Вчені з США знайшли спосіб пояснити загадкове розділення ізотопів в розплавленої породи за допомогою законів класичної фізики

Різні ізотопи одного і того ж елемента ведуть себе однаково, за винятком кількох приватних випадків зовнішніх умов, зокрема, областей з нерівномірною температурою. Якщо мова йде, наприклад, про твердіє повільно магмі, важкі ізотопи будуть дифундувати не так, як легкі. Цей ефект був відкритий ще в 90-х роках минулого століття і до цих пір його причина була не зрозуміла. Завдяки комп’ютерному моделюванню, вчені з США знайшли спосіб пояснити загадкове розділення ізотопів в розплавленої породи за допомогою законів класичної фізики.

Проведені чисельні експерименти показують, що молекули, що містять більш важкі атоми, передають свій великий імпульс легким часткам при переході від гарячих областей до більш холодним. Виконана робота допоможе дати нове розуміння магми і фізики каменів, які формуються з неї.

Ідея про те, що коливання температури можуть сприяти хімічної диференціації Землі, з’явилася ще в XIX столітті, завдяки швейцарському хіміку Чарльзу Соре (Charles Soret). Для газів ефект Соре (який також отримав назву термофореза) був пояснений ще в 1930 році за допомогою класичної теорії. Але той факт, що

аналогічне явище може відбуватися і в магмі (точніше, що в магмі можуть мимовільно виділяти ізотопи) був доведений в лабораторних умовах тільки в кінці 1990-х років.

В розплавлених породах більш важкі ізотопи таких елементів, як магній, кальцій і залізо, як правило, концентруються в менш нагрітих областях, у той час як більш легкі ізотопи «віддають перевагу» більш нагріті області. Різниця між концентраціями, як правило, не велика – близько 1%. Але пояснення цього факту, на думку групи вчених з University of California (США), дуже не вистачало в науках про Землю.

Існували різні теорії щодо причин виникнення ізотопного розділення. Зокрема, не так давно була опублікована робота, що передбачало вплив квантових ефектів.

Однак, спільна група вчених з Case Western Reserve University і University of California (США) розпочала пошуки «класичного» пояснення феномену. Детальні результати їх роботи опубліковані в журналі Physical Review Letters.

Для початку команда провела ряд експериментів по розділенню ізотопів. Вони розглянули більш широкий спектр елементів, ніж їх попередники, у тому числі уран і гафній, щоб поліпшити точність порівняння теорії та експерименту. Вчені досліджували зразки розплавленого силікату магнію, що містить невеликі домішки інших елементів, при градієнті температур більш ніж 400 градусів за шкалою Цельсія на відстані в 1 див. Варто відзначити, що перед початком вимірювань зазначена різниця температур зберігалася в зразку протягом місяця. Після того, як джерело тепла був вимкнений, а зразок затвердів, вчені виміряли концентрацію різних ізотопів і з’ясували, що в холодних областях концентрація важких ізотопів була приблизно на 1% вище, ніж у гарячих областях, як і передбачалося перед початком роботи.

Після цього вчені використовували теорію 1930-х років, спочатку призначену для газів, для передбачення ступеня розділення ізотопів при тих же умовах. Виявилося, що проведений розрахунок добре узгоджується з отриманими результатами.

На третьому етапі досліджень вчені провели комп’ютерне моделювання молекул в рідині, представляючи їх як класичні частинки. І результат знову виявився добре узгоджувався з теоретичними передбаченнями.

Таким чином, вчені довели придатність теорії.

На думку колег вчених, опублікована робота може пролити світло на процеси, за допомогою якого магма перетворюється в скелі. Зокрема, вона, ймовірно, допоможе вченим зрозуміти природу таємничого тонкого шару розплавленої породи, що знаходиться між твердою мантією Землі та її рідким залізним ядром.

1. sci-lib.com

2. physics.aps.org

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *