元素的宇宙丰度
第01章 元素丰度与分布.ppt
第一节 元素的宇宙丰度 第二节 元素在地球中的分布
第二节 元素在地球中的分布
一． 地球元素平均成分 二． 地壳元素平均成分 三． 地幔成分
第二节 元素在地球中的分布
一、地球的圈层构造及化学组成 1.圈层构造 地壳：上地壳和下地壳 地幔：上地幔和下地幔 地核：外核和内核
Crust 0
1000 Mantle
0.44
0.42
0.41
6.50
6.25
6.04
单一陨石类比法 艾伦司 （109.0645） 35.0 0.7 14.4 1.30 17.8 0.05 2.3 0.085 1.40 0.05 0.25 0.2 25.1 0.08 1.35
第二节 元素在地球中的分布
(2)地球模型-陨石类比法 按地球的各主要圈层的比例计算： 地核 ：32.4%，球粒陨石的镍铁金属相+5.3%陨
Ni, Co, Cu, Ag, Au, Mo, U, Cd, As, Sb
第二节 元素在地球中的分布
(3) 元素在岩石各矿物中的分配 载体矿物和富集矿物的概念 载体矿物：在岩石中某元素主要赋存的矿物 富集矿物：某元素的含量远远高于岩石平均含量的
矿物
Pb、Zn 在花岗岩各矿物中的分配
矿物 石英
岩石中矿 矿物中 物含量 Pb 含量
星带的物质相同；c.陨石是破坏了的星体碎片；d. 产生陨石的星体其内部结构和成分分布与地球类 似
元素 C O Na Mg Al Si P S K Ca Ti Cr Mn Fe Co Ni
陨石类比法求得的地球元素丰度（wt%）
法令顿
综合陨石类比法 契尔文斯基
克拉克
（109.0141） 10.10
3% b.岩石圈中（地壳） 岩浆岩： 页岩： 砂岩： 灰岩 95% 4% 0.75% 0.25%
宇宙中最基本的元素丰度
宇宙中最基本的元素丰度宇宙中最基本的元素丰度是一个非常复杂的话题。
在宇宙大爆炸之后，宇宙开始膨胀，并逐渐形成了我们所知的宇宙结构。
从宇宙中最早的物质开始，通过恒星的形成和演化，以及恒星爆炸产生的超新星等过程，逐渐形成了所有元素。
在宇宙诞生初期，物质的丰度以氢和少量的氦为主，这是因为宇宙大爆炸初期的高温、高能量环境，只有这两种元素能够稳定地存在于宇宙中。
据科学家推测，从宇宙大爆炸后的几分钟到几百秒内，氢和氦的丰度就已经达到了宇宙中所有元素丰度的大约98%。
这也是为什么两种元素在宇宙中的丰度如此之高。
除了氢和氦，宇宙中还存在小量的其他元素，比如锂和铍。
这些元素的丰度相对较低，主要是由于宇宙大爆炸后的高温环境和恒星核融合等过程的限制造成的。
这些元素的丰度通常用"原子丰度比"来描述，即它们在宇宙中的存在数量与氢的数量之比。
随着恒星的形成和演化，宇宙中其他元素的丰度逐渐增加。
恒星内部的核融合反应是造成这些元素存在的主要原因。
在恒星内部，高温和高压的条件下，氢和氦会发生核融合反应，逐渐合成更重的元素。
例如，氦可以通过核融合反应生成碳、氧和氮等元素，而这些元素又可以进一步合成更重的元素，如铁和镍等。
当恒星演化到一定程度时，会发生超新星爆炸，释放出巨大的能量和物质。
这些超新星爆炸将已经合成的元素散布到宇宙中。
根据核合成理论和大量观测数据，科学家已经确定了宇宙中几乎所有元素的来源和丰度分布。
除了氢、氦和少量的锂和铍，宇宙中的其他元素如碳、氮、氧、硅、铁和镍等，主要是通过核融合过程在恒星内部合成的。
根据科学家的估计，这些元素的丰度大约占宇宙中所有元素丰度的2%。
此外，宇宙中还存在一些超重元素，如金、银和铀等，它们的丰度极低，但仍然存在于宇宙中。
除了核合成过程，还有其他的物理过程可以改变宇宙中元素的丰度。
例如，宇宙射线和宇宙线尘埃的存在可以影响元素的分布，而星系之间的相互作用和碰撞也可能导致元素丰度的变化。
地球表层化学元素丰度
地球表层化学元素丰度一、丰度的概念：即为该元素在自然体中的丰富程度abundance of elements），是指一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额（如百分数）。
丰度表示方法主要分为重量丰度、原子丰度和相对丰度。
二、定义：同位素在自然界中的丰度，又称天然存在比，指的是该同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例。
丰度的大小一般以百分数表示；人造同位素的丰度为零。
周期表上所列的原子量实际上是各种同位素按丰度加权的平均值，这是因为各种同位素在自然界中往往分布的比较均匀，取平均值计算比较准确。
