第02章天体化学

第二章天体化学一．元素的起源二．太阳系的起源与演化三．陨石、星际气体与尘埃四．宇宙演化的时间序列五．地外物体撞击事件第二章天体化学概论一、元素的起源宇宙起源HertzsprungRussellDiagramB2FH理论Burbidge夫妇、Fowler和Hoyle于1957年提出的大爆炸宇宙理论核聚变、核反应8CosmologyandBigBang9ExpansionoftheuniverseHubblelawtellthatgalaxiesmoveawayfromusataspeedproportionaltotheirdistancesV=Hod(Ho=70km/s/mpc)Areweatthecenteroftheexpansion?No!-EverygalaxyismovingawayfromeveryothergalaxyTheentireuniverseisexpanding10RedshiftGalaxiesarelikedotsonanexpandingbaloonWhileaphotonemittedfromadistantgalaxytraveltowardus,theuniverseexpandandthephotongetstretched.WhenweobservethephotonitappearredderthatitwasoriginallyCosmologicalredshiftTheBigBang（宇宙大爆炸）P（质子）+α（中子）＝D（2H）＋γT=1012K密度无穷大T1032K基本粒子反粒子Thermonuclearreaction常说“在星星中H燃烧形成He”。这句话不准确，在日常生活中燃烧是耗氧的化学反应，不存在如何反应物的原子核发生改变。实际上，在星体中心发生的是热核反应（thermonuclearreaction）.而且多为P-P链反应（so-calledP-P(proton-proton)chain）:P-PChain1H+1H2D+++2D+1H3He+h3He+3He4He+1H+1HSummaryequation:61H4He+21H+2h+2++2Carbon-catalysedP-PChainAthighertemperaturethere´sanotherpossiblewayofthischain–withcarbonasthecatalystandnitrogenandoxygenasinterproducts.Carbon-catalysedP-PChain12C+1H13N+h13N13C+++13C+1H14N+h14N+1H15O+h15O15N+++15N+1H12C+4HeSummaryequation:12C+41H4He+12C+2++2+3hHelium-carbonchain4He+4He8Be+hThemostpartofherecreated8Besoondecomposebackto4He,sothisreactionisnotsoeffectiveaspurep-pchain.8Be+4He12C+hSummaryequation:34He12C+2hB2FH理论：1.氢燃烧：质子－质子反应链和C-N反应链，C、N、O、F、Ne、Na等2.氦燃烧：12C、16O、20Ne和24Mg3.α过程：形成4n核素4.e过程：V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni5.s过程：慢中子俘获过程，形成A为23-46、63-209等核素6.r过程：快中子俘获，形成A：70-209；铁峰7.p过程：俘获质子过程8.X过程：形成D、Li、Be和B太阳内部太阳的质量73％为H，25%He，其它元素仅占2%。用光谱方法测定太阳光谱成分太空中星体的成分everythingelse90%H10%He1%其它(正是这些构成星体）生命演化历史一．元素的起源二．太阳系的起源与演化三．陨石、星际气体与尘埃四．宇宙演化的时间序列五．地外物体撞击事件第二章天体化学概论二、太阳系的起源与演化一．太阳系同源性二．太阳系的基本特征三．太阳系的成分四．太阳系的形成1.太阳系同源性上述天体物理证据：共面性同向性提丢斯－波德定律：r=0.4+0.3×２n-2．当n=1时，取r=0.4，对应水星轨道；n=2时，代入得r=0.7，对应金星轨道；n=3时，得r=1.0（地球）；n=4时，得r=1.6（火星）；n=6时，得r=5.2（木星）；n=7时，得r=10.0（土星）．1722年柏林天文台台长波德公布了这一公式，后来称为提丢斯-波德定则．1781年发现的天王星，r=19.18天文单位．取n=8时，得r=19.6天文单位，两者很接近，证实了这个公式．地球化学证据：REE模式一致（地球、月球、各类陨石）同位素一致（地球、月球、各类陨石）2、太阳系的基本特征四种基本事实（各种理论的挑战）：1)太阳系内物质有序运转2)两类大行星3)小行星和彗星4)例外SunMercuryVenusEarthMarsJupiterSaturnUranusNeptunePluto四种挑战1)所有物质的有序运动轨道（Orbits）:大多数星体（物质）按同一方向轨道运行。自转（Rotations）:大多数星体自转方向与它们运行方向相同。四种挑战2)两种基本类型的大行星类地行星(‘Earthlike’)•由岩石和金属组成•不太大•靠近太阳类木行星(‘Jupiterlike’)•由气体组成•非常大•远离太阳四种挑战3)小行星和彗星小行星•由岩石和金属组成•非常小•主要分布在火星和木星之间彗星•主要由冰组成•非常小•大部分在海王星之外四种挑战4)例外一个行星反向自转：金星一个行星侧向自转：天王星好几个卫星反向运行地球的卫星：月球(太大)冥王星!