在神秘的地底下，誰在跳舞？

最新 07-02

地球，宇宙中一顆神秘的蔚藍星球，其包含的很多秘密連在地球上生存了數百萬年的人類也道不清。

說到地球，絕大部分人都會有許許多多的猜測，到底地底下是什麼樣子，會不會如很多的科幻電影所說的有另一個世界呢，能不能挖穿地球，快速抵達地球的另一端呢？

圖片來源於網路

科幻電影《全面回憶》向我們展示了一條特殊的穿過地心的通道「The Fall」——天梯。

圖片來源於網路

如果真存在這樣一條通道，那麼自由落體穿過地心的通道，從地球一端到另一端只需約40分鐘。快過地球上一切交通工具啦，當然，這裡暫且不考慮安全問題(^-^)。

在《地心歷險記》中電影中又設定了奇妙的地下世界，地下空間內部生存著各種巨型遠古生物。

圖片來源於網路

諸如此類對地球內部的猜想數不勝數，例如：《地球停轉之日》、大家熟悉的劉慈欣的科幻作品《地球大炮》等等。

可見人類對地球內部充滿著好奇和幻想。那麼地球內部到底是什麼樣子的呢？科學家們也希望通過對地球的研究，揭開地球的一系列謎題並造福人類，了解地球的形成、結構、演化以及地球氣候變化、生物起源等等。

地球內部是什麼樣的？科學家們想盡辦法去「窺視」

目前人類通過鑽探技術可「窺視」地下約12 km，不足地球半徑的1/500，而且還沒有鑽穿地球外殼33 km，僅達到地殼厚度的1/3。

圖片來源於網路

但是由於地下溫度過高，金屬鑽頭在地底深處容易出現軟化，想利用鑽探技術了解更深的地下情況並不現實。不排除未來人類可以研製出更耐高溫高壓的材料，從而繼續使用鑽探技術「窺視」地球內部。

受地震波的啟發，科學家們使用人工方式激發地震波，探測地球內部。各種產生地震波的方法在這裡不一一介紹了。

地震波波速隨地球深度的變化（圖片來源於網路）

在地球內部，不同的深度，由於其組成成分不同、結構不同，地震波的橫波和縱波聲速也不一樣。

例如：在地球外核部分，由於外核是液態的，這時候橫波被阻隔無法傳播（橫波無法在液體中傳播），而縱波波速也會相應地減小。

通過這種方法，科學家將地球大致分為如下圖的內部結構。

（圖片來源於網路）

在地幔中，二價鐵離子在旋轉跳舞

在地球內部，下地幔的體積佔了地球體積的近一半，其深度範圍為660 km到2800 km左右，溫度範圍約為2000 K到4000 K，壓力範圍約為25 GPa到135 GPa左右（1 GPa 約等於1萬個大氣壓）。

鐵方鎂石(Mg1-x,Fex)O 是下地幔中含量第二多的礦物，受下地幔的溫壓條件影響，鐵方鎂石中二價鐵離子（Fe2+）會由低壓下的高自旋態（HS）向低自旋態（LS）轉變。

等等，我們先來了解一下，自旋是什麼。在量子力學中，自旋是粒子所具有的內稟性質，其運算規則類似於經典力學的角動量，並因此產生一個磁場。或者可以這麼理解，是粒子在自己旋轉，跳舞，不停歇。

隨著地幔壓力的變化，二價鐵離子的「舞姿」也會發生變化

那麼，高低自旋態分別是什麼呢？

高自旋狀態，是指在一定的晶體場中，氧化態相同的同種過渡元素離子，在其電子構型中，自旋方向一致的不成對電子數為最多時所處的狀態。

低自旋狀態，是指在一定的晶體場中，氧化態相同的同種過渡元素離子，在其電子構型中，自旋方向一致的不成對電子數為最少時所處的狀態。

以Fe2+為例，在鐵方鎂石原子結構中，鐵（Fe）原子處於周圍6個氧（O）原子所構成的八面體中心。這種情況下Fe呈正二價，最外層有6個3d軌道價電子，Fe2+的3d軌道能級劈裂成兩個eg軌道三個t2g軌道，其軌道佔據情況如下：

圖註：紅色點圈表示自旋向上的電子，藍色叉圈表示自旋向下的電子，實心圈Fe8+表示原子核與芯電子。內圈為t2g軌道，外圈為eg軌道。

正是由於這樣的電子軌道佔據，在高自旋情況下5個自旋向上的電子分別佔據2個eg軌道和3個t2g軌道，剩下一個自旋向下的電子佔據一個t2g軌道，這使得高自旋Fe2+擁有S=2μB的磁矩（單個電子自旋磁矩為1/2μB），而低自旋情況下6個電子3個自旋向上3個自旋向下，兩兩一對全部佔據在t2g軌道上，這時Fe2+磁矩S=0μB。

實驗研究表明，高自旋向低自旋轉變，是在一定的壓力範圍內完成，對應在下地幔中就是某一個深度區間，在這個區間內是Fe2+高自旋和低自旋的混合狀態。