宇宙中的元素

宇宙中的元素第一节宇宙中元素的组成第二节地球的元素组成第三节陨石的化学成分及其分类第四节月球的元素组成

第五节人工合成元素第一节宇宙（太阳系）的化学组成

宇宙中存在的各种各样的物质都是由各种元素组成。地球、行星、太阳、恒星、星云以及星际介质中具有各种各样但不尽相同的元素及同位素。这些元素是在宇宙演化的不同阶段和不同的恒星演化过程中产生的。弄清楚宇宙中各种元素的生成机制及形成目前观测到的丰度一直是科学家探求解决的难题。

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。

“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。化学元素在太阳系中的分布特点主要表现为：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。第二节 地球的元素组成地球是在约46亿年前诞生的。一般均认为地球是由组成太阳和其它行星的同样物质所形成，只是关于形成或者聚集方式存在着不同意见。一部分人认为它是由炽热的气态星云凝聚而成，另外一些人则认为它是宇宙星云通过固态质点逐渐吸积（accretion）而成。由于地球上不仅轻气体（H、He等）严重亏损，而且重气体（Kr、Xe等）的丰度也极度偏低，这些事实有利于地球吸积形成的假说。因为倘若地球是由炽热物质凝聚形成，这些气体均应较之现在具有更高的丰度（赵伦山、张本仁，1988）。

目前，关于地球成因较为流行的观点是“星子连续吸积”模型（Murrayetal.,1981），该模型认为，原始的太阳星云是由气体和尘粒组成，尘粒的半径约为10-5cm。星际尘粒在绕“原太阳”旋转过程中相互碰撞、粘合，进而形成直径为10~106m的星子。在星云盘中，靠近“原太阳”的星子主要由难熔的金属Fe、Ni及其氧化物所组成；随着与“原太阳”距离的增加，星子的化学组成逐渐被Mg和Fe的硅酸盐以及水、甲烷、氨以及其它的挥发组分的冰所组成。在地球形成之初由金属Fe和Ni的氧化物星子加积而成地核，然后Fe、Mg硅酸盐星子覆盖在地核之上。随着地球的“长大”，在星子捕获产生的热和放射性同位素衰变产生的热的作用下，地球发生融化并在重力的作用下分层。地球增生的最后阶段是挥发性星子的加积作用，这类星子由水、甲烷、氨的冰组成，形成于星云盘的外围。这类冰状星子增生到地球表面以后，很快蒸发成以水和其它挥发性组成的稠密大气圈。随着地球的冷却，从40亿年前开始大气圈中的水汽逐渐凝结为海洋。正是这些海水在地球上形成各种地质作用，并产生了生命地球的平均化学成分(%)这些结果还表明，组成地球90%的是Fe,O,Si,Mg四种元素。重量占1%以上的主要有是Ni,Ca,Al,S四种元素。其他所有元素之和，重量仅1%左右。

地球的化学成分特征第三节

陨石的化学成分及其分类陨石(Meteorite)是从星际空间降落到地球表面上来的太阳系碎片，主要来源于位于火星和木星之间的小行星带。每天落到地球上的陨石平均重量在1000至10000吨之间，但大部分落在占地表2/3的海洋里，一部分落在人烟稀少的沙漠、森林和山区，仅有少数的陨石才有机会被人们发现。陨石的研究已有几百年的历史，近几十年来发展尤为迅速。现在，人们对陨石的类型、组成及其演化途径已经有了比较统一的认识，并且通过陨石的研究对太阳系的早期历史有了更加清楚的了解。陨石学已经构成了天文学和地质学之间的一门重要的交叉学科。

MarsMeteoriteMarsMeteorite一、陨石的研究意义

陨石的化学成分是估计太阳系元素丰度以及地球整体和地球内部化学组成最有价值的依据：（1）陨石是认识宇宙天体、行星的成分、性质及其演化的最易获取、数量最大的地外物质；（2）陨石是认识地球的组成、内部构造和起源的主要资料来源。（3）陨石中的60多种有机化合物是非生物合成的“前生物物质”，对探索生命前期的化学演化开拓了新的途径；（4）陨石可作为某些元素和同位素的标准样品。二、陨石的类型

（1）铁陨石

主要由金属镍-铁（占98%）和少量的其它矿物组成。（2）石陨石

主要由硅酸盐矿物所组成。这类陨石又可分为两个亚类，即决定于它们是否含有细小而大致等粒的球状硅酸盐结构而进一步分之为：①球粒陨石；②无球粒陨石。这类陨石大多数是石质陨石，很少量而特殊的是碳质陨石。（3）铁石陨石由数量大体相等的镍-铁和硅酸盐矿物组成，是上述两类陨石之间的过渡类型。陨石球粒陨石球粒陨石球粒三、陨石的平均化学成分

大量的陨石组分的分析资料表明，陨石中最广泛分布的化学元素为：O、Fe、Si、Mg、Ni、S、Al、Ca等。其比值取决于陨石的矿物成分。三种基本类型的陨石之间，在化学成分上是有着很大差异的。

对陨石的化学组成研究表明，地球上已知的化学元素在陨石中均有发现。尽管陨石和地球在体积上相差悬殊，但在物质上具有宇宙天体的共性，充分说明陨石与地球物质来源的同源性。第四节

月球的元素组成

过去人们仅能够从恒星和行星的电磁辐射以及陨石的组成资料来了解地球以外的天体。1969年7月美国“阿波罗”11号载人飞船首次登月成功，开始了人类对地球的卫星——月球表面的物质组成和物理性质进行直接研究的时期。从1969年7月到1972年12月，美国共实现了6次人类登月活动，有12名宇航员到达月面考察，考察时间达22个多小时，共带回月面岩石和月壤样品470多千克。这项伟大的工程积累了有关月球的许多珍贵资料，对探讨太阳系的起源和地球的演化历史都有重要的参考价值。月壤中3He的平均含量为3×10－9～4×10－9，资源总量可达100～500万t，是目前已知地球上3He资源量（10～20t）的10～50万倍。建设一个50MW的D－3He核聚变发电站，每年约消耗3He50kg，以1992年全球用电量计算，如果全部使用D－3He发电，则需约100t3He原料，也就是说，月壤中的3He储量可供地球发电1～5万a（欧阳自远等，2003）。勿庸置疑，开发月壤中丰富的3He对人类未来能源的可持续利用具有重要意义。

月球物质中发现的化学元素亲铁元素亲铜元素亲石元素亲气元素FeCuNiRuRhPdOsIrPtCuAuMoWReGeAsSbSn(Ga)(Bi)SSeTeFeAgCdHgTlPbBiIn(Mo)LiNaKRbCsBeMgCaSrBaBAlScYLa-LuSiTiZrHfThPVNbTiMnFeOCrUZnGaFClBrIHeNeArKrXeHNC第五节

人工合成元素

在化学中是指自然界里不存在，只有通过人工方法才能制造出来的化学元素。一般透过将两种元素以高速撞击，增大自然存在的元素原子核质子的个数，达到增大原子序数，制造出新的元素。

至今已有20种人工合成元素被合成出来，它们均是不稳定元素，半衰期从几年到仅仅只有数毫秒。另外，还有十几种元素最初是通过人工合成的方式发现，但是后来在自然界中，也发现有痕迹量的存在。

1999年世界重大科技新闻中有一条属于美国伯克利国家实验室。该实验室的科研人员因发现了两种新的超重化学元素―118号和116号元素而备受瞩目。

一年之后，伯克利实验室突然收