内容简介

本书是根据作者近二十年在微量元素化学领域内的科研工作所积累的大量数据和资料，并综合

了国内外的优秀成果编写而成。

本书系统介绍了微量元素化学的特点和基本原理、元素的起源和演化、微量元素在自然界各

圈内部的分布特征和化学赋存状态及在各圈之间的迁移转化规律，依次叙述了微量元素宇宙化学、

微量元素水化学、微量元素土壤化学、微量元素大气化学、微量元素地球化学和微量元素生命化

学，是我国第一部资料丰富且综合性强的微量元素化学专著。

本书可供从事微量元素化学、环境、地质和生物医学等各个领域研究的专业人员参考，亦可作

为高等院校有关专业的本科生和研究生的教学用书。

目录

代序

前言

第一章 绪论

第一节 微量元素化学的特点

第二节 微量元素化学的研究范畴和研究方法

参考文献

第二章 元素的核合成起源

第一节 关于元素核合成的早期观点

第一节 宇宙大爆炸

第三节 氢燃烧

第四节 氦燃烧

第五节 α过程：碳燃烧和氧燃烧

第六节 平衡过程：硅燃烧

第七节 中子俘获合成：s过程和r过程

第八节 p过程

第九节 x过程：轻元素的合成

第十节 元素核合成中的核参数

第十一节 元素核合成的场所

参考文献

第三章 微量元素宇宙化学

第一节 元素的宇宙丰度

第二节 元素的宇宙线丰度

第三节 元素的太阳系丰度

第四节 元素的太阳丰度

第五节 银河系和系外恒星的元素丰度

第六节 彗星的元素丰度

第七节 陨石的元素丰度

第八节 宇宙尘中的微量元素

第九节 玻璃陨石的元素丰度

第十节 陨击坑的微量元素特征

第十一节 地质界线事件的微量元素丰度异常

参考文献

第四章 微量元素水化学

第一节 水圈的形成和演化

第二节 水圈组成和循环

第三节 海洋

第四节 港湾

第五节 河流

第六节 湖泊

第七节 冰雪

参考文献

第五章 微量元素土壤化学

第一节 土壤的形成 分类和性质

第二节 土壤组成

第三节 土壤中微量元素的来源

第四节 土壤的微量元素组成

第五节 土壤溶液中的微量元素

参考文献

第六章 微量元素大气化学

第一节 大气圈的形成和演化

第二节大气组成

第三节 气溶胶和大气颗粒物

第四节 火山气体和颗粒物

第五节 尘暴作用

参考文献

第七章 微量元素地球化学

第一节 微量元素的地球化学分类及其地球丰度

第二节 岩浆作用和火成岩中的微量元素

第三节 微量元素在岩浆过程中的分离结晶和部分熔融

第四节 沉积作用和沉积岩中的微量元素

第五节 变质作用和变质岩中的微量元素

第六节 石油地球化学中的微量元素

第七节 海洋地质学中的微量元素

参考文献

第八章 微量元素生命化学

第一节 生物圈的形成和演化

第二节 生物圈的组成

第三节 元素生物地球化学循环

第四节 生物必需微量元素和有毒元素

第五节 生物体内微量元素的化学形态

第六节 微量元素生命化学的一些基本原理

参考文献

第九章 生物和环境体系中的若干微量元素

第一节 砷

第二节 镉

第三节 钴

第四节 铬

第五节 汞

第六节 锰

第七节 镍

第八节 铅

第九节 硒

第十节 锌

参考文献

第二章 元素的核合成起源

在研究微量元素化学之前，我们首先要问，作为我们研究对象的微量元素，是如何形成

的？在元素周期表中，为什么自然界中除了少数几个元素（例H、He、C、0等）外，其余元素

的丰度都很低。本章的目的就是叙述有关元素核合成和演化的基础知识，为从事微量元素化

学研究的科研人员提供必需的背景材料。

第一节 关于元素核合成的早期观点

古希腊时代的哲学家Aristotle提出：“元素是组成宇宙的简单物质，它不能再分成其它

物质。”他还认为，“自然界存在着四种基本性质，即热、冷、干、湿，它们的组合就成了物

质的元素：水、火、空气和土”。我国古代的哲学家对物质世界提出了类似的见解。千百年

来，人们一直在问：元素是怎样起源的？在茫茫宇宙中，元素又是如何演化的？

对元素起源学说的真正科学尝试，还是本世纪的事，是由于核科学的发展奠定了星际演

化和元素核合成起源的基础。

本世纪初认识的天然放射性元素的性质，证明了至少有一部分元素的寿命是有限的。早

期的太阳和恒星的光谱学研究，定性表明它们的元素组成与地球的相同。因此，当时认为宇

宙的化学组成是均匀的，并且试图确立一组解释现代元素丰度特征的物理条件。Alpher和

Herman（1950）在他们的评论文章中总结了早期理论研究工作［1］。由于这些早期的宇宙合

成观点有一部分至今仍然有效，因此，这里简述一下它们的基本观点。

早期理论中有一大类是“核统计平衡”模型［2］。该模型假设，在宇宙之初，物质以高

温和高密度的状态存在，这种状态使核转变迅速发生，并导致一种真正的统计平衡分布。这

一模型无法解释下列事实：在一定的温度和密度下，平衡丰度的图象是在一个相当窄的质量

范围内呈现极明显的峰，这与实验给出的宇宙的元素丰度图象不符，因此，这一模型显而易

见是有缺陷的。然而，这种核统计平衡模型可解释以56Fe为中心的丰度特征。现代的元素核

合成理论对早期的平衡模型作了修改，认为这种平衡是超新星爆发时处于高温和高密度状态

的物质在膨胀和冷却时的情形。

1948年，AIpher、Bethe和Gamov首先提出了用宇宙大爆炸理论来解释元素的核合

成［3］。他们认为，自由中子构成高温和高密度下的物质的主要组分。在大爆炸之后，丰中

子物质在其膨胀的早期阶段中，连续地俘获中子，从而有可能产生所有的重元素。自然界中

重元素丰度的峰位与中子俘获几率小的区域相对应，这归因于壳层封闭效应，这一观测结果

与大爆炸理论吻合。然而，进一步研究发现，宇宙大爆炸核合成不能说明大多数比氦重的核

素的形成。根据弱相互作用计算，核合成初期的中子与质子比约为1/7，因此产生的4He质量

百分数应为25％，还有痕量的重元素形成。但是，由于缺乏质量数为5和8的稳定核素，而无

法在宇宙条件下产生比氦重的核。尽管这一大爆炸模型遭到了失败，但是其中的重元素是由

连续中子俘获而形成这一思想已为现代理论所采纳。

正是由于核物理的进展以及天文学的新的观察结果，铺平了元素起源机制及星际演化的

科学解释的道路。最初，在本世纪30年代末，Bethe（1939）［4］、VonWeizsacker（1938） ［5］、

Bethe和Critchfield（1938）［6］首先提出氢燃烧这一概念，即4个质子聚合为氦。这一热核反

应提供了太阳的能源及解释了恒星寿命可达数十亿年之久。然后，又推测星际内部的核过程

可以说明自然界中观测到的许多较重元素的形成。认识到重元素合成在星际内部进行，是在

Merrill发现了红巨星存在锝之后（Merrill，1952）［7］。此后，又发现在银河系中的各大类

恒星中的元素丰度有差别，这就进一步证明这种星际演化过程对银河演化有整体影响，并可

说明太阳系中的重元素丰度。根据动力学估算，位于银河晕区的恒星属星际演化的早期产物，

其金属含量很低，只有太阳系的千分之一。这些事实加重了星际元素核合成的重要性，并为

50年代末在元素核合成方面的决定性工作奠定了基础。

第二节 宇宙大爆炸

元素周期表中所有元素的起源的关键问题实际上是氢和氦的起源。根据现代核天体物理

学观点，氢和氦是宇宙大爆炸“烹调”的产物，即是在宇宙创生之后约三分钟以内产生的。

现在一般认为，宇宙处在不断膨胀之中，而这不断膨胀的宇宙起源于约二百亿年前的一

场宇宙大火。Lemert曾形象地描述了这场宇宙大火：“宇宙的演化可以比作一场刚刚结束的

焰火表演，尚存一些红色余火、灰烬和烟雾。我们正站在一粒已经充分冷却的烟灰上，观看

着慢慢暗淡下来的太阳和星体，尽力回想着那已经消失了的宇宙创生时的壮丽辉煌的景象”。

1965年，Penzias和Wilson（1965）［8］发现的一种到处充满、相当于3K温度、各向同性的微

波背景辐射就是约二百亿年前发生的这场宇宙大火遗留下来的“红色余火”。

在1946年初，Gamov和他的同事提出了宇宙大爆炸理论，试图解释元素的起源［9］。他

们认为宇宙是在一个温度极高、异常致密的“奇

点”的一次巨大爆炸中产生的，而且在这场大

爆炸的最初几个阶段中就形成了具有目前丰度

的各种元素 （Gamov，1946［9］；Alpher等，

1948［10］）。大爆炸理论当时的主要依据是宇宙

膨胀的天文观察结果。1929年，Hubble报道有许

多星系正以与它们离太阳系的距离成正比的速度

离去，这为光谱观测中得到的Doppler红移量所

证实。