一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额（如百分数），称为该元素在自然体中的丰度。
三、研究地球表层化学元素丰度的意义研究元素丰度是研究地球化学基础理论问题的重要素材之一。
宇宙天体是怎样起源的？地球又是如何形成的？地壳与地幔中的主要元素有什么不一样？生命体是怎么产生和演化的？这些研究都离不开地球化学体系中元素丰度分布特征和规律。
元素丰度是每一个地球化学体系的基本数据，可在同一或不同体系中用元素的含量值来进行比较，通过纵向（时间）、横向（空间）上的比较，了解元素动态情况，从而建立起元素集中、分散、迁移活动等一些地球化学概念。
从某种意义上来说，也就是在探索和了解丰度这一课题的过程中，逐渐建立起近代地球化学。
四、发现历史自从1889年F.W.克拉克发表元素在地壳中的平均含量的资料以来，人们已经积累了大量有关陨石、太阳、恒星、星云等各种天体中元素及其同位素分布的资料。
1937年，戈尔德施米特首次绘制出太阳系的元素丰度曲线。
1956年，修斯和尤里根据地球、陨石和太阳的资料绘制出更详细、更准确的元素丰度曲线。
1957年，伯比奇夫妇、福勒和霍伊尔就是以该丰度曲线为基础，提出他们的核合成假说的。
四十年代，人们只知道大多数恒星的化学组成与太阳相似，因而就认为分布在整个宇宙的元素丰度可能是一样的。
探索宇宙元素丰度
探索宇宙元素丰度然而，宇宙化学家不畏艰辛，孜孜不倦地探求宇宙的元素丰度。
最早在1947年，休斯就尝试将核性质结合有限的分析结果提出宇宙的元素丰度，他利用核的奇偶性质和幻数核等方法至今仍是正确的。
稍后，他与尤里合作绘制了最早的宇宙元素丰度图。
他们主要依据前面提到的太阳光谱、星际光谱和陨石数据，还利用了少量地球样品的分析结果。
经过几十年的修订和补充，现在已基本被公认的宇宙丰度示于图1。
从这张图中，我们可以归纳出下述一些重要结论。
图1.宇宙的元素(核素)丰度随质量数的变化关系(以Si=106为标准)图2.相对于106Si原子数的丰度我们把太阳系元素丰度的各种数值先取对数，随后对应其原子序数作曲线图(如上图)，就会发现太阳系元素丰度具有以下规律:1.所有元素中，氢和氦的丰度最大，两者约占宇宙质量的98%以上，而所有其他元素的质量之和不足2%。
2.原子序数较低的元素区间，元素丰度大体上随质量数增加而下降;而在原子序数较大的区间(Z>45)，到质量数大于100之后，下降趋势变缓，各元素丰度值很相近;3.在铁的位置处，有一个明显的丰度峰。
4.氘、锂和铍与其邻近的氢、氦、碳、氮、氧相比，丰度小得多。
5.在较轻的核中(到钪为止)，质量数为4的倍数的核(例如16O、20Ne、24Mg、28Si)的丰度比邻近核的大。
这称为奥得规则。
6.原子序数为偶数的核的丰度比其邻近的奇数核的高。
具有偶数质子数(P)或偶数中子数(N)的核素丰度总是高于具有奇数P或N的核素，这一规律称为Oddo-Harkins(奥多--哈根斯)法则，亦即奇偶规律;7.在某些质量数处，质量数为4的倍数(即α粒子质量的倍数)的核素或同位素具有较高丰度，例如80、88、90、130、138、196和208的核的丰度比邻近核的高。
此外还有人指出，原子序数(Z)或中子数(N)为"幻数"(2、8、20、50、82和126等)的核素或同位素丰度最大，例如，4He(Z=2，N=2)、16O(Z=8，N=8)、40Ca(Z=20，N=20)和140Ce(Z=58，N=82)等都具有较高的丰度。
爆炸核合成与宇宙元素丰度
爆炸核合成与宇宙元素丰度宇宙中的元素丰度是天文学中一个重要的研究领域，而爆炸核合成则是解释宇宙元素丰度的关键机制之一。
本文将深入探讨爆炸核合成的过程以及其对宇宙元素丰度的影响。
爆炸核合成是指在宇宙中发生的各种爆炸性事件中，由于高温和高密度的条件下，轻元素通过核反应合成成重元素的过程。
这些爆炸性事件包括超新星爆发、中子星合并等。
这些事件释放出的能量和物质极其巨大，对宇宙元素丰度的形成和演化产生了深远的影响。
在超新星爆发中，恒星的核心会因为燃料耗尽而崩塌，形成一个极其致密的中子星或黑洞。
这个过程中释放出的能量会将周围的物质加热到极高温度。
在这样的环境下，原子核之间的相互作用变得非常剧烈，从而促使核反应发生。
通过核反应，原子核会不断地合成出更重的元素，如氦、碳、氧等。
这些合成出的重元素会随着超新星爆发的冲击波传播到宇宙空间中，进而影响到宇宙中其他地方的元素丰度。
中子星合并是另一个重要的爆炸核合成过程。
当两个质量较大的恒星演化到末期，它们会在引力作用下相互靠近并发生合并。
这个过程中释放出的能量非常巨大，可以将两个恒星的物质加热到极高温度。
