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宇宙化学是研究宇宙物质的化学组成及其演化规律的学科,是天文学的一个分支,也是天文学与化学之间的边缘学科。宇宙化学研究的对象包括陨石、月球、行星系天体、行星际物质、太阳、恒星、星际物质、宇宙线、星系和星系际物质等。
宇宙物质的化学组成是指构成宇宙物质的元素、同位素、分子和矿物。宇宙化学的研究任务之一就是确定这些组成,并测定它们的相对含量和绝对含量。测定方法有两种:一种是直接取样,如测定陨石、月球岩石样品、宇宙尘、宇宙射线核成分等;另一种是测定来自天体的电磁辐射中的特征谱线。例如对恒星作光谱分析,对星际物质进行射电、红外、可见光波段的频谱分析。研究表明,宇宙物质是由《化学元素周期表》中近百种化学元素和280多种同位素组成的。在宇宙物质中发现了地球上尚未发现的若干种矿物和分子。
宇宙化学另一个任务是研究宇宙物质的化学演化。大致有几个过程:首先由某种过程(例如“宇宙大爆炸”)生成元素氢,再通过核合成过程(如恒星内部核合成、超新星爆发核合成等)生成其他元素。
元素的原子在恒星表面或星际空间结合形成分子,这些分子在行星系中将循两条路线继续演化:分子凝聚为尘埃,尘埃聚集而成星子,进而形成行星等天体;一些含碳、氮、氧、氢等元素的分子在星际云中生成后,通过生命前的化学演化生成复杂分子,在地球上(还可能在其他行星系的行星上)生成氨基酸、蛋白质,最后导致生命的出现。恒星的一生不断地向星际空间抛射物质,最后瓦解为星际云;反过来,星际云又通过漫长过程凝聚而形成各种恒星。
人类对宇宙物质化学的认识,经历了几个阶段。
早期,人们是凭直觉猜测宇宙万物的基本组成的。中国西周晚期(公元前七世纪),用五行(金、木水、火、土)来说明万物的组成,用“阳气”和“阴气”解释自然界的各种变化。古希腊人在公元前四世纪认为水、空气、火和土是构成万物的四种基本元素。
十九世纪初,人们对地球上的矿物和岩石等物质进行大量的化学分析。1833年,瑞典化学家柏济利乌斯对陨石进行化学分析,第一次测定了地球外宇宙物质的化学组成。1858年,化学家本生和物理学家基尔霍夫一起研究太阳光谱;1859年,基尔霍夫成功地解释了太阳光谱中夫琅和费线(即吸收线)产生的原因,第一次证认了太阳(恒星)的化学组成。宇宙化学的一种重要观测方法——光谱分析从此诞生。
二十世纪五十年代以来,随着大气外观测的发展,频谱分析波段由可见光扩展到射电波、红外线、紫外线、x射线、γ射线。六十年代,人们在星际空间发现星际分子,直接登月采集岩石标本。七十年代,又把分析仪器送上火星。宇宙化学的研究手段日益增多,研究内容不断丰富。
宇宙化学根据天体层次和研究方法分为几个方面:
陨石化学:研究各种陨石的化学组成。研究表明,碳质球粒陨石在太阳系漫长的演化过程中,发生的物理、化学变化最小,可视为原始太阳系物质的“化石”;
行星系化学:研究行星(包括地球)、卫星、小行星、流星体、彗星以及行星际物质的化学组成和化学演化;
恒星化学:研究恒星的化学组成及其化学演化。太阳是离我们最近的一颗恒星,又占太阳系总质量的99.86%,所以太阳化学对于研究恒星和太阳系具有重要意义;
星际化学:主要观测和证认星际分子,研究它们的形成和瓦解;
同位素宇宙化学:测定不同宇宙物质的同位素组成,研究化学元素的起源和演化,认识天体物质的来源和形成环境,探讨各种高能、低能过程。测定放射性同位素组成以确定天体(或宇宙物质)的年龄,是同位素年代学的任务;
宇宙线核化学:测定宇宙线中化学元素核组成,推测宇宙线传播过程中的介质和宇宙线源的化学组成。
研究化学元素的起源既同恒星的形成和演化密切相关,也同大爆炸宇宙学有关。观测银河系中不同物质(如氢原子、一氧化碳等)的分布,可以揭示银河系的结构和该化。太阳系起源和演化的学说必须考虑太阳系化学研究的结果,这就是一方面要利用已获得的有关太阳系化学组成的知识,另一方面又必须能解释太阳系的化学组成。
