk uit zeer lichte elementen, meestal hydrogene. Sterren vormen door aanwas van deze materie onder zwaartekracht, en beginnen het (kernreactie) te versmelten tot zwaardere elementen, en produceren energie die we (gedeeltelijk) als licht waarnemen. Ze hebben de neiging om veel elementen zoals ijzer te produceren (en andere die rond het “midden” van de tafel van elementen zitten, omdat deze de meest stabiele atoomkern hebben waaruit weinig energie kan worden gehaald, zodat sterren sterven (op verschillende manieren) wanneer ze hun materie in zulke elementen hebben omgezet. De uiteindelijke explosie van sommige sterren (supernovae) produceert zwaardere elementen, maar niet in zon grote hoeveelheid. Dit verklaart (zeer grofweg) waarom ijzer (en sommige andere elementen) de neiging hebben om in grotere hoeveelheden beschikbaar te zijn .

Waarom is materie niet gestratificeerd naar dichtheid.

Nogmaals, ik ben geen expert, omdat er een verscheidenheid aan verschijnselen aan het werk is. Hier zijn twee voorbeelden.

Inderdaad, aangezien ten minste een deel van de planeet enigszins vloeibaar is, zou je kunnen verwachten dat de zware componenten zouden zinken. Maar er wordt veel warmte geproduceerd binnenin de planeet, met name door radioactiviteit, en deze warmte produceert convectie (en dus continentale Drift) Convectie betekent beweging, materie verplaatsen, dat is meer een dy namisch aspect.

Een ander fenomeen is dat chemische elementen zelden zuiver zijn. Ze combineren fysisch of chemisch om composieten te maken met verschillende fysische eigenschappen. Een compound bestaande uit een zwaar en een licht element kan vrij licht zijn en de zware component naar het oppervlak van de planeet drijven, waarbij het lichtere deel de rol van een boei speelt. Dus hoewel uranium veel zwaarder is dan ijzer, zijn uraniumcomposieten met lichtere elementen te vinden op het oppervlak van de planeet, of heel dichtbij. Het fenomeen hangt sterk af van het vermogen van de verschillende soorten zwaardere elementen om te combineren met lichtere.

Je moet er ook rekening mee houden dat het lang duurde voordat de aarde zich vormde en dat het belang van verschillende fenomenen in de loop van de tijd kan zijn veranderd. verloop van zijn vorming.

Neem een glas water en twee kleine balletjes van dezelfde grootte, een van ijzer en een van aluminium. Beiden zullen uiteindelijk de bodem bereiken, maar vanwege het drijfvermogen zal het ijzer als eerste bezinken.

De Aarde werd ontdekt met een vaste binnenkern die verschilt van de vloeibare buitenkern in 1936,

…..

Aangenomen wordt dat het voornamelijk bestaat uit een ijzer-nikkellegering en ongeveer dezelfde temperatuur heeft als het oppervlak van de zon: ongeveer 5700 K (5400 ° C).

….

Men denkt dat de binnenste kern van de aarde langzaam groeien de vloeibare buitenkern op de grens met de binnenkern koelt af en stolt door de geleidelijke afkoeling van het binnenste van de aarde (ongeveer 100 graden Celsius per miljard jaar). Veel wetenschappers hadden aanvankelijk verwacht dat, omdat de vaste binnenkern oorspronkelijk werd gevormd door een geleidelijke afkoeling van gesmolten materiaal, en blijft groeien als resultaat van datzelfde proces, de binnenkern homogeen zou blijken te zijn. Er werd zelfs gesuggereerd dat de binnenkern van de aarde een enkel kristal van ijzer zou kunnen zijn. Deze voorspelling werd echter weerlegd door waarnemingen die erop wezen dat er in feite een mate van wanorde in de binnenkern is. Seismologen hebben ontdekt dat de binnenkern dat niet is. volledig uniform, maar bevat in plaats daarvan grootschalige structuren zodat seismische golven sneller door sommige delen van de binnenkern gaan dan door andere. Bovendien variëren de eigenschappen van het oppervlak van de binnenkern van plaats tot plaats over afstanden zo klein als 1 km. Deze variatie is verrassend, aangezien bekend is dat laterale temperatuurvariaties langs de binnenste kerngrens extreem klein zijn (deze conclusie wordt vol vertrouwen beperkt door magnetische veldwaarnemingen). Recente ontdekkingen suggereren dat de vaste binnenkern zelf is samengesteld uit lagen, gescheiden door een overgangszone van ongeveer 250 tot 400 km dik. Als de binnenkern groeit door kleine bevroren sedimenten die op het oppervlak vallen, kan er ook wat vloeistof in de poriën worden opgesloten en kan een deel van deze restvloeistof nog steeds tot op zekere hoogte in een groot deel van het inwendige aanwezig zijn.

