Origem do Universo e dos Elementos Químicos - Jerônimo Cruz

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Geoquímica
Origem do universo
Elementos químicos
Estrutura da Terra
Manoel Jerônimo Moreira Cruz
Fissão nuclear
Evolução do conhecimento humano
O Fogo
A luz
Energia
Observação
Alimentos - Digestão
Espéctro ótico
Hertzprung - Russel
Olhar o céu
Hertzprung 
Russel
Expansão do Universo
Lei de Hubble : As galáxias se afastam com 
velocidade (V) proporcional a sua distancia (D)
ENERGIA universo
Forças do universo
Big Bang Troca de energia
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„Big Bang“:
➢ 10 – 20 Ga atrás: Formação do universo
➢ nuvem solar
NUVEM SOLAR,
NÉBULA SOLAR
elementos
leves
H, He, (Li)
BIG
BANG
SISTEMA SOLAR
Estado 1. O início: expansão do universo
expansão
Muon
https://pandax.sjtu.edu.cn/cjpl
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➢ matéria condensada
➢ galaxias
➢ estrelas (importante: com tamanhos diferentes) 
Nuvem estrelar, com estrelas formando: 
Estrelas em uma galaxia
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3. Queda da temperatura
➢ resfriamento até 1010 °C
(10 biliões) em uma segunda
➢ depois de 3 segundas:
só 109 °C (1 bilião)
➢ depois de 700.000 anos:
só 3000 °C (o universo inteiro !)
5700 °C 14.000.000 °C
O nosso sol
➢ temperatura do sol hoje:
5700 °C no superfício
14.000.000 °C no interior
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SÍNTESE DOS ELEMENTOS = NÚCLEOSÍNTESE
Núcleosíntese
Big Bang
Estrelar
Explosiva
Interestrelar
Nucleosínteses
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1. Quais os primeiros elementos ?
• relação H/He quase uniforme no universo
• H, He (e Li) na nuvem solar
• gênese diretamente depois o Big Bang (elementos mais antigos)
Síntese no Big Bang (síntese cosmológica)
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Isótopos de H:
1H = hidrogénio
2H = deutério
3H = trítio
1H + 1H = 2H + energia
1H + 2H = 3H + energia
1H + 2H = 3He + energia
2H + 2H = 4He + energia
Queima de 1H (burning of H)
2. Processos de formação
n + ν = 1H + e-
nêutron + neutrino = hidrogênio + elétron
Síntese de 1H
Cadeia 
de prótons
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5700 °C 14.000.000 °C
• temperatura 10.000.000 °C
• reações exotérmicas
• síntese cosmológico (H, He, pouco Li), no Big Bang
Nosso sol
Próton + próton
Próton Próton III
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Síntese estrelar
1. Gênese dos elementos mais pesados (C a Fe),
+/- Li, Be, B:
• fusão dos elementos mais leves
• fusão depois Big Bang
Núcleosíntese
Big Bang
Estrelar
Explosiva
Interestrelar
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Problema:
• síntese dos elementos mais pesados precisa de aumento de T
mas a temperatura do universo inteiro estava caindo !
Solução: • reações exotérmicas:
aumento da temperatura no interior dos estrelas
(bomba hidrogênica: fusão de átomos)
• tamanho das estrelas:
quanto maior a estrela, tanto
➢maior as forças da gravitação
➢maior a pressão
➢maior a densidade
➢maior a temperatura
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Síntese dos elementos mais pesados que He:
➢ no interior das estrelas
➢ elementos C a Fe
➢ só pouco Li, Be e B
➢ síntese estrelar
LIBERAÇÃO DE ENERGIA
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2. Processos: „Queima“ dos elementos leves
para núcleos mais pesados
Queima de carbono C:
12C + 16O = 24Mg + 4He + energia
Na, Al, P, S, K, e outros
12C + 12C = 20Ne + 4He + energia
3He + 4He = 7Li + energia
4He + 4He = 8Be + energia
Queima de He:
8Be + 4He = 12C + energia
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24Ne + 4He = 28Si + energia
Queima de neon Ne:
Queima de silício Si:
28Si + 4He = 32S + energia
28Si + 28Si = 56Fe + energia
Reações exotérmicas
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Si > Fe
C > Ne
Ne > Si
He > C
✓ peso alto
✓ densidade alta
✓ pressão alta no interior
✓ temperatura alta no
interior para queimar Si
(elementos até Fe)
Estrela grande
cataclísmica 
Colapso gravitacional
Gráfico massa versos densidade (Log-média)
Buraco negro
Interno Externo
Elementos após o Fe
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1
100
10.000
1.000.000
100.000.000
100 200 300 4000
°C (temperatura) X 1.000.000
g
/c
m
³ 
(d
e
n
si
d
ad
e
)
queima H
queima He
queima C
queima Ne
queima Si
estrela grande
estrela pequena
Ta
m
an
h
o
P
re
ss
ão
Nosso sol
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Síntese explosiva
Núcleosíntese
Big Bang
Estrelar
Explosiva
Interestrelar
Ganha de 
energia por 
fusão de 
nuclidos
Ganha de energia 
por fissão de 
nuclidos
MeV
Energia de ligação: énergia emitida durante fusão de nuclidos
E = m * c² defeto de massa
Número de massa A
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✓ essas reações (queimas) são endotérmicas (!!)