在这样的环境下，核反应会迅速发生，合成出更重的元素。
事实上，中子星合并被认为是宇宙中合成重金属元素的主要机制之一。
例如，金、银、铂等贵金属元素的合成就主要依赖于中子星合并过程。
爆炸核合成对宇宙元素丰度的影响不仅仅局限于合成出新的元素，还包括对已有元素丰度的调整。
在超新星爆发和中子星合并过程中，高能粒子的产生和释放会导致已有元素的核反应，从而改变它们的丰度。
这些高能粒子可以通过核反应将一些原本稳定的元素转化为其他元素。
这种转化过程被称为核转变，对于宇宙元素丰度的研究具有重要意义。
为了研究爆炸核合成对宇宙元素丰度的影响，天文学家使用了多种观测手段。
其中一种重要的手段是通过观测宇宙射线中的元素组成来推断宇宙中元素的丰度。
宇宙射线是宇宙中高能粒子的一种，其中包含了来自超新星爆发和中子星合并等爆炸性事件的粒子。
地球化学体系元素丰度集
宇宙 太阳
地球
地壳 月球 陨石
元素的宇宙丰度 太阳大气丰度 太阳系丰度 原始地幔成分 亏损地幔的平均成分 平均海水丰度 地球元素丰度 大气圈对流层特征数据 河水中溶解态微量元素的含量及其水迁移强度 河水与海水中微量元素的比例关系 地壳元素丰度 火成岩及沉积岩的化学成分 月球不同岩石类型的常量元素含量 球粒陨石群的的主要元素平均丰度 球粒陨石的化学组成
单位
atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si atoms/10^6 atoms Si
宇宙演变与元素的关系
宇宙演变与元素的关系可以通过宇宙大爆炸理论来解释。
根据这一理论，宇宙最初是非常高温、非常密集的状态，随着宇宙的不断膨胀和冷却，原子核和电子开始合并并形成氢、氦等轻元素，这些元素构成了宇宙的大部分物质，包括行星、恒星、星云等。
在恒星内部，核反应的作用下，更重的元素如碳、氧、铁等陆续形成，最终形成了我们所看到的丰富多彩的宇宙。
在恒星死亡后，通过超新星爆炸等过程，这些更重的元素被释放到宇宙中，形成了更多更重的元素，如金、银、铜等。
因此，我们所见到的宇宙中的元素种类非常丰富。
此外，通过观察宇宙中的元素分布和丰度，科学家可以了解宇宙演变的历程和变化，这对于研究宇宙和了解地球、生命等都具有重要意义。
除了宇宙大爆炸理论，宇宙演变与元素的关系还可以通过宇宙射线和宇宙射线后代的研究来探讨。
宇宙射线是一种高能粒子辐射，其中包括来自太阳和其他星体的高能带电粒子以及来自宇宙深处的高能中性粒子。
这些粒子在宇宙中不断与气体和尘埃相互作用，产生次级粒子。
其中一些次级粒子进一步经历核反应，从而形成多种元素。
通过分析宇宙射线中的粒子组成和能谱，科学家可以了解宇宙中元素的来源和丰度。
此外，宇宙中的恒星和星系也扮演着重要角色，因为它们是元素的主要产生地。
在恒星内部，核聚变反应会产生更重的元素。
当恒星死亡时，通过超新星爆炸或行星状星云的形成，这些重元素会被释放到周围的宇宙空间中，并参与新的星系和行星的形成。
因此，宇宙的元素丰度也与恒星的演化和星系的形成密切相关。
总的来说，宇宙演变与元素的关系是一个复杂而多样的过程。
从宇宙大爆炸开始，通过宇宙射线、恒星的聚变反应和超新星爆炸等事件，不断产生、释放和重新组合各种元素，形成了我们所知的宇宙元素丰富多样的现象。
这些研究对于理解宇宙的物质组成、星系演化和生命的起源都具有重要的意义。
[精华]元素的宇宙丰度
![[精华]元素的宇宙丰度](https://img.taocdn.com/s3/m/3ccedaa164ce0508763231126edb6f1aff00719f.png)
元素的宇宙丰度序号元素丰度单位1 H 2.72E+10 atoms/10^6 atoms Si2 He 2.18E+09 atoms/10^6 atoms Si3 Li 59.7 atoms/10^6 atoms Si4 Be 0.78 atoms/10^6 atoms Si5 B 24 atoms/10^6 atoms Si6 C 1.21E+07 atoms/10^6 atoms Si7 N 2.48E+06 atoms/10^6 atoms Si8 O 2.01E+07 atoms/10^6 atoms Si9 F 843 atoms/10^6 atoms Si10 Ne 3.76E+06 atoms/10^6 atoms Si11 Na 5.70E+04 atoms/10^6 atoms Si12 Mg 1.08E+06 atoms/10^6 atoms Si13 Al 8.49E+04 atoms/10^6 atoms Si14 Si 