宇宙化学的研究对化学的发展也有重要意义,如氨元素就是首先从太阳上发现,后来才在地球上找到的。宇宙物质处于地球上难以模拟的状态,这就为化学研究提供了特殊的“实验室”。对星际物质和彗星中有机分子的观测,以及对陨石中有机分子的研究,既推动了生命起源的探索,也推动了宇宙化学的发展。 |
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yuzhou huaxue
宇宙化学
cosmochemistry
研究宇宙物质的化学组成及其演化规律的学科,是天文学的一个分支,也是天文学与化学之间的边缘学科。宇宙化学研究的对象包括陨石、月球、行星系天体、行星际物质、太阳、恒星、星际物质、宇宙线、星系和星系际物质等。
宇宙物质的化学组成和测定方法 宇宙物质的化学组成是指构成宇宙物质的元素、 同位素、 分子和矿物。宇宙化学的研究任务之一就是确定这些组成,并测定它们的相对含量和绝对含量。测定方法有两种:一种是直接取样,如测定陨石、月球岩石样品、宇宙尘、宇宙射线核成分等;另一种是测定来自天体的电磁辐射中的特征谱线。例如对恒星作光谱分析,对星际物质进行射电、红外、可见光波段的频谱分析。研究表明,宇宙物质是由《化学元素周期表》中近百种化学元素和 280多种同位素组成的。在宇宙物质中发现了地球上尚未发现的若干种矿物和分子。
宇宙物质的化学演化 宇宙化学另一个任务是研究宇宙物质的化学演化。大致有几个过程:首先由某种过程(例如“宇宙大爆炸”)生成元素氢,再通过核合成过程(如恒星内部核合成、超新星爆发核合成等)生成其他元素。元素的原子在恒星表面或星际空间结合形成分子。这些分子在行星系中将循两条路线继续演化:分子凝聚为尘埃,尘埃聚集而成星子,进而形成行星等天体;一些含碳、氮、氧、氢等元素的分子在星际云中生成后,通过生命前的化学演化生成复杂分子,在地球上(还可能在其他行星系的行星上)生成氨基酸、蛋白质,最后导致生命的出现。恒星的一生不断地向星际空间抛射物质,最后瓦解为星际云;反过来,星际云又通过漫长过程凝聚而形成各种恒星。
宇宙物质化学的认识史 人类对宇宙物质化学的认识,经历了几个阶段。
古代 早期,人们是凭直觉猜测宇宙万物的基本组成的。中国西周晚期(公元前七世纪),用五行(金、木、水、 火、 土)来说明万物的组成,用“阳气”和“阴气”解释自然界的各种变化。古希腊人在公元前四世纪认为水、空气、火和土是构成万物的四种基本元素。
科学宇宙化学的诞生 十九世纪初,人们对地球上的矿物和岩石等物质进行大量的化学分析。1833年,瑞典化学家柏济利乌斯对陨石进行化学分析,第一次测定了地球外宇宙物质的化学组成。1858年,化学家本生和物理学家基尔霍夫一起研究太阳光谱;1859年,基尔霍夫成功地解释了太阳光谱中夫琅和费线(即吸收线)产生的原因,第一次证认了太阳(恒星)的化学组成。宇宙化学的一种重要观测方法──光谱分析从此诞生。
现代宇宙化学 二十世纪五十年代以来,随着大气外观测的发展,频谱分析波段由可见光扩展到射电波、红外线、紫外线、X射线、γ射线。六十年代,人们在星际空间发现星际分子,直接登月采集岩石标本。七十年代,又把分析仪器送上火星。宇宙化学的研究手段日益增多,研究内容不断丰富。
宇宙化学的分支 宇宙化学根据天体层次和研究方法分为几个方面:①陨石化学:研究各种陨石的化学组成。研究表明,碳质球粒陨石在太阳系漫长的演化过程中,发生的物理、化学变化最小,可视为原始太阳系物质的“化石”。②行星系化学:研究行星(包括地球)、卫星、小行星、流星体、彗星以及行星际物质的化学组成和化学演化。③恒星化学:研究恒星的化学组成及其化学演化。太阳是离我们最近的一颗恒星,又占太阳系总质量的99.86%,所以太阳化学对于研究恒星和太阳系具有重要意义。④星际化学:主要观测和证认星际分子,研究它们的形成和瓦解。⑤同位素宇宙化学:测定不同宇宙物质的同位素 |
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- n.: cosmochemistry
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