文档介绍：太阳系的化学元素
化学元素的丰度与起源是自然科学的重要问题。太阳系的元素丰度与起源是研究太阳系天体以及宇宙起源演化的基础, 在地球科学及很多应用领域都有重要的科学意义和实用意义。随着科学技术的发展, 太阳系的元素丰度数据不断地更新, 新发现的元素同位素核素“异常”挑战太阳系天体起源学说。
自1869年门捷列夫提出化学元素周期表以来,元素的性质分布规律和起源演化一直是自然科学探讨的重要课题太阳系的元素丰度与起源是研究太阳系天体以及宇宙起源演化的基础,在地球科学及很多应用领域都有重要的科学意义和实用意义。
2 0世纪初,利用地壳和陨石的成分资料,尝试确定宇宙物质的平均成分。基于20世纪20~30年代地球岩石和陨石的丰富化学资料,Goldschmidt在1938年编制了宇宙的元素丰度表。他认为没有经历地壳岩石那样熔融和结晶的陨石能提供宇宙物质的平均成分。同一时期,天文学家开始由太阳的光谱来测定太阳的元素丰度并很快认识到,除了氢和其它挥发性的元素外,地球和太阳的元素丰度类似。1956年,Suess和Urey综合陨石和太阳光谱的资料,并引用元素的核合成论据,编制了新的元素表。随着陨石分析资料的改进和从太阳(光球)光谱的资料更准确地测定元素丰度, Anders和Grevesse 等先后发表了改进的元素丰度表。随着科学技术的发展,十多年来,太阳系的元素丰度数据又有很多更新, 各种新编制的元素丰度
表趋于一致,大多元素的丰度符合精度好于10%,而新发现的元素同位素核素“异常”挑战太阳系天体起源学说。下面简要介绍太阳系元素奇缘问题。
通常观测的太阳吸收线光谱是在太阳低层大气———光球层产生的。虽然太阳中央区在进行氢聚变为氦的热核反应,但主要是由辐射转移过程向外传输能量,而不会影响光球层的元素丰度,因此,太阳光球的元素丰度基本上可以代表太阳和太阳系的原始丰度。
由于太阳光谱的优越观测条件和相应的天体光谱分析理论进展,可以测定很多太阳元素的准确丰度。在由太阳光球的高分辨吸收线光谱推求元素丰度中,很重要的因子是由实验室测定的原子的相应能级跃迁概率,正是更准确的跃迁概率改善了太阳的元素丰度数据。
Palme和Jones在2003年编制新的太阳光球元素丰度表, 归化到天文学常用的元素丰度, 即取氢原子数目为1012时各元素相对数目。跟以前的元素丰度表比较,太阳的氧丰度logN,从(±)减到(±),C/O丰度比从( 0 .43± )增大到(± )。太阳光谱缺乏稀有气体谱线, He的丰度从标准的太阳模型导出,Ne和A r的丰度从太阳高能粒子测量得到, Kr和Xe的丰度由核反应计算得到。
2 陨石的元素丰度
陨石可以分为未分异和分异两大类。未分异陨石是未加热到融融分异的星子碎块,他们的化学成分应代表星子的,在一定程度上也代表太阳系的原始成分。分异陨石的物质则经过熔融分异,不能代表太阳系原始成分,而显示演化线索。
未分异陨石普遍含有球粒状硅酸盐集合体,故通常称为球粒陨石,按化学组成分为碳质球粒陨石,普通球粒陨石,顽辉石球粒陨石等。碳质球粒陨石再分为CI,CM等化学群。
按照凝结温度,元素的宇宙化学分类为:难熔的,主要的,中等挥发的和高挥发的。陨石的元素相对含量(归化到各种元素与 Si的质量比)测定结果表明, 碳质球粒陨石不仅大多数难熔元素、甚至很多高挥发元素都在测定精度范围内,尤其是CI陨石的符合程度更好,而主要是陨石匮乏H,He等元素。因此,CI陨石的大多数元素的相对含量代表太阳系的原始含量但迄今只有5个CI陨石,主要是其中最大的Ogueil陨石成分测定资料很充分,但它的不同部位也有一定化学不均匀性,有些元素含量测定精度较差,参考其他陨石资料,编辑出CI陨石的元素平均相对含量。
用太阳光球标准误差S ,除以陨石相对含量归化的丰度,比值的平均值(±)作为归化因子, 即logN(天文)=logN(陨石)+ ,可把陨石丰度归化到天文丰度。
3 太阳系的元素丰度
太阳光球与CI陨石的丰度比,按原子序数绘于图1,多数元素在一定误差范围内符合得很好的,可以代表太阳系的原始丰度。太阳的碳(C),氮(N),氧(O)丰度比CI陨石的大,这是因为这些元素没有完全凝结在陨石中太阳光球比CI陨石匮乏锂(Li),铍(Be),硼(B),虽然锂的严重匮乏可以用太阳内部的核聚变过程解释,但铍硼匮乏仍是未解之谜。太阳与陨石的硫(S),锰(Mn)、钪(Sc),锶(Sr)丰度差别也较大,需要更精确地再测定。
图 1 太阳光球与 CI 陨石的丰度比
很多元素有同位素,Anders和Grevesse、Palme和