地球，作為已知的太陽(yáng)系中密度最大的行星，其一切都是由化學(xué)元素組成的。

到目前為止，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了100多種元素，組成了約三千多萬(wàn)種物質(zhì)。

組成地球的化學(xué)元素究竟有哪些？地質(zhì)學(xué)家們對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究已經(jīng)展開(kāi)了近百年。

1970年，前蘇聯(lián)在科拉半島鄰近挪威國(guó)界的地區(qū)開(kāi)始了一項(xiàng)科學(xué)鉆探，其中最深的一個(gè)鉆孔SG-3在1989年達(dá)到12262米，以垂深計(jì)算，這個(gè)鉆孔是到達(dá)地球最深處的人造物。

而在2008年和2011年，其井深記錄被在卡塔爾的阿肖辛油井（12289米）和俄羅斯在庫(kù)頁(yè)島的Odoptu OP-11油井（12345米）打破。

盡管這些井看起來(lái)足夠深，但地殼的厚度卻可以超過(guò)40000米。這意味著，這些鉆孔可能還沒(méi)到地殼一半就不得不停止，人類實(shí)際上沒(méi)有精確地測(cè)量地殼以外的任何東西。

因此，我們可以深入研究的部分僅是：地殼。01

富集元素首先，在地殼中發(fā)現(xiàn)的最豐富的元素是氧（O）。

相比大氣中包含的氣體，氧更常見(jiàn)的存在形式是地殼中的巖石氧化物。

事實(shí)上，地殼中所有最常見(jiàn)的巖石類型都是氧化物。

二氧化硅是最常見(jiàn)的，也是沙子和石英等物質(zhì)中的主要化合物。其他非常常見(jiàn)的氧化物包括:氧化鎂、氧化鐵、氧化鋁和氧化鈣。

也就是說(shuō)，你在地球上看到的任何一塊巖石，它都很可能含有大量的氧。但不是以氣體的形式，而是以氧化物的形式。

氧氣在地殼中的含量為46.5%，也就是說(shuō)幾乎一半的地殼都是氧。

地殼中含量最豐富的元素，包括氧在內(nèi)主要有10種，占地殼中所有物質(zhì)的99.3％。

其中，氫（H）是十分特別的元素。

氫的原子序數(shù)為1，是現(xiàn)存最簡(jiǎn)單的元素。在大爆炸后不久，宇宙中除了氫，什么都沒(méi)有。直到今天，氫仍然是宇宙中最常見(jiàn)的元素，占所有物質(zhì)的74%。

然而，氫在地球上的含量卻不像宇宙中其他地方那么豐富，僅僅排名第10。

當(dāng)?shù)厍騽傂纬傻臅r(shí)候，氫大約占大氣的40%。但由于氫很輕，大部分都漂浮到地球大氣層的最頂層。隨著時(shí)間的推移，氫逐漸飄向外太空。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到今天，即使是現(xiàn)在，地球每年仍要失去大約95000噸的氫。因此，地球上氫的含量也就受到了一定的限制。

作為地球上所有生命的基本元素——碳（C），是第17種最豐富的元素。

碳既以游離元素存在（金剛石、石墨等），又以化合物形式存在（主要為鈣、鎂以及其他電正性元素的碳酸鹽）。

碳對(duì)于現(xiàn)有已知的所有生命系統(tǒng)都是不可或缺的，是人體中含量第二豐富的元素，僅次于氧。今天地球地殼中的碳含量約為0.02%。

在碳之下，地殼中最常見(jiàn)元素中排名第25的鈰（Ce）是一種稀土元素。

鈰在地殼中的含量接近百萬(wàn)分之 66.5。也就是說(shuō)，并不是所有的稀土元素實(shí)際上都那么稀有。

而在此之下還有更多的稀土元素。例如釹（(Nd）為百萬(wàn)分之41.5；鑭（La）為百萬(wàn)分之39；釔 (Y)為百萬(wàn)分之33； 鈧（Sc）為百萬(wàn)分之22。

比這些稀土元素含量還要低的是氮（N）。

也就是說(shuō)，這種占我們呼吸空氣78%的元素在地殼中比某些稀土元素更稀有，只有百萬(wàn)分之19。

氮是植物生長(zhǎng)的必需養(yǎng)分之一，它是每個(gè)活細(xì)胞的組成部分。氮元素以單質(zhì)（氮?dú)猓┬问酱嬖跁r(shí)無(wú)毒，以化合物形式存在時(shí)常常有毒，典型的比如說(shuō)氨、亞硝酸根等。

地球上總共有94種元素自然存在，這意味著第47個(gè)最豐富的元素已經(jīng)到達(dá)所有元素的一半，也就是鉿（Hf），以百萬(wàn)分之3的含量存在。

比鉿的含量還要低的一種重要元素為鈾（U）。鈾是放射性金屬元素，可作為核反應(yīng)的燃料。它在地殼中的含量為百萬(wàn)分之2.7。

盡管鈾在地殼中的含量比汞、鉍、銀要多得多，但由于提取鈾的難度較大，所以它注定了要比汞這些元素發(fā)現(xiàn)的晚得多。

鈾礦

錫（Sn）的含量?jī)H有百萬(wàn)分之2.3，在地殼中含量低于鈾。這意味著錫紙(不是鋁箔，而是真正的錫紙)是由比大多數(shù)核反應(yīng)堆的燃料更稀有的物質(zhì)制成的。