✓ é preciso energia aditiva para
realizar essas reações
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Energia da explosão da estrela (supernova):
➢ estrela chegou na densidade crítica
➢ só por estrelas muito pesadas chegam nesse estado
(a partir de 8x a tamanho do sol)
➢ elementos a partir de Fe (portanto ainda mais raros)
Explosão supernova
Nas 10 segundas iniciais:
100 vezes mais energia que
o nosso sol produz durante
a sua vida inteira
Explosão supernova
de uma estrela grande
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Estado final de uma estrela grande:
➢ explosão (supernova) das cámadas exteriores da estrela
➢ „implosão“ do interior, formação de elementos > Fe
➢ alta massa
➢ altas forças de gravitação (buraco negro)
Buraco negro „come“ outra estrela
explosão
implosão
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Síntese interestrelar
• interação entre ráios cósmicos e matéria interestrelar
• maioria de Li, Be, e B
• esses elementos têm história diferente, 
portanto têm uma abundância especial no universo
Núcleosíntese
Big Bang
Estrelar
Explosiva
Interestrelar
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Frequência dos elementos no universo
➢ génese de H, He e pouco Li no Big Bang
(síntese cosmológico)
➢ elementos Li a Fe durante a vida das estrelas
(síntese estrelar)
➢ elementos mais pesados que Fe só nas estrelas
pesadas (síntese explosivo)
➢ Li, Be, B (síntese interestrelar)
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1. frequência dos elementos
desce com peso atomar
(porque génese depende
do tamanho da estrela)
2. Li, Be e B têm
distribuição diferente
(síntese interestr. !)
3. elementes com pesos
pares são mais frequente
que impares
Oddo-Harkins efeito:
estabilidade dos núcleosLi,Be,B
exemplo:
TR
Abundâncias cósmicas referidas ao Si
Fe
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Histograma da abundância dos elementos 
químicos no sistema solar
Formação do Sistema Solar
• http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/NatSci102/lectures/solarsysform.htm
A formação do Sistema planetário demorou 10.000 milhões de anos 
a) a nuvem de gás molecular proto estelar
em lenta rotação, colapsa
b, c) forma a estrela central e o disco 
de gás 
d) a estrelacentral ( Sol) inicia a queima 
de Hidrogênio
f) Restou a estrela central e os planetas
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Formação do sistema solar
Terra
Composição do universo (informações físicas)
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Estrutura da Terra
Gravidade
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Isostasia 
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Campo Magnético
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Teoria e Euler XVIIIème siècle. 
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Tectônica de Placas
Experiencia de 
condensação e calculos 
termodinamicos

Química e estruturae das 
poeiras conforme a 
sequencia de condensação
em équilibre
Condensação de H2 et He
Condensação dos últimos gazes résiduais (Ar, N2)
CH4 gazoso reage com o gêlo e
forma um hidrato solido (CH4,H2O)
NH3 gazoso reage com o gêlo
e forma um hidrato solido (NH3,H2O)
O vapor d´água se condensa em gêlo
H2O se combina aos minerais calcicos (formatção da 
trémolita) e a olivine (formação da serpentina)
Na reage com Al2O3 e ss silicatos para formar os 
feldspatos e outres minerais alcalinos
Condensação da enstatita MgSiO3 e oxidaçaõ do ferro 
para formar a olivina (Fe,Mg)2SiO4
Condensação da liga Ferro-Niquel
Condensação dos oxidos refratarios
(CaO, Al2O3, oxidos de titanio, etc.)