1.00E+06 atoms/10^6 atoms Si15 P 1.04E+04 atoms/10^6 atoms Si16 S 5.15E+05 atoms/10^6 atoms Si17 Cl 5240 atoms/10^6 atoms Si18 Ar 1.04E+05 atoms/10^6 atoms Si19 K 3770 atoms/10^6 atoms Si20 Ca 6.11E+04 atoms/10^6 atoms Si21 Sc 33.8 atoms/10^6 atoms Si22 Ti 2400 atoms/10^6 atoms Si23 V 295 atoms/10^6 atoms Si24 Cr 1.34E+04 atoms/10^6 atoms Si25 Mn 9510 atoms/10^6 atoms Si26 Fe 9.00E+05 atoms/10^6 atoms Si27 Co 2250 atoms/10^6 atoms Si28 Ni 4.93E+04 atoms/10^6 atoms Si29 Cu 514 atoms/10^6 atoms Si30 Zn 1260 atoms/10^6 atoms Si31 Ga 37.8 atoms/10^6 atoms Si32 Ge 118 atoms/10^6 atoms Si33 As 6.79 atoms/10^6 atoms Si34 Se 62.1 atoms/10^6 atoms Si35 Br 11.8 atoms/10^6 atoms Si36 Kr 45.3 atoms/10^6 atoms Si37 Rb 7.09 atoms/10^6 atoms Si38 Sr 23.8 atoms/10^6 atoms Si41 Nb 0.71 atoms/10^6 atoms Si42 Mo 2.52 atoms/10^6 atoms Si44 Ru 1.86 atoms/10^6 atoms Si45 Rh 0.344 atoms/10^6 atoms Si46 Pd 1.39 atoms/10^6 atoms Si47 Ag 0.529 atoms/10^6 atoms Si48 Cd 1.69 atoms/10^6 atoms Si49 In 0.184 atoms/10^6 atoms Si50 Sn 3.82 atoms/10^6 atoms Si51 Sb 0.352 atoms/10^6 atoms Si52 Te 4.91 atoms/10^6 atoms Si53 I 0.9 atoms/10^6 atoms Si54 Xe 4.35 atoms/10^6 atoms Si55 Cs 0.372 atoms/10^6 atoms Si56 Ba 4.36 atoms/10^6 atoms Si57 La 0.448 atoms/10^6 atoms Si58 Ce 1.16 atoms/10^6 atoms Si59 Pr 0.174 atoms/10^6 atoms Si60 Nd 0.836 atoms/10^6 atoms Si62 Sm 0.261 atoms/10^6 atoms Si63 Eu 0.0972 atoms/10^6 atoms Si64 Gd 0.331 atoms/10^6 atoms Si65 Tb 0.0589 atoms/10^6 atoms Si66 Dy 0.389 atoms/10^6 atoms Si67 Ho 0.0875 atoms/10^6 atoms Si68 Er 0.253 atoms/10^6 atoms Si69 Tm 0.0386 atoms/10^6 atoms Si70 Yb 0.243 atoms/10^6 atoms Si71 Lu 0.0369 atoms/10^6 atoms Si72 Hf 0.176 atoms/10^6 atoms Si73 Ta 0.0226 atoms/10^6 atoms Si74 W 0.137 atoms/10^6 atoms Si75 Re 0.0507 atoms/10^6 atoms Si76 Os 0.717 atoms/10^6 atoms Si77 Ir 0.66 atoms/10^6 atoms Si78 Pt 1.37 atoms/10^6 atoms Si79 Au 0.186 atoms/10^6 atoms Si80 Hg 0.52 atoms/10^6 atoms Si83 Bi 0.144 atoms/10^6 atoms Si 90 Th 0.0335 atoms/10^6 atoms Si 92 U0.009atoms/10^6 atoms Si。
