宇宙和地球中元素的分布与分配

确定太阳系元素丰度的途径是：
（1）对太阳及其他星体辐射的光谱进行定性、 定量测定； （2）直接测定地球岩石、月球岩石和各类陨 石； （3）利用宇宙飞行器对临近地球的星体进行 观察和测定； （4）分析测定气体星云、星际物质和宇宙线 组成。
太阳及行星的性质
太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星 、小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太 阳系99.8%的质量。
2. 分布与分配的概念
分布指元素在各种宇宙体或地质体中（太阳 、行星、陨石、地球、地圈、地壳）整体（ 母体）的含量；而分配则指元素在构成该宇 宙体或地质体内各个部分或各区段（子体） 中的含量。二者既有联系又有区别，而且是 一个相对的概念。
化学元素在地球中的分布，也就是元素在地 球（母体）中的各层圈（子体）分配的总和 。而元素在构成地壳的各构造层及各类型岩 石中的分布，则又是元素在地壳（母体）中 各子体中分配。
2.1 宇宙的成因
1964年，美国贝尔电话实验室的工程师彭齐亚 斯和威尔逊利用一架精密的射电望远镜进行对天观 测，结果他们在7.35cm波长上发现一种具有独特性 质的极强的无线电噪声。一般情况下，用天线接受 到的是来自天线的无线电信号，而不是这种噪声。 当时似乎所有方向都能接受到这种波长为7.35cm的 噪声，相当于温度为3K物体辐射的射线。这一现象 曾使他们百思不得其解。后来在普林斯顿大学迪克 （R. H. Dicke）教授的帮助下他们认识到这正是加 莫夫所预期的宇宙微波背景辐射温度，于是他们在 1965年正式发表了这一重要发现，并因而在1978年 两人共同获得诺贝尔物理学奖。
2.1 宇宙的成因
一、现代宇宙成因假说
“宇宙大爆炸”假说是由美国天体物理学 家加莫夫最先提出的（Gamow, 1952）。该假 说认为，大约在150亿年以前，所有的天体物 质都集中在一起，密度极大，温度极高，被称 为原始火球。这个时期的天空中，没有恒星和 星系，只是充满了辐射。后来由于某种未知的 原因，原始火球发生了大爆炸，组成火球的物 质飞散到四面八方，随着物质的膨胀和冷却， 宇宙开始了自身的演化历史。
“宇宙大爆炸”假说最直接的证据来自于对宇宙 膨胀假说的证实：
1929年，美国著名天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在威尔逊山天文台利用当时世界上最大的 2.5m反射望远镜测量了仙女星座18个星系的运动速 度以及这些星系到地球的距离。结果发现所有这些 星系的光谱都有红移现象，
2.1 宇宙的成因
要表现为：内行星体积小、密度大， 主要元素是Fe, Si, Mg等非挥发性元素 ；外行星体积大、密度小，主要是H， He等挥发性元素。
三、元素在宇宙中的丰度
太阳系平均化学成分或元素宇宙丰度的确定 主要依据两类数据。一是根据太阳光谱资料确定 太阳系中挥发性元素含量。
目前已知太阳中存在有85种化学元素。由于太阳表面温 度极高，这些元素的原子都处于激发状态，并不断地辐射 出各自的特征光谱。太阳光谱的谱线数目和波长主要取决 于太阳表层中所存在的元素种类，而这些谱线的亮度则主 要取决于元素的相对丰度。因此，通过测定太阳光谱中不 同波长谱线强度，就可得到太阳表层元素的丰度。氢和氦 是太阳大气中最主要成分，这两种元素的原子几乎占了太 阳中全部原子数目的98%。
• 体系和环境： 在热力学中，把研究对象称为体系，而体系有
内在联系的周围部分称为环境。体系的性质即状态有 广度性质和强度性质之分。前者具有加和性，例如体 系的V，n等。后者不具有加和性，例如T，P。
在地球化学研究中，把所研究对象称为一个地球 化学体系，每个地球化学体系都有一定的空间，都处 于特定的物理化学状态，并且有一定的时间连续。
太阳及行星的性质
太阳系由太阳、行星、行星物体（宇宙尘、彗星、 小行星）和卫星所组成，其中太阳集中了整个太阳系 99.8%的质量。
* 接近太阳的较小的内行星-水星、金星、地球、火 星，也称类地行星；