Química dos condensados
120 °K 
Moins de 120 °K
550 à 425 °K 
C
am
p
o
 d
o
 gêlo
s
175 °K 
150 °K 
C
asm
p
o
 d
o
s silicato
s
1 200 à 490 °K 
1 000 °K 
Moins de 20°K
1 300 °K 
C
am
p
o
 d
o
 
ferro
1 600 °K
Temperatura
(Nota) Nuvem présolar = 99 % de gaz + 1 % de poeira (grãos ≈ 0,1 mm)
(Nota) Formação dos asteróides e dos planetas :
Acreação homogênea suiguida ou não de diferenciação seguida ou não de 
fragmentação
Modèle de formation des météorites
Nebulosa solar
Material condrítico
Acreação Fragmentação
Corpos pais de pequenas dimensões
Condrito
Acreação Diferenciação Fragmentação
Corpo pai de
tamanho 
grande
Lavas Sideritos
Acondritos
pobres em Ca
Acondritos
basálticos
Núcleo Manto
Modelo de Formação dos Meteoritos
Diferenciação: 
Separação dos materiais 
constituintes da proto- Terra 
de acordo com a sua 
densidade
ESTRUTURA EM CAMADAS
Entre estes materiais : ligas de Fe 
-Ni e silicatos de ferro , 
magnésio, cálcio ...
O ferro , mais denso, migrar em 
direção ao centro para formar o 
núcleo, enquanto silicatos , mais 
leves, permanecem na periferia 
e forma o revestimento ..
Diferenciação Núcle / Manto
Se assim for, o que evidência que 
este núcleo denso é constituído 
de ferro ?
Acreação homogêneaAcreação forma um
Grande planetesimal
Formação de um 
Protoplaneta homoGênio
Início da diferenciação
E separação dos materiais Terra diferenciada
Ferro Materiais 
densos
Crosta
Ferro sólido 
Do núcleo interior
Ferro líquido
Núcleo exterior
MANTO
Os dados sísmicos
Mostram que existe uma interface de 
fundo (limite entre duas camadas) , 
onde as ondas são refletidas , 
refractada , transformadas ...
Este limite é evidenciado pela existência 
de uma área de sombra onde as ondas P 
não são registradas a partir do 
sismográfo . Esta zona situa-se entre 
uma zona de distância angular de 
105 ° e 142 ° epicentrodo simógrafo 
emissor - F
Calcula-se que este limite chamado a 
descontinuidade Gutenberg, situa-se a
2900 km de profundidade ,
é o limite núcleo - manto
?
Dados de densidade
As rochas presentes na superfície possuem 
densidades máximas da ordem de 2,5 a 3,5
Portanto,é
necessário que
exista abaixo de nós
um material mais
denso do que 5.5
Distância Terra-Lua + período de revolução lunar + 3ª lei de Kepler :
Densidade média da Terra = 5,52 ( = 5520 kg/m3)
Em comparação com 
meteoritos é 
provável que seja o 
ferro (com um pouco 
de níquel)
Atração
gravitacional
O campo magnético da Terra
O núcleo externo é líquido
É modelizado pelo diopolo 
existente no centro da Terra.
Para gerar este campo, acha-se que existem movimentos de convecção
no núcleo externo, no meio líquido condutor:trata-se de um geodinâmo.
É visível do espaço sideral
Bússola
Polo sul magnético Polo norte geográfico
Polo norte magnético
Eixo de rotação da Terra
Polo sul geográfico
Manto sólido
Núcleo
líquido
Eixo de rotação 
da Terra
Linhas de força
magnéticas
Vento solar
Outra prova que o núcleo de ferro é 
líquido:
a propagação das ondas S no Globo,
Estas ondas atravessam o sólido, 
mas não o líquido, ou elas param na 
descontinuidade de Gutenberg.
Tomografia sísmica : estudam as variações de 
velocidade laterais , podem ser identificados no 
revestimento de zonas quentes e zonas frias
O manto litosférico é sólido e núcleo interior se 
comporta como um grão no estado sólido
Litosfera
Atenosfera
Manto superior
Núcleo
internoNúcleo
Externo
Manto
interior
Velocidade
Profundidade
A indicação final da existência de um núcleo denso rico em 
ferro:enclaves peridotito (representante do manto superior ) 
expelidos por vulcões, são semelhantes a alguns acondritos 
(meteoritos diferenciados como são sideritos e palasitos )
Péridotito
Achondrite Pallasite Sidérite
Natureza dos enclaves expelidos pelos vulções
Olivina
Acreação Diferenciação Fragmentação
Núcleo Sideritos
Corpo pai
de grande dimensão
Manto Acondritos
Acondritos
empobrecidos
Para se observar o 
núcleo é necessário se 
colocar sismógrafos 
para gravar os sismas
de Vênus, Marte ou 
Mercúrio ....