….

De aarde “s binnenste kern is een bal van massief ijzer ter grootte van onze maan. Deze bal is omgeven door een zeer dynamische buitenste kern van een vloeibare ijzer-nikkellegering (en enkele andere, lichtere elementen), een zeer stroperige mantel en een stevige korst die het oppervlak vormt waar we leven.

Gedurende miljarden jaren is de aarde van binnen naar buiten afgekoeld waardoor de gesmolten ijzeren kern gedeeltelijk bevriest en stolt. De binnenste kern is vervolgens groeit met een snelheid van ongeveer 1 mm per jaar terwijl ijzerkristallen bevriezen en een vaste massa vormen.

De warmte die wordt afgegeven als de kern afkoelt, stroomt van de kern naar de mantel naar de aardkorst door een proces bekend als convect ion. Net als een pan met water dat op een fornuis kookt, verplaatsen convectiestromen de warme mantel naar de oppervlakte en sturen de koele mantel terug naar de kern. Deze ontsnappende warmte drijft de geodynamo aan en in combinatie met het draaien van de aarde wekt het magnetische veld op.

Hieruit zien we dus dat de vaste binnenkern langzaam wordt opgebouwd omhoog van de vloeibare buitenste kern. Het is in de buitenste kern dat de samenstellingen de zwaardere elementen onderscheiden die neerslaan uit de vloeistof in het zwaartekrachtveld, dat voortkomt uit de binnenste kern.

Extrapoleren van Waarnemingen van de afkoeling van de binnenkern, wordt geschat dat de huidige vaste binnenkern ongeveer 2 tot 4 miljard jaar geleden is gevormd uit wat oorspronkelijk een volledig gesmolten kern was. Als dit waar is, zou dit betekenen dat de vaste binnenkern van de aarde geen primordiaal kenmerk is dat aanwezig was tijdens de vorming van de planeet, maar een kenmerk dat jonger is dan de aarde (de aarde is ongeveer 4,5 miljard jaar oud).

Laten we eens kijken naar de periode waarin de binnenste en buitenste kern vloeibaar waren. Hoe dichter bij het midden van het zwaartekrachtveld, hoe minder zwaartekracht, maar toch zou het volume tot massa * dezelfde rol spelen in de vloeistof, waarbij het zwaardere naar het midden wordt geconcentreerd en de eerste zaden voor de kern vormen terwijl het systeem afkoelt. / p>

waarom wordt de kern niet gedomineerd door de zwaarste elementen (elementen zwaarder dan ijzer)?

Nu is de reden dat de kern ijzer / nikkel is, te wijten aan de bindingsenergiecurve van de elementen.

Bindende energie per nucleon van gewone isotopen

De opbouw van zwaardere elementen in de kernfusieprocessen in sterren is beperkt tot elementen onder ijzer, aangezien de fusie van ijzer energie zou aftrekken in plaats van deze te leveren. IJzer-56 is overvloedig aanwezig in stellaire processen, en met een bindingsenergie per nucleon van 8,8 MeV is het de derde meest nauw gebonden van de nucliden. De gemiddelde bindingsenergie per nucleon wordt alleen overschreden door 58Fe en 62Ni, waarbij de nikkelisotoop de meest hechte binding is van de nucliden.