* 远离太阳的外行星-木星、土星、天王星、海王星 和冥王星，也称类木行星。
* 在火星和木星之间存在着数以兆 计的小行星（小行星带）。它们的 大小相差极大。最大的直径可达数 百公里，最小的仅1m。其数量在 1011个以上。
The Terrestrial Planets
The Jovian planets
y
Sun Mercury Venus Earth Mars Jupiter Saturn Uranus Neptune Pluto
ance 0 0.39 0.72 1 1.52 5.2 9.2 19.2 30.1 39.5
sity 1.41 5.43 5.25 5.52 3.95 1.33 0.69 1.29 1.64 2.03
ius 109 0.38 0.95 1 0.53 11 9
4
4
0.18
Titius-Bode rule (1772): 0，3，6，12，24… + 4; 10
化学元素在太阳系中的分布特点主
V=HD 其中速度的单位是km/秒，距离的单位为106光年（ 1光年=1×1013km），H称为哈勃常数（15km/秒 /106光年），整个关系式就是著名的哈勃定律。
2.1 宇宙的成因
按照哈勃定律，所有的河外星系（即除银河系 而外的其它星系）都在远离我们，而且离我们越远 的河外星系，远离得越快。这和宇宙膨胀模型所描 述的结果正好相符。哈勃的发现使宇宙膨胀假说得 到了观测的支持，为“宇宙大爆炸”假说的提出奠 定了坚实的基础。
一、现代宇宙成因假说 二、化学元素的起源 三、元素在宇宙中的丰度
三、元素在宇宙中的丰度
宇宙中化学元素的组成和丰度是对宇宙成因 理论和元素起源假说的检验，确定元素在宇宙中 的丰度是地球化学和宇宙化学研究的重要任务之 一。宇宙学原理表明宇宙是均匀的和各向同性的 ，宇宙各部分的化学组成是统一的。根据这一原 理，人们通常用太阳系平均化学成分来表示宇宙 中元素的丰度。
第二节 宇宙（太阳系）的化学组成
地球的特殊性不仅在于其拥有生命，而且在 于其经历了高度的化学分异，形成了清晰的层状 结构。因而，人类可以直接观察的地球表层（地 壳）的物质组成不同于整个地球乃至全部太阳系 的化学成分。于是，我们通过分析陨石和月球的 样品，遥测行星和太阳大气的成分，从中获得关 于太阳系组成的知识。本章首先介绍宇宙的成因 和化学元素起源的假说，然后分别讨论太阳系、 地球、月球和陨石的化学组成问题。
Our solar system consists of the sun, nine planets (and their moons), an asteroid belt, and many comets and meteors. The sun is the center of our solar system; the planets, over 61 moons, the asteroids, comets, meteoroids and other rocks and gas all orbit the Sun.
“恒星合成元素”假说概括了元素合成过程的3种 类型:
1.氢核聚变反应: 主星序阶段的所有恒星都是通过 氢核聚变反应获得能量的，核反应的产物是元素 氦。 2.氦核聚变反应: 当恒星内部的氢全部转变为氦以 后，氢核聚变停止。此时恒星内部收缩，温度升 高到100×106K，氦核聚变开始。 3.中子捕获反应: 中子捕获反应是恒星演化到最晚 阶段才开始发生的重要反应，由此产生原子序数 大于26（Fe）的重元素。
4. 丰度的研究意义
• 丰度是每一个地球化学体系的基本数据。
近代地球化学正是在探索和了解丰度这一过程中逐渐 形成的。
• 一些重要的地球化学基本理论问题都离不开 地球化学体系中元素丰度分布特征和规律研 究。
第二节 宇宙（太阳系）的化学组成
宇宙是由数不清的超星系团和星系团组成的 ，每个星系团都包含了难以计数的星系（如银河 系），而1个星系通常拥有成千上万亿颗恒星， 银河系就是由1000多亿颗像太阳这样的恒星组成 的。宇宙学原理表明，在宇观尺度上，三维空间 在任何时刻都是均匀各向同性的.
