18.05.2013 07:28
Σ Ястребова Светлана
Расплавленный внутренний слой Земли, именуемый мантией, безусловно, влияет
на облик нашей планеты: тектонические плиты, из которых сложены материки и
океанское дно, "плавают" по верхнему слою мантии, провоцируя то
землетрясения, то извержения вулканов. Считалось, что в этом движении
участвует только верхний слой мантии, ближайший к коре, тогда как нижний
практически не влияет на сейсмические процессы. Однако теперь появился
повод пересмотреть эти взгляды. Группа учёных из России и США нашла
условия, при которых один из основных минералов нижнего слоя мантии,
ферропериклаз, меняет важные характеристики: магнитные свойства, электро- и
теплопроводность. Полученные результаты, опубликованные в недавнем номере
Proceedings of National Academy of Sciences, бросают вызов известным
теориям строения Земли и позволяют глубже заглянуть в процессы,
происходящие внутри нашей планеты.
Ферропериклаз - второй по распространённости в нижнем слое мантии минерал,
состоящий из атомов кислорода, магния и железа. Поэтому не удивительно, что
свойства ферропериклаза играют не последнюю роль в определении облика нашей
планеты. Ионы железа, одного из компонентов минерала, имеют чётное число
электронов. Модель строения атома говорит нам, что все его электроны
располагаются в "ячейках", каждая из которых может содержать в себе не
более двух названных элементарных частиц. Если число ячеек превышает число
пар электронов, появляются такие частицы, которые не имеют партнёра, при
этом электроны находятся в максимально возможном числе ячеек. Как раз такое
неспаренное расположение некоторых электронов характерно для атомов железа
в их основном состоянии.
Каждый электрон имеет такую характеристику, как спин. К сожалению, это
понятие, как и многие другие из мира квантовой физики, не может быть точно
передано языком механики, однако, очень упрощая, можно считать, что спин -
это момент вращения электрона, выражаемый либо числом -1/2, либо +1/2. Одно
из правил распределения электронов в атоме гласит, что неспаренные частицы
должны иметь максимальный спин, то есть чем больше будет электронов "+1/2",
тем лучше: в таком случае атом в целом будет иметь наибольший спин и
наименьшую энергию. Частицы в одной и той же ячейке не могут иметь
одинаковый спин.
Железо в обсуждаемом минерале находится в состоянии, которое чаще всего
можно наблюдать при температурах, близких к комнатной, а также давлениях,
близких к атмосферному, и имеет 4 неспаренных электрона. Обычно именно в
таких условиях и изучали свойства ферропериклаза. Учёные из Института
кристаллографии РАН, Троицкого подразделения Института ядерных исследований
РАН, Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН и американских
организаций во главе с заведующим отделом Института кристаллографии РАН
доктором физико-математических наук, профессором Игорем Любутиным учли, что
давление и температура на поверхности Земли заметно отличаются от тех, что
в мантии. Для исследования свойств минерала они использовали алмазную
ячейку высокого давления - прибор, в который между двух алмазных наковален
помещается изучаемый образец.
Здесь и далее иллюстрации из курса "Петрология мантии" (преподаватель Олег
Геннадьевич Сафонов, доктор геолого-минералогических наук, ИЭМ РАН),
предоставлены Ильёй Фоминым
Наука и технологии России 2013.05.17 10:37