02

稀有元素鋱（Tb）的含量為百萬(wàn)分之1.2，是另一種稀土元素，在最常見(jiàn)的稀土元素中排名第59位。

或者，我們將其稱為地球上第35種最稀有的元素。這也是最后一種元素，在地殼中含量超過(guò)百萬(wàn)分之一。

這意味著，即使你隨機(jī)調(diào)查了地殼中的100萬(wàn)個(gè)原子，也可能找不到鋱之后的34種元素中的任何一個(gè)。

而銀（Ag）就是這些稀有元素中的一員，是最稀有的第26種元素，含量為百萬(wàn)分之0.075。

銀在自然界中有單質(zhì)存在，但絕大部分是以化合態(tài)的形式存在于銀礦石中。銀的理化性質(zhì)均較為穩(wěn)定，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能很好，質(zhì)軟，富延展性。其反光率極高，可達(dá)99%以上，有許多重要用途。

銀礦

氦（He）是地殼中第22種最稀有的元素，只以百萬(wàn)分之0.008的含量存在。

在宇宙的其他地方，氦（He））是第二豐富的元素，僅次于氫，由恒星中心的核聚變過(guò)程產(chǎn)生，占宇宙質(zhì)量的24%。

我們之前提到，氫源源不斷的從大氣上層泄漏到太空中導(dǎo)致其含量減少。

而氦的損失情況比氫更為糟糕。氦作為一種惰性氣體，不易與其他元素發(fā)生反應(yīng)形成化合物。由于不能形成更重的化合物，氦一直是一種非常輕的氣體，很容易就會(huì)消失在太空中。

事實(shí)上，氦在地殼中存在的主要方式，就是通過(guò)放射性同位素的衰變，比如鈾和釷。因此，理論上可以說(shuō)氦是比銀還稀有的。

第20種稀有元素是鉑（Pt），第19種是金（Au），含量分別是百萬(wàn)分之0.005和百萬(wàn)分之0.004。

鉑的化學(xué)性質(zhì)極穩(wěn)定 ，不溶于強(qiáng)酸強(qiáng)堿溶液，在空氣中不氧化。金的單質(zhì)在室溫下為固體，密度高、柔軟、光亮、抗腐蝕，延展性較好。

第21種最稀有元素是氖（Ne）。其含量?jī)H比鉑高一點(diǎn)，為百萬(wàn)分之0.0051。

這意味著只要看到霓虹燈（如果里面真的有氖），它的字面上充滿了與地球上鉑金同樣稀有的元素。

03

罕見(jiàn)元素現(xiàn)在我們開(kāi)始涉足極為罕見(jiàn)的元素。

在地球上最稀有的10種元素中，恰好有10種是放射性的。因?yàn)檫@些元素都沒(méi)有穩(wěn)定的同位素，如果有足夠的時(shí)間，它們都會(huì)衰變成更基本的元素。

考慮到地球有40多億年的歷史，所有這些元素都經(jīng)歷了很長(zhǎng)時(shí)間的衰變。因此，在這些低含量的元素中，只有4個(gè)可以被可靠地測(cè)量到。

在這些可測(cè)量的元素中，氡（Rn）含量最少，僅為百萬(wàn)分之0.00000000004。

也就是說(shuō)，在地殼中的25個(gè)萬(wàn)億個(gè)原子里，只有可能發(fā)現(xiàn)一個(gè)氡原子。

除了4個(gè)能被可靠測(cè)量到的元素外，剩下的6個(gè)元素比它們更稀有。這些元素豐度之低，只能用衰變?yōu)樗鼈兊钠渌氐囊阎獢?shù)量來(lái)估計(jì)其含量。

钷（Pm）是迄今為止最稀有的所謂稀土元素。這種元素的不同同位素的半衰期從2年到17年不等，這在地質(zhì)學(xué)上是非常短的。

據(jù)估計(jì)，目前地球上這種物質(zhì)的含量不足600克，其中大部分是由鈾衰變產(chǎn)生的，也許還有一部分銪。

根據(jù)目前的資料，地球上最稀有的元素是85號(hào)元素——砹（At）。砹的最穩(wěn)定同位素的半衰期從5個(gè)小時(shí)到8個(gè)小時(shí)不等，甚至遠(yuǎn)不如钷穩(wěn)定。

但是它的大多數(shù)同位素，總共有39種，半衰期只有1秒或更短。這意味著，這1秒存在的砹，下一秒就可能不復(fù)存在了。

砹在自然界是如此的不穩(wěn)定。但科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)使用所謂的α粒子（基本上是氦原子的核）來(lái)轟擊鉍同位素209，可以產(chǎn)生砹。但通常一次能生產(chǎn)的最多的量也僅有86毫微克。

因此，可以說(shuō)砹依舊是地球上最稀有的元素！

參考資料：

ABUNDANCE OF ELEMENTS IN THE EARTH’S CRUST AND IN THE SEA, CRC Handbook of Chemistry and Physics, 97th edition (2016–2017), p. 14-17；

Eric Scerri, The Periodic Table, Its Story and Its Significance, Oxford University Press, 2007

維基百科；YouTube；Atlas Pro.