表1-1 宇宙发展简史
时间（s） 温度（K）
事件
10-43
1032
宇宙的开端
10-33
1027
产生量子不对称，
物质与反物质不等量
10-6
1013
夸克结合成质子和中子等强子
102
109
轻原子核形成
1012 约4000K
中性原子形成
1016
星系开始形成
1017
2.7K
今天的宇宙背景光子辐射
2.1 宇宙的成因
2.1 宇宙的成因
“宇宙大爆炸”假说之所以得到科学家的广泛 接受还要归功于两位美国科学家彭齐亚斯和威尔逊 的杰出工作——他们在1965年发现了弥漫在全天空 的微波背景辐射（Pengzias and Wilson, 1965）。大 爆炸理论认为，原始火球在大爆炸后所发出的强烈 光辉会随着宇宙的膨胀而日益暗淡下来。这相当于 随着宇宙空间的增大，单位体积内所含的光子数会 越来越少，即背景辐射的温度会越来越低，加莫夫 预测至今这一温度应低到5K了。可是怎样才能检测 到这一背景辐射呢？
λ1 / λ = 1 + V / C 其中λ1是物体运动时发出的光谱波长，λ是物体静止 时发出的波长，C是光速，V是物体运动的速度。
2.1 宇宙的成因
哈勃在获得各个星系的退行速度及其到地球的 距离之后意外地发现在速度和距离之间存在明显的 线性关系（见图1-1），即遥远星系的退行速度（V ）正比于它的距离（D），写成公式为：
2.2 化学元素的起源
一、现代宇宙成因假说 二、化学元素的起源 三、元素在宇宙中的丰度
二、化学元素的起源
在大爆炸之初，宇宙中化学元素的种类极为 单一：主要由氢原子和少量的氦原子所组成，其它 元素都形成在恒星演化的各个阶段。这是因为恒星 从元素的核反应中获得辐射能以维持其演化，而元 素的核反应类型又取决于恒星的演化程度及其所能 提供的反应温度。因此。化学元素的起源假说被称 之为“恒星合成元素”假说。
第二节 宇宙（太阳系）的化学组成
一、现代宇宙成因假说 二、化学元素的起源 三、元素在宇宙中的丰度
2.1 宇宙的成因
一、现代宇宙成因假说
宇宙是如何形成和演化的问题一直激励着 科学家甚至哲学家去思考和探索。人们构造了 各种各样的宇宙成因模型试图对宇宙的结构及 其历史作出描述。“宇宙大爆炸”假说就是目 前最为流行的模型之一。该模型由于得到了许 多观测结果的支持而受到越来越多的科学家承 认，并被称为现代宇宙成因假说。
元素在地壳中的原始分布受控于： • 元素的起源 • 元素的质量 • 原子核的结构和性质 • 地球演化过程中的热核反应
元素在地壳中各圈层的分配受控于： • 地质作用中元素的迁移 • 元素的化学反应 • 元素电子壳层结构及其地球化学性质
3. 丰度的概念
丰度是指化学元素在地球化学系统（太阳、 行星、陨石、地球、地圈、地壳）中的平均 分布量。
宇宙和地球中元素 的分布与分配
第一章 宇宙和地球的元素组成
第一节 基本概念 第二节 宇宙中元素的组成 第三节 月球的元素组成 第四节 陨石的化学成分及其分类 第五节 地球的元素组成
第一节 基本概念
地球化学体系 元素的分布 元素的分配 元素的丰度 元素丰度的研究意义
1. 地球化学体系
他认识到这些红移现象可能正是一种多谱勒效 应：远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会 感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移即 光谱线向长波方向移动的现象。这如同远离我们而 去的列车发出的汽笛声，我们听到时会感到其频率 降低，音调变低的现象一样。
2.1 宇宙的成因
由此，他认为红移反映了这些星系相对于地球 正在退行，与地球的距离正在增加。根据多谱勒效 应可以通过红移的多少计算这些星系退行的速度：
自然体系中不同级别、不同规模的宇宙体或地质体中 （如太阳系、行星、陨石、地球、地壳、各地圈）元 素的平均含量就相应的称为元素的宇宙丰度、地球丰 度、地壳丰度，各种岩石的元素丰度等。
丰度的表示方法：常量元素常用重量%表示，微量元 素常用百万分之一（ppm，10-6）和十亿分之一（ppb ，10-9）表示。