在神秘的地底下，谁在跳舞？

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在神秘的地底下，谁在跳舞？

2018 年 7 月 4 日 中科院物理所

地球，宇宙中一颗神秘的蔚蓝星球，其包含的很多秘密连在地球上生存了数百万年的人类也道不清。

说到地球，绝大部分人都会有许许多多的猜测，到底地底下是什么样子，会不会如很多的科幻电影所说的有另一个世界呢，能不能挖穿地球，快速抵达地球的另一端呢？

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科幻电影《全面回忆》向我们展示了一条特殊的穿过地心的通道“The Fall”——天梯。

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如果真存在这样一条通道，那么自由落体穿过地心的通道，从地球一端到另一端只需约40分钟。快过地球上一切交通工具啦，当然，这里暂且不考虑安全问题(^-^)。

在《地心历险记》中电影中又设定了奇妙的地下世界，地下空间内部生存着各种巨型远古生物。

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诸如此类对地球内部的猜想数不胜数，例如：《地球停转之日》、大家熟悉的刘慈欣的科幻作品《地球大炮》等等。

可见人类对地球内部充满着好奇和幻想。那么地球内部到底是什么样子的呢？科学家们也希望通过对地球的研究，揭开地球的一系列谜题并造福人类，了解地球的形成、结构、演化以及地球气候变化、生物起源等等。

地球内部是什么样的？科学家们想尽办法去“窥视”

目前人类通过钻探技术可“窥视”地下约12 km，不足地球半径的1/500，而且还没有钻穿地球外壳33 km，仅达到地壳厚度的1/3。

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但是由于地下温度过高，金属钻头在地底深处容易出现软化，想利用钻探技术了解更深的地下情况并不现实。不排除未来人类可以研制出更耐高温高压的材料，从而继续使用钻探技术“窥视”地球内部。

受地震波的启发，科学家们使用人工方式激发地震波，探测地球内部。各种产生地震波的方法在这里不一一介绍了。

地震波波速随地球深度的变化（图片来源于网络）

在地球内部，不同的深度，由于其组成成分不同、结构不同，地震波的横波和纵波声速也不一样。

例如：在地球外核部分，由于外核是液态的，这时候横波被阻隔无法传播（横波无法在液体中传播），而纵波波速也会相应地减小。

通过这种方法，科学家将地球大致分为如下图的内部结构。

（图片来源于网络）

在地幔中，二价铁离子在旋转跳舞

在地球内部，下地幔的体积占了地球体积的近一半，其深度范围为660 km到2800 km左右，温度范围约为2000 K到4000 K，压力范围约为25 GPa到135 GPa左右（1 GPa 约等于1万个大气压）。

铁方镁石(Mg_1-x,Fe_x)O 是下地幔中含量第二多的矿物，受下地幔的温压条件影响，铁方镁石中二价铁离子（Fe²⁺）会由低压下的高自旋态（HS）向低自旋态（LS）转变。

等等，我们先来了解一下，自旋是什么。在量子力学中，自旋是粒子所具有的内禀性质，其运算规则类似于经典力学的角动量，并因此产生一个磁场。或者可以这么理解，是粒子在自己旋转，跳舞，不停歇。

随着地幔压力的变化，二价铁离子的“舞姿”也会发生变化

那么，高低自旋态分别是什么呢？

高自旋状态，是指在一定的晶体场中，氧化态相同的同种过渡元素离子，在其电子构型中，自旋方向一致的不成对电子数为最多时所处的状态。

低自旋状态，是指在一定的晶体场中，氧化态相同的同种过渡元素离子，在其电子构型中，自旋方向一致的不成对电子数为最少时所处的状态。

以Fe²⁺为例，在铁方镁石原子结构中，铁（Fe）原子处于周围6个氧（O）原子所构成的八面体中心。这种情况下Fe呈正二价，最外层有6个3d轨道价电子，Fe²⁺的3d轨道能级劈裂成两个e_g轨道三个t_2g轨道，其轨道占据情况如下：

图注：红色点圈表示自旋向上的电子，蓝色叉圈表示自旋向下的电子，实心圈Fe⁸⁺表示原子核与芯电子。内圈为t_2g轨道，外圈为e_g轨道。

正是由于这样的电子轨道占据，在高自旋情况下5个自旋向上的电子分别占据2个e_g轨道和3个t_2g轨道，剩下一个自旋向下的电子占据一个t_2g轨道，这使得高自旋Fe²⁺拥有S=2μ_B的磁矩（单个电子自旋磁矩为1/2μ_B），而低自旋情况下6个电子3个自旋向上3个自旋向下，两两一对全部占据在t_2g轨道上，这时Fe²⁺磁矩S=0μ_B。