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组会:Urey 公式中的一些细节及含Mg磷酸盐矿物中的Mg、O同位素平衡分馏系数

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Urey 公式中的一些细节及含Mg磷酸盐矿物中的Mg、O同位素平衡分馏系数

肖子聪,July 1, 2022

Urey formula (1947)提出了平衡方程:

AX+BX′⇌AX′+BX

统计力学的核心原理如下:

假如一平衡系统能够处于N个状态中的某一个,则系统能量为En的概率是:

P=(1/Q) exp[-En /(kBT)]

其中Q = Σn=1N exp[-En / (kBT)]称为配分函数
 
对于热力学势:在某种条件下某个热力学量趋于极大或极小

给定N,V和E,S趋于极大;给定N,V和T,F趋于极小;给定N,p和T,G趋于极小……

描述大多数反应时往往给定温度和压强,通常用∆G来衡量反应进行的方向。平衡常数K=exp⁡(-(∆G_r)/RT)  【混合熵的影响。对于同位素交换反应,同位素交换对体积影响不大,即∆V≈0。考虑到∆G=∆F+p∆V ,所以∆G≈∆F。
 
F=-kTlnQ    k:玻尔兹曼常数,Q:配分函数
Q = Σn=1N exp[-En / (kBT)]

 E:电子势能、离子实的动能

Q = Σn=1N exp[-(E势能 + E动能)n/ (kBT)]

独立变量乘积之和等于各自和的乘积

Q = (Σn=1N exp[-E势能n/ (kBT)])*(Σn=1N exp[-E动能n/ (kBT)])
=Q势能*Q动能
 

Urey公式采用了若干隐含的近似:

简谐近似:分子振动,晶体中的晶格振动都是简谐振动;H原子不一定满足
简谐近似下,晶体的热膨胀系数为0;振动频率与体积(压力、键长)无关
在不同的体积下应用简谐近似,不同的体积间的差异不引入简谐近似,直接计算。
 
热液活动对行星宜居性的形成至关重要;行星(火星, 冰卫星, 陨石等)中的热液活动发生时的温度很难限定
Mg、O 同位素的信息可以在行星演化过程中保留下来
我们期望利用Mg、O同位素来指示行星热液过程,建立行星温度计
富Mg同位素富集顺序: farringtonite > raadeite ~ brucite > 1Mg30H2O > bobierriteB ~ cattiite ~ kovdorskite > struvite-NH4 ~ 1Mg50H2O ~ bobierriteA > struvite-K > struvite-Na ~ dittmarite > chopinite > newberyite > magnesite
Mg同位素平衡分馏系数受多种因素影响:同质多象变体;bobierriteA and bobierriteB;晶体中其他阳离子;K-,Na-,or NH4- struvite;晶体中的水

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