Os outros planetas
Outros planetas telúricos têm densidades e momentos de inércia 
que também indicam a presença de um núcleo de Fe-Ni , exceto 
Mercúrio (supostamente completamente resfriado), os planetas 
não possuem campo magnético forte. Isto porque a rotação é 
muito lento (Vênus) para gerar movimentos em seu núcleo líquido 
ou porque é sólido (Marte).
Diâmetro
Massa (massa da Terra =1)
Densidade, g/m3 
água=1
Mercúrio Venus Terra Marte Jupter Saturno Urano Netuno Plutão
Planetas Telúricos
Sol
Mercurio
Venus
Terra Marte
Asteróides
Aspectos químicos,energéticos e geocronológicos
A diferenciação dos planetas significa a migração de ferro para o 
centro.
Outros elementos de afinidade siderófila tem o mesmo 
comportamento
Os elementos 
siderófilo têm 
afinidade com o Fe.
Estes se concentram 
no núcleo terrestre 
em meteoritos 
férricos
Exemplo Ósmio, 
irídio, platina são 
siderófilos e não 
possuem outras 
afinidades Estes elementos são raros na superfície, excessão em 
certos processos específicos e excepcionais fazendo com 
que eles se concentram em um determinado ponto .
Elementos siderófilos
Afinidade com o Fe
Os elementos formados por produtos de decaimento radioativo ( U e Th ) estão 
associado aos silicatos, independentemente da sua afinidade geoquímica .
A maior parte dos demais elementos são classificação como litóficos : eles são 
enriquecidos no material de rocha , não só na crosta terrestre , mas especialmente no 
manto .
Vemos que o ferro também pertence a esta 
família e existe também no manto da Terra 
.
Estes elementos 
desenvolvem 
ligações com o 
oxigénio e o silício 
e são as bases dos 
silicatos .
Afinidade com rochas
Pode-se calcular que o ferro é distribuído entre o núcleo onde está presente sob forma
metálica , e o manto, onde forma minerais de silicato e de óxidos , com razão de 80 % no
núcleo e 20 % o manto
% Terra global Terra 
silicatos
Núcleo
O 32.4 44.8 4
Fe 28.2 5.8 79
Si 17.2 21.5 7
Mg 15.9 22.8
93.7 94.9 S=2.3
Ni 1.6 0.2 4
Ca 1.6 2.3
Al 1.6 2.2
Na 0.25 0.26
Esta repartição influencia 
na química e na 
mineralogia do manto e se 
exprime na proporção 
piroxênio [(Fe,Mg)SiO3]
olivina [(Fe,Mg)2SiO4]
magnesiowüstite 
[(Fe,Mg)O]
em função da relação
(Fe+Mg)/Si
. Por sua vez, a composição do manto terá uma 
influência da crosta derivadada 
Qual a energia que causou este fato?A migração de ferro e outros elementos siderofílos implica que a Terra se fundir, pelo
menos parcialmente !
O problema consiste em saber se esta energia foi conservada ou dissipada no
espaço, durante os impactos , o que depende do tamanho e a frequência destes!
A energia de atração gravitacional de
objetos que se acrescem pode ser
convertida em energia cinética e depois em
energia térmica .
Podemos calcular que a energia acumulada
chegaria a temperaturas de 4100 ° C para a
acreação de um objeto do tamanho de
Mercúrio, a 5900 ° C para Marte, 25000 ° C
para Vênus e 29.000 ° C para a Terra. Isto é
bem acima da temperatura de fusão do ferro,
mesmo sob pressão .
Acreação
Energia gravitacional 
Potencial é convertida 
Em energia cinética
Energia cinética
É convertida em energia 
térmica
O problema está na sequencia dos eventos !
Sabemos que a radioatividade
(U , Th , K) representa
actualmente quase 50 % da
energia interna do globo. No
momento da formação dos
planetas , a radioactividade
de certos núcleos como 26Al ,
agora extinto , foi capaz de
fornecer a energia necessária
durante algum tempo.
A energia nuclear e a energia radioativa ( extinto ) de certos núcleos atómicos são 
convertidas em energia térmica, Assim como a energia ligada a diferenciação..
Acreação
Energia gravitacional 
Potencial é convertida 
Em energia cinética
Energia cinética
É convertida em energia 
térmica
Diferenciação
Decaimento radioativo
Material leve tende a superfície
Material denso mergulham
Para o núcleo, convertendo 
energia
Gravitacional em termal
O conteúdo mass-energia
Do núcleo é convertida
Em energia termal
Universo
{\displaystyle Idade<K/L_{max}^{0.7}}
Idade do universo