Как происходит образование элементов во Вселенной по модели Большого взрыва. 
Поясните распространенность химических элементов в солнечной системе

Светимость нашей Галактики оценивают числом 10⁵⁴ эрг/с. Если возраст Галактики 10¹⁰ лет, то при постоянной светимости она выделила заэто время 2*10⁶¹ эрг. При образовании одного ядра гелия выделяется энергия 2,5* 10^-5 эрг. Следовательно, за время существования Галактики в ней образовалось 10⁶⁶ альфа-частиц. При массе частицы 6,67*10^-24 г это составляет 7*10⁴² г, а масса Галактики — 4*10⁴⁴ г. Поэтому к нашему времени отношение гелия к водороду Не/Н могло бы быть 7/400, или 1/57, по массе или 1/230 по числу атомов. Это меньше наблюдаемого соотношения в 20 раз, так как из анализа состава звездных атмосфер, космических лучей получается Не/Н порядка 1/11. Уже из таких простых оценок понятно, как получать согласие модели с данными соотношениями.

Плотность материи во Вселенной практически совпадает с плотностью реликтового излучения. Она может быть выражена через энергию = Е/с², а, значит, и температуру Е = Т⁴. С другой стороны, = M/(4/3)R, R = (9GMt²/2)^1/3 и (5*10⁵/t²) г/см³. Здесь время t в секундах. Отсюда ясна связь температуры Т и времени, прошедшего от начала расширения: Т 10¹⁰/t.

Сначала (при t<0,01 с) температура очень высока, и вещество состоит из нейтронов и протонов в равных пропорциях. Благодаря присутствию электронов, позитронов, нейтрино и антинейтрино происходит непрерывное превращение n + е⁺ р + ^- и обратно, р + е^- n+. При охлаждении за первые 10 с число протонов увеличится за счет нейтронов, и начнется образование дейтерия, трития, изотопа гелия He-3 и Не-4. Через 100 с от начала расширения заканчиваются все ядерные превращения: водорода получается 0,9, гелия — 0,09, остальное приходится на более тяжелые элементы. По весу водород составляет около 0,7, гелий — 0,3. Это и есть химический состав Вселенной к началу формирования звезд и галактик.

Для наглядности эту начальную стадию делят на четыре «эры». Для каждой из них можно выделить преобладающую форму существования материи, в соответствии с чем и даны названия.

В самом начале эры адронов, продолжавшейся 0,0001 с, была велика энергия гамма-квантов. При высоких температурах могли существовать частицы только больших масс, для которых существенно и гравитационное взаимодействие. Элементарные частицы разделяют на адроны и лептоны, причем первые могут участвовать в сильных и быстрых взаимодействиях, а вторые — в более слабых и медленных, поэтому первые эры получили такие названия.

Адронная эра — эра тяжелых частиц и мезонов. Плотность d > 10¹⁴, Т > 10¹² К, t< 0,0001 с. Основную роль играет излучение, количества вещества и антивещества могут быть примерно равными. В конце адронной эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов. Из равновесия с излучением вышли последовательно гипероны, нуклоны, Кимезоны и их античастицы. Продолжительность эры лептонов 0,0001 ¹⁰ К < Т 10¹² К 10⁴ < d < 10¹⁴ Основную роль, играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Постепенно из равновесия с излучением вышли мю-мезоны и их античастицы, электронные и мезонные нейтрино, а избыточные мюоны распались на электроны, электронное антинейтрино и мю-онное нейтрино. В конце эры лептонов происходит аннигиляция электронов и позитронов. Спустя 0,2 с Вселенная становится прозрачной для электронных нейтрино, и они перестают взаимодействовать с веществом. Согласно теории, эти реликтовые нейтрино сохранились до нашего времени, но температура их должна была снизиться до 2 К, поэтому пока их не могут обнаружить.

Далее приходит фотонная эра продолжительностью 1 млн лет. Основная доля массы—энергии Вселенной приходится на фотоны, которые еще взаимодействуют с веществом. В первые 5 мин эры происходили события, во многом определившие устройство нашего мира. В конце лептонной эры происходили взаимные превращения протонов и нейтронов друг в друга. К началу эры фотонов количества их были примерно равными. При уменьшении температуры протонов стало больше, поскольку реакции с образованием протонов оказывались энергетически более выгодными и, значит, более вероятными. Это определило скорости реакций, и к началу эры число нейтронов остановилось на 15%.

В начале эры излучения 3000 К < T< 10¹⁰ К; 10^-21 < d < 10⁴г/см³ нейтроны захватываются протонами, и происходит образование ядер гелия. Кроме того, за эти первые минуты некоторое количество нейтронов пошло на образование ядер бериллия и лития, а некоторое количество распалось. В результате доля гелия в веществе могла составить 1/3. В конце эры температура снизилась до 3 000 К, плотность уменьшилась на 5−6 порядков, в результате чего создались условия для образования первичных атомов. Излучение отделилось от вещества, Вселенная стала прозрачной для вещества, и пришла новая эра — эра вещества. Излучение играет главную роль, образуется гелий. В конце эры главную роль в образовании вещества Вселенной начинает трать вещество.

В звездную эру, наступившую при t порядка 1 млн. лет, Т приблизительно равно 3 000 К, а плотность d порядка 10^-21г/см³ Начинается сложный процесс образования протозвезд и протогалактик.

Основными источниками сведений о распространенности химических элементов служат данные о составе Солнца полученные с помощью спектрального анализа, и результаты лабораторных химических анализов материала земной коры. метеоритов пород поверхности Луны и планет. Принято выражать количество атомов какого-либо химического элемента по отношению к кремнию в разных природных системах. поскольку кремний принадлежит к обильным и труднолетучим элeментам.

С ростом порядкового номера распространенность элементов убывает неравномерно, причем элементы с четным порядковым номе' ром более распространены, чем с нечетным, особенно элементы с массовым числом, кратным 4, например. Не, С, О, Ne, Мд, Si, S, Ar, Са. ряд максимумов соответствует элементам с ядрами, у которых число протонов или нейтронов равно 2. 8. 20, 50, 82, 126. Этим «магическим» числам соответствуют заполненные ядерные оболочки, характеризующие устойчивые ядра. По этому поводу американские космохимики Гарольд Юри и Г. Зюсс сказали так: «Представляется, что распространенность элементов и их изотопов определяется ядерными свойствами и что окружающее нас вещество похоже на юлу космическою ядерною пожара, в котором оно было создано» .

Большинство газов (или летучей части солнечного вещества) — Н, Не, СО, О, N, СО2 и все инертные газы. Основную часть внутренних планет и метеоритов составляют нелетучие элементы солнечного вещества — Si, Ре, Vg, Са, Al, Mi, Na. Проводя детальные сравнения, Виноградов показал, что эти породообразующие элементы планет и метеоритов непосредственно выброшены Солнцем, и не захвачены из других областей Галактики. Некоторые различия в составе планет связаны с вторичными процессами и тем, что элементы входят в разные соединения, пребывая в разных агрегатных состояниях. Особенно близок состав нелетучей части элементов Солнца и наиболее распространенных каменных метеоритов — хондритов.

Летучая часть солнечного вещества, существующая в виде газов при Т>0, при низких температурах переходит в твердое состояние, а атомы газов вступают в соединения. Инертные газы в соединения не вступают, оставаясь и при низких температурах в газообразном состоянии. Земля и метеориты сохранили летучие элементы в той степени, и какой они проявляли свою активность, поэтому инертные газы как на Земле, так и в метеоритах встречаются редко. Что касается изотопного состава С, О, Si, Cl, Fe, Ni, Со, Ва, К, Си, то он одинаков на Земле и в метеоритах. Относительно Солнца таких широких исследований не проведено, но для С12: С13 он такой же, как и на Земле. Исследования по инертным газам показали идентичность изотопного состава в солнечной системе, но на других звездах это отношение иное.

Таким образом, все тела солнечной системы построены из небольшого числа элементов (около 28 номера таблицы Менделеева распространенность существенно падает) и имеют единое происхождение. Метеориты, большинство которых оказались очень древними, дали ценную научную информацию об истории возникновения отдельных тел солнечной системы. По оценкам, основанным на радиоактивном распаде урана, тория, рубидия и калия, их возраст около 4,5—4,6 млрд лет, т. е. совпадает с возрастом Земли и Луны. В них насчитываются примерно 66 минералов, большинство из них похожи на земные. Вероятно, метеориты образовались тогда же, что и планеты земной группы. Согласно принятой в геологии классификации, все элементы разделены на четыре группы. Атмофильные элементы склонны накапливаться в атмосферах; литофильные образуют твердые оболочки планет; халькофильные создают соединения с серой, подобные меди; сидерофильные способны растворяться в сплавах железа.