Dat is waar de fusie stopt energetisch gunstig zijn. In het Big Bang-model, waar een oersoep in de creaties terechtkomt door fusie van kernen, stopt het model bovenaan de curve.

Nucleaire synthese voor zware elementen vindt plaats in supernova-explosies:

Elementen boven ijzer in het periodiek systeem kunnen niet worden gevormd in de normale kernfusieprocessen in sterren. Tot aan ijzer levert fusie energie op en kan dus doorgaan. Maar aangezien de ” ijzergroep ” zich op het hoogtepunt van de bindingsenergiecurve bevindt, absorbeert fusie van elementen boven ijzer dramatisch energie. (Het nuclide 62Ni is het meest sterk gebonden nuclide, maar het is lang niet zo overvloedig als 56Fe in de sterrenkernen, dus de astrofysische discussie concentreert zich meestal op het ijzer.) In feite kan 52Fe een 4He vangen om 56Ni te produceren, maar dat is het laatste stap in de heliumvangstketen.

Gegeven een neutronenflux in een massieve ster, kunnen zwaardere isotopen worden geproduceerd door neutronenvangst. …

Tot slot:

De lagen met de zware elementen kunnen worden weggeblazen door de supernova-explosie, en het ruwe materiaal leveren van zware elementen in de verre waterstofwolken die condenseren om nieuwe sterren te vormen.

Omdat de zwaardere elementen zijn veel zeldzamer en komen uit een secundaire stap als een explosie van een ster, de specifieke omstandigheden van de vorming van onze ster, de zon en de scheppingen van de planeten eromheen laten zien dat de aarde zwaarder dan ijzeren elementen heeft die zich op een tweede niveau naar de oorspronkelijke materie die samenvloeide tot zijn kern. De hoeveelheden zijn erg klein

de zwaarste van nature radioactieve elementen , thorium en uranium, maak respectievelijk 8,5 delen per miljoen en 1,7 delen per miljoen uit. Enkele van de zeldzaamste elementen zijn ook de dichtste; dit zijn de metalen uit de platinagroep, waaronder osmium met 50 delen per biljoen, platina met 400 delen per biljoen en iridium met 50 delen per biljoen.

en zou niet detecteerbaar zijn met de seismografische methoden die de binnenste en buitenste kern bestuderen.

 ----- 

• volume tot massa voor alle elementen kan worden gezien hier

De wet van Newton stelt dat het centrum van de bolvormige schaal voelt zwaartekracht nul. Dus het zeer minuscule (eigenlijk het hele punt) middelpunt van de aarde voelt zwaartekracht nul (van de aarde zelf). Zie het op deze manier, in elke richting waar je naar kijkt, trekt dezelfde massa radiaal weg – de zwaartekracht balanceert alle op nul. Beweeg nu 100 mijl in elke richting vanuit het midden. Je hebt nu honderd mijl materie die niet langer een onevenwichtige aantrekkingskracht uitoefent in de schaal – de zwaartekracht treedt in werking en het scheiden van dingen begint te nemen plaats wi het dichtere materiaal valt naar binnen en het lichtere materiaal zweeft naar boven. Hoe verder je van het centrum af beweegt, hoe hoger de onevenwichtige zwaartekracht wordt en hoe sneller de scheiding plaatsvindt. Merk op dat het hebben van nul zwaartekracht in het midden niet nul druk betekent. De druk van alle ongebalanceerde krachten wordt opgeteld ondanks de variaties in zwaartekracht. Het middelpunt van de aarde voelt dus geen zwaartekracht, maar voelt wel de grootste druk, allemaal vanwege sferische symmetrie.

Ik denk dat een simpel antwoord is dat de boyante kracht er grotendeels voor zorgt dat zware elementen naar het middelpunt van de aarde zinken. Zo drijft een vliegdekschip op water omdat het schip veel ruimte binnenin heeft. Dus als je deze ruimte met water zou vullen en vervolgens zou wegen, zou je ontdekken dat het gewicht van het schip zonder water minder is dan de hoeveelheid water die het verplaatst of het watergewicht. Hierdoor is het lichter dan het water en blijft het drijven. Zware elementen hebben meer atomen in een bepaalde hoeveelheid ruimte dan lichtere elementen, dus zware elementen zinken terwijl lichtere er bovenop drijven, enzovoort.Een gemakkelijke manier om over het middelpunt van de aarde na te denken, is dat als je jezelf daar zou vinden, elke richting vanuit het midden naar boven is en de kracht vanuit alle richtingen hetzelfde zou zijn, zodat ze zouden opheffen en je gewichtloos zouden maken.

Ik “ben pas 14, en ik zal proberen de vraag te beantwoorden op basis van mijn begrip.

Allereerst alles, de zwaartekracht, die een kracht is en dus een vector, zou in de kern opheffen, omdat het niet alleen afhangt van de grootte van de relatieve kracht, maar ook van de richting ervan, dwz een opwaartse vector zou teniet worden gedaan terwijl een vector naar beneden gaat , enzovoort. Maar …..

Als we voor onszelf een schaal zouden maken in het midden van de aarde (zie de schelpenstelling), zouden we gewichtloosheid ervaren in de schaal totdat we in. Dat zou een zwaartekrachtloosheid zijn. Volgens uw vraag, als de kern uit zwaardere elementen zou bestaan, zou dit alleen de zwaartekracht beïnvloeden die we buiten de t shell.

Het maakt dus niet uit of de kern uit ijzer of wolfraam bestaat. De kern is opgebouwd uit wat het is en dat is de aard. Je moet bekend zijn met de geschiedenis van de aarde, hoe het werd gevormd. De zwaartekracht zou geen enkel effect hebben op waar onze kern uit bestond.

Maar het echte probleem zou het magnetisch veld zijn. IJzer is een uitstekende magneet (wanneer gemagnetiseerd of gevonden als magneet). Het was en is de enige aanhanger van ons magnetisch veld. Ik weet niet van veel andere elementen, maar een zwaarder element zou zeker niet in staat zijn om ons magnetisch veld te ondersteunen. Als het zou kunnen, zou het ofwel te sterk of te zwak zijn om kosmische straling van de zon vast te houden. zwak, zouden de stralingen ons decimeren. Als het te sterk is, zou hetzelfde gebeuren.

Een fundamentele natuurkundige wet die door Newton wordt gesteld, is dat alle deeltjes elkaar aantrekken, hoe klein ze ook zijn (The Gravitational Constant) dat we alleen de zwaartekracht kunnen zien voor hemellichamen (de planeten en sterren, enzovoort). Dus in de kern zouden we zwaartekracht ervaren, maar niet in de schaal die we zouden creëren, waar de schilstelling van toepassing zou zijn. / p>

Kortom, de natuur heeft onze kern gemaakt en we kunnen deze niet veranderen. We hebben nog nooit een verandering ervaren (en ik hoop dat we dat ook nooit doen) in de samenstelling van de kern. Wat de vraag betreft, denk ik er zou geen enkel effect zijn op de zwaartekracht in de kern als de elementen waaruit het bestond verschillend waren. Maar het zou de zwaartekracht die we ervaren zeker anders kunnen maken. Het kan onze planeet zelfs bewoonbaar maken.

Ik hoop dat dit helpt.

Opmerkingen

• Je antwoord lijkt neer te komen op de statement ” Het zou dus ‘ niet uitmaken of de kern uit ijzer of wolfraam bestond. De kern bestaat uit wat het is en die ‘ s aard. ” wat een complete cop-out is en niet ‘ ga helemaal niet in op de werkelijke vraag.
• @BrandonEnright Nee, dit antwoord is niet zo oppervlakkig. De redenering is als ” geen ijzer in de kern = > geen magnetisch veld = > no life = > tegenstrijdigheid; daarom moet er ijzer in de kern zijn “. Volgens de Dynamo-theorie is ijzer echter niet vereist; elke elektrisch geleidende vloeistof zou het doen. Dit omvat wolfraam, water en metallische waterstof .