【原创】宇宙的元素丰度和核素丰度图

qibiao2008

2009/02/25

私聊

同位素及其它无机质谱

我们要设法勾画出整个宇宙的元素和核素丰度了，这是一项多么艰巨的任务。宇宙是如此之大，其时间尺度至少在一百几十亿年，而我们现在测定的宇宙物质实际上只是沧海中的几滴水，可能比这还少。用现有的数据去描绘宇宙组成，实在比瞎子摸象的情形都不如。
-----------------------------------------
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。这即为幻数效应。
8． Li、Be和B具有很低的丰度，属于强亏损的元素，而O和Fe呈现明显的峰，为过剩元素。比铁重的核中，丰中子核的丰度比丰质子核的高。
-------------------------------------
上述宇宙元素丰度特征十分重要，它们是检验元素起源学说的试金石。详细的宇宙元素丰度数据可参见表1，表中还列出了它们可能的核合成过程。

通过对上述规律的分析，人们认识到太阳系元素丰度与元素原子结构及元素形成的整个过程之间存在着某种关系：
1.与元素原子结构的关系。原子核由质子和中子组成，其间既有核力又有库仑斥力，但中子数和核子数比例适当时，核最稳定，而具有最稳定原子核的元素一般分布最广。在原子序数（Z）小于20的轻核中，中子（N）/质子（P）＝1时，核最稳定，为此可以说明4He（Z=2，N＝2）、16O（Z=8，N=8）、40Ca（Z=20，N=20）等元素丰度较大的原因。又如偶数元素与偶数同位素的原子核内，核子倾向成对，它们的自旋力矩相等，而方向相反，量子力学证明，这种核的稳定性较大，因而偶数元素和偶数同位素在自然界的分布更广；
2.与元素形成的整个过程有关。H、He的丰度占主导地位和Li、Be、B等元素的亏损可从元素的起源和形成的整个过程等方面来分析。根据恒星合成元素的假说，在恒星高温条件下（n×106K），可以发生有原子（H原子核）参加的热核反应，最初时刻H的“燃烧”产生He，另外在热核反应过程中Li、Be、B迅速转变为He的同位素42He，因此太阳系中Li、Be、B等元素丰度偏低可能是恒星热核反应过程中被消耗掉了的缘故。
-------------------------------------
读者可能会问，图1和附录二果真代表宇宙的元素（核素）丰度吗？回答当然是不确定的，或者严格地说，它们只能是太阳系丰度。既然这样，读者可能会继续发问，为什么我们将图1称为宇宙元素丰度图？对这一问题，我们可以从两方面来回答:
第一，人类对客观世界的认识是一个循序渐进的过程，就如从牛顿的万有引力到爱因斯坦的相对论。限于我们目前对宇宙丰度的最好认识就是这样，我们没有理由为这种丰度图象可能只描述了宇宙的一小部分，或者只描述了宇宙的历史长河的有限一段，而对这种丰度有过多的非难。我们在利用这种宇宙丰度的同时，记住它的局限性就可以了，并准备在将来用更确切的数据对此加以修正。
第二，就目前的宇宙学概念而言，太阳系还是有代表性的。我们在前面讲到，太阳现正处于主星序阶段，氢燃烧大约已进行了46亿年。我们还知道，宇宙中的恒星可分为三代。第一代恒星是最早形成的大质量星体，几乎完全由氢和氦组成，由于其质量大，核聚变燃烧阶段很短，并早以超新星爆发形式寿终正寝，但这一代恒星形成的新的重元素可作为后代恒星的原料。在我们的银河系中，现已没有这类恒星了。下一代恒星，即第二代恒星的形成方式与第一代相同，但其质量较小，因此寿命较长，它们除了氢和氦外，还含有约1％的较重元素（例如碳和氧）。至于太阳，属于第三代恒星，除了氢和氦外，还含有约2％以上的重元素，这些重元素来自第一代和（或）第二代恒星，因此太阳系的重元素丰度是与上代恒星核合成过程密切相关的，可以反映星际核合成的特征。
由此可见，我们用太阳系丰度作为宇宙丰度的近似值是有理论基础的。
---------------------------------------
许多恒星、银河系和星际物质的元素丰度分布与太阳系的元素丰度分布相一致，因此习惯上把太阳系元素丰度称为“宇宙”丰度。实际上，也有许多天体的元素丰度分布与太阳系丰度分布有明显的偏差。银河系中心附近的重元素丰度富于旋臂处的丰度，这种丰度差别的研究对于宇宙中元素的形成和银河系的化学演化研究具有重要价值。

分
该帖子已被版主-荆棘鸟加2积分，加2经验;加分理由:有深度！