重元素有两个概念。在物理学或化学中,重元素是指元素周期周期表中位于铁(26号元素)以后的元素,称为“重元素”或“重金属元素”。在天文学中,把除氢和氦以外的元素统称为“重元素”。
本人在此以物理学和化学概念解释地球上重元素比例高的原因。
比铁轻的元素,从一部分氦开始,都来自于恒星中(主序星和红巨星)的核聚变反应。就是说,在正常的恒星中,最多只能产生到铁元素。比铁重的元素,只能产生于红巨星或红超巨星的超新星爆发中,如铜、锌、铅、汞、金、铀等。在超新星爆发时,恒星的大部分质量(物质)被炸飞,与恒星外层的轻元素一起,被抛入宇宙空间,与宇宙中原有的星际气体尘埃云混合起来,共同构成形成下一代恒星(及其行星、卫星)的原料。由于元素越重(原子序数越大),形成就越困难,所以越重的元素,其数量就越少。
我们的太阳系就是在这气体尘埃云中引力收缩形成的,在太阳及地球等行星形成时,就有了这些重元素,不管是在太阳中还是在各个行星和卫星中,这些元素都有。但在各个星球上,各种元素的比例(或叫“丰度”)是不同的。这种不同,既与星球的质量有关,也与太阳的距离有关。
比如,在大质量的类木行星(气态巨行星)上,重元素比例较小,氢、氦等轻元素较多。而在类地行星(岩石质行星)上,重元素比例较大,氢、氦等轻元素相对较少。这主要是因为星球的质量。星球质量越大,引力越强,就能够吸引住质量较轻的氢和氦等元素。而质量较小的类地行星则因为引力弱,吸引不住氢和氦这样的小质量气体物质,所以在类地行星上,虽然也有氢(基本没有氦),但都是以结合态存在的。
而对于重元素,因为质量较大,引力作用较强,所以容易被较小质量的星球吸引住,所以在小质量星球上,重元素的比例就高了。这是地球等类地行星及卫星上重元素多的主要原因。同时,在类地行星中,质量越大,物质在引力作用下就结合得越紧密,平均密度也越高。
另外,与太阳的距离也是原因之一。
在类地行星中,行星的密度越高,说明星球上重元素的就越多(可从各种元素的摩尔体积或比重来解释)。在类地行星中,地球的平均密度约为5.52克/立方厘米。火星的平均密度约为3.9克/立方厘米。 金星的平均密度约为5.24克/立方厘米。而水星的平均密度约为5.43 克/立方厘米。从类地行星的质量看,地球最大,其次为金星(为地球质量的82%),第三是火星,质量为地球的11%;质量最小的是水星,质量只有地球的5.52%。
上面说了,在类地行星中,质量越大,物质在引力作用下就结合得越紧密,平均密度也越高。四颗类地行星中,质量排列为:地球>金星>火星>水星;而平均密度排列却是:地球>水星>金星>火星。可见,类地行星的平均密度在水星上出现了一个例外,没有符合质量越大,平均密度也越高的规律。这是为什么呢?答案就在与太阳的距离上。
水星是距离太阳最近的大行星,与太阳的距离只有不到5800万千米,强烈的太阳辐射,一方面使得水星上的白天温度高达430℃,许多质量较轻的低沸点物质都汽化蒸发了;另一方面强烈的太阳风把水星表面的气态物质吹离了水星表面,吹向了宇宙空间。这就使得水星上重元素的含量比其他类地行星更多,平均密度也就升高了。而相比之下,其他几颗类地行星离太阳较远,太阳风的力量不足以吹散表面较轻的物质,所以重元素的比例不如水星那么高。