李秋根《地球化学》专题3 - 宇宙地球化学-1.pptVIP

一、元素的起源 2. 元素的起源 1）恒星的演化 温度和波长成反相关关系； 高温则高光度，具有高能量； 热的恒星大；冷的恒星小； 预期寿命：质量大，在主星序中的寿命长。 （White,2013: Geochemistry） * 一、元素的起源 2. 元素的起源 2）元素的起源 核合成理论是解释宇宙中质量数大的元素形成的主要理论； 宇宙中的元素具有复杂的核合成历史：包括从大爆炸的最初3分钟以至于当下； 宇宙中元素形成涉及到的天体物理学环境包括: （1）宇宙大爆炸； （2）星系； （3）超新星。 * 一、元素的起源 2. 元素的起源 2）元素的起源 （1）宇宙大爆炸(150亿年前,T=1032K)，宇宙的核合成过程，形成最轻的元素，即：H、He和少量Li、Be、B构成原初元素 A. 大爆炸诞生时只存在高密度的基本粒子（质子，中子，电子等）和反粒子（反质子，反中子，反电子等）（对称）； 当温度降到109K时, 发生反应： p + n = D + ? （?粒子） * 一、元素的起源 2. 元素的起源 2）元素的起源 B. 随后发生下列反应 (恒星的形成)： D + p = 3He + ? （?粒子） 3He + 3He = 4He + 2 p +2 ? 3He + n = 4He + ? 3He + 4He = 7Be + ? 7Be + e- = 7Li + ? （中微子） 质量数为5和8没有稳定的核，抑制了比元素Li、Be重的元素的产生。事实为： 温度降低； 中子衰变。 （White,2013: Geochemistry） 3x 108K * number of Neutrons number of Protons Isobar (nuclei of equal mass number) 一、元素的起源 2. 元素的起源 * 一、元素的起源 2. 元素的起源 2）元素的起源 恒星内部元素的合成理论（B2FH假说：Burbridge夫妇、Fowler和Hoyle） (1) 氢燃烧过程（质子引力收缩， 温度=106K，主星序阶段） ： 1H + 1H = 2D + ?+ + ? + 0.422MeV 2D + 1H = 3He + ? +5.493MeV 3He + 3He = 4He + 21H + ? +12.859MeV * 一、元素的起源 2. 元素的起源 2）元素的起源 Li、Be、B不能得到稳定的核素 8Be + ? = 12C + ? 质量数为5和8没有稳定的核，因此该阶段主要形成氦核 核循环反应 质子-质子循环的三个分支反应过程 * 一、元素的起源 2. 元素的起源 2）元素的起源 (2) 氦燃烧过程（108K，红巨星和红超巨星阶段）： 34He = 12C （是合成所有重元素的关键） 12C + 4He = 16O (10%氦消耗) 16O + 4He = 20Ne 20Ne + 4He = 24Mg 24Mg + 4He = 28Si 28Si + 4He = 32S (36Ar, 40Ca等) 可见：氦燃烧一方面形成了Li、Be、B后面的元素；另一方面造成了质量数为4的倍数的元素具有较高的丰度。 * 一、元素的起源 2. 元素的起源 2）元素的起源 (3) 碳和氧的“燃烧过程”（109K，水平支阶段）： 20Ne + ? 12C + 12C = 23Na + p 23Mg + n 28Si + ? 16O + 16O = 31P + p 31S + n * 一、元素的起源 2. 元素的起源 2）元素的起源 (4) 硅燃烧过程（统计平衡过程，3.8?109K，水平支阶段） 形成V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni 等元素，如： 52Fe + ? 28Si + 28Si = 55Co + p 55Ni + n （平均结合能最高） （White,2013: Geochemistry） * 一、元素的起源 2. 元素的起源 2）元素的起源 * 一、元素的起源 2. 元素的起源 2）元素的起源 56Fe Fusion exothermic Fusion endothermic In pr