•古怪的轨道•非类地行星非类木行星3、太阳系的成分太阳星云成分:70%H28%He2%“otherstuff•Hcompounds-methane,ammonia,water,etc.(1.4%)•rockystuff(0.4%)•metallicstuff(0.2%)4.太阳系的形成当一个行星形成后，产生旋转和自转，同时把星云物质，向外摔，形成星云盘PlanetarysystemformationItisthoughtthatplanetarysystemsforminlargedustandgascloudssuchasthisone(Orionnebula,asseenbytheHubbleSpaceTelescope).clickTheterrestrialplanetsTheouterplantes一．元素的起源二．太阳系的起源与演化三．陨石概述四．宇宙演化的时间序列五．地外物体撞击事件第二章天体化学概论三、陨石概述1.陨石的形成2.陨石的定义3.陨石的分类4.陨石的研究意义5.南极陨石6.太阳系外物质AsteroidsBeltCometsMeteors三、陨石概述1.陨石的形成2.陨石的定义3.陨石的分类4.陨石的研究意义5.南极陨石6.太阳系外物质2、陨石的定义陨石是从行星际空间穿越地球大气层经烧失后达到地球表面保存下来的地外固体物质。降落陨石（Falls）：人们目睹陨石降落过程并收集到的陨石发现陨石（Finds）：收集到的但无陨石降落记载的陨石，如南极陨石GRV020003-典型的具有熔壳的陨石三、陨石概述1.陨石的形成2.陨石的定义3.陨石的分类4.陨石的研究意义5.南极陨石6.太阳系外物质陨石分类陨石石陨石石－铁陨石铁陨石球粒陨石无球粒陨石多种类型未分异陨石分异陨石多种类型分异陨石分异陨石石-铁陨石铁陨石陨石的类型划分石陨石石铁陨石铁陨石ClassificationChondritesStonyprimitivemeteoritesOrigininnon-differentiatedasteroidsthathavenotmeltedComposedofmaterialcondenseddirectlyfromthesolarnebulaContainsurvivinginterstellargrainsInsomecasesmodifiedbyacqueousprocessing,i.e.,liquidwaterwasoncepresentSilicates,metalsandothermineralsarefoundincloseproximityofoneanotherintherockymatrixTypicallycontainchondrules:small,nearlyspheroidal,igneousinclusionswhichsolidifiedfrommeltdropletsSomechondrulesareglassy,implyingextremelyrapidcoolingfrommeltCompositionnearlysolar--mosteasilyaccessiblesampleoftheaveragesolarsystemcompositionofmostelementsClassesofchondritesCarbonaceouschondritesMostvolatilerichofthechondritesFourmajorsubgroupsdifferingslightlyincomposition:CI,CM,CO,CVOrdinarychondritesThemostcommonprimitivemeteoriteClassificationinorderofdecreasingFe/Si(i.e.,increasingoxidizedFe)ratio:H,L,LLOrdinaryH3chondriteCarbonaceousCM2chondriteEnstatitechondritesNamedafterthemostdominantmineral,enstatiteolivine(MgSiO3)SubgroupedinorderofdecreasingFeabundance:EH,ELFormedunderveryreducingconditions(Mercury?)PetrographicclassesaccordingtoprocessinginplanetaryenvironmentsType1through6accordingtodecreasingvolatility/acqueousalterationType3apparentlytheleastalteredandmostrepresentativeofprotoplanetaryconditions,withtype4,5and6indicatingincreasingmetamorphicprocessingType1isdevoidofchondrules,whichwereeitherneverpresentordestroyedbyacqueousprocessesAchondritesStonymeteorites14typesDevoidofchondrulesDifferentiated:originatefrombodieswithmolteninteriorshavingexperienceddensitydependentphaseseparationSignificantlydepletedinironandsiderophileelementswhichconcentratedinthecenteroftheparentbodyBulkcompositionisenhancedinlithophileand/orchalcophileelementsAchondriteclassificationImportanttypes