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元素的宇宙丰度
序号元素丰度单位
1 H 2.72E+10 atoms/10^6 atoms Si
2 He 2.18E+09 atoms/10^6 atoms Si
3 Li 59.7 atoms/10^6 atoms Si
4 Be 0.78 atoms/10^6 atoms Si
5 B 24 atoms/10^
6 atoms Si
6 C 1.21E+0
7 atoms/10^6 atoms Si
7 N 2.48E+06 atoms/10^6 atoms Si
8 O 2.01E+07 atoms/10^6 atoms Si
9 F 843 atoms/10^6 atoms Si
10 Ne 3.76E+06 atoms/10^6 atoms Si
11 Na 5.70E+04 atoms/10^6 atoms Si
12 Mg 1.08E+06 atoms/10^6 atoms Si
13 Al 8.49E+04 atoms/10^6 atoms Si
14 Si 1.00E+06 atoms/10^6 atoms Si
15 P 1.04E+04 atoms/10^6 atoms Si
16 S 5.15E+05 atoms/10^6 atoms Si
17 Cl 5240 atoms/10^6 atoms Si
18 Ar 1.04E+05 atoms/10^6 atoms Si
19 K 3770 atoms/10^6 atoms Si
20 Ca 6.11E+04 atoms/10^6 atoms Si
21 Sc 33.8 atoms/10^6 atoms Si
22 Ti 2400 atoms/10^6 atoms Si
23 V 295 atoms/10^6 atoms Si
24 Cr 1.34E+04 atoms/10^6 atoms Si
25 Mn 9510 atoms/10^6 atoms Si
26 Fe 9.00E+05 atoms/10^6 atoms Si
27 Co 2250 atoms/10^6 atoms Si
28 Ni 4.93E+04 atoms/10^6 atoms Si
29 Cu 514 atoms/10^6 atoms Si
30 Zn 1260 atoms/10^6 atoms Si
31 Ga 37.8 atoms/10^6 atoms Si
32 Ge 118 atoms/10^6 atoms Si
33 As 6.79 atoms/10^6 atoms Si
34 Se 62.1 atoms/10^6 atoms Si
35 Br 11.8 atoms/10^6 atoms Si
36 Kr 45.3 atoms/10^6 atoms Si
41 Nb 0.71 atoms/10^6 atoms Si
42 Mo 2.52 atoms/10^6 atoms Si
44 Ru 1.86 atoms/10^6 atoms Si
45 Rh 0.344 atoms/10^6 atoms Si
46 Pd 1.39 atoms/10^6 atoms Si
47 Ag 0.529 atoms/10^6 atoms Si
48 Cd 1.69 atoms/10^6 atoms Si
49 In 0.184 atoms/10^6 atoms Si
50 Sn 3.82 atoms/10^6 atoms Si
51 Sb 0.352 atoms/10^6 atoms Si
52 Te 4.91 atoms/10^6 atoms Si
53 I 0.9 atoms/10^6 atoms Si
54 Xe 4.35 atoms/10^6 atoms Si
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59 Pr 0.174 atoms/10^6 atoms Si
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69 Tm 0.0386 atoms/10^6 atoms Si
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0.009
atoms/10^6 atoms Si。