宇宙化学

【汉语拼音】yuzhou huaxue
【中文词条】宇宙化学
【外文词条】cosmochemistry
【作者】赵南生
         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徵谱线。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﹐随著大气外观测的发展﹐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﹕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。
         宇宙化学的意义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演化。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﹐如氦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。
        参考书目
         A.G.W.Cameron﹐Cosmochemistry﹐D.Reidel Publ.Co.﹐Boston﹐1973.
         小沼直﹕《宇宙化学》﹐社﹐京﹐1972。