元素周期表的化學元素是怎麼來的?

2020-12-14 鍾銘聊科學

地球無法產生新元素

我們地球上的元素都是先於地球形成之前就存在的。地球的內核溫度只有6000度,這個溫度不足以促發核聚變來產生新元素。因此,從某種角度上看,地球上元素的年紀都要比地球大得多。

那元素到底是咋來的呢?

這其實一個非常複雜的問題,我們需要一步步來說。

氫和氦的起源

我們現在知道,宇宙起源於138億年前的一場大爆炸。

大爆炸之後,宇宙中主要以光和熱的形式存在,起初的溫度非常非常高,還沒有實物粒子的存在。而光子自身的反粒子就是光子,在極其高溫(這裡是幾十億度,甚至是上百億度,這個溫度也被稱為閾值溫度)的環境下,高能的光子對撞就會產生實物粒子,比如:一對正負電子等。

在宇宙的早期,粒子逐漸形成,一直到宇宙大爆炸之後的38萬年,宇宙的溫度降到3000度,原子結構得以形成。這時候主要的原子就是氫原子和氦原子,這兩個正好就是元素周期表最靠前的兩個元素,也相對容易形成。可能你要問了,為什麼沒有更高順位的元素?

其實並不是沒有,而是因為更高順位的不夠穩定,最後又裂變成了更穩定的氦元素。

所以,我們的宇宙最多的元素是氫,其次是氦,它們佔據了99%以上。而且它們也是年紀最大的元素,都達到了138億歲。

鐵之前的元素

後來,宇宙逐漸出現了恆星。恆星被稱為元素的煉丹爐。我們都知道恆星之所以會發光,是因為核聚變反應,會釋放出大量的光和熱。

就像上文說到的,宇宙最豐富的元素就是氫元素和氦元素。因此,恆星基本上都是這兩種元素構成的。有些天體可以成為恆星,而有些不能,他們的本質在於質量。能夠成為恆星的最低門檻是太陽質量的7%~8%左右。只要邁過這個門檻,恆星就可以點亮自己,發生核聚變反應,我們可以把恆星看成是一個爐子,最開始的原料是氫原子核,爐渣就是氦原子核。也就是說,氫原子核通過核聚變反應生成了氦原子核。

當氫原子核被燒得差不多後,只要恆星的質量足夠大,就可以點燃氦原子核的核聚變反應,這時候的原料就是氦原子核,爐渣就是氧原子核和碳原子核。

而當氦原子核也被燒完後,只要恆星的質量足夠大,還可以繼續引發碳原子核和氧原子核的核聚變反應。

所以,你看這其實是沿著元素周期表從原子序數低,往原子序數高的方向發生核聚變。這會一直到內核生成鐵原子核。鐵原子核是最穩定的原子核,也是一個分界線。在鐵元素之前的元素基本上是依靠恆星的核聚變反應,而鐵元素之後,情況就會完全不一樣的。

鐵之後的元素

想要讓鐵原子核發生核聚變反應需要大量的能量,這個反應是一個賠本的反應,輸入的能量要遠遠大於輸出的能量。但是一些大質量的天體還是可以做到這一點,在這個過程中,就發生超新星爆炸,超新星爆炸的過程就會產生大量的比鐵元素高的元素。

但是這種方式只是產生一部分鐵元素之後的元素。在超新星爆炸的同時,恆星有可能會演化成中子星或者黑洞。

而科學家最近發現,許多原子序數大於鐵元素的元素,是依靠中子星的合併而生成的。其中,我們熟悉的金元素和銀元素,主要就是依靠這個方法製造出來的。

而我們知道,其實形成中子星非常不容易,更不要說,發生中子星的合併了,這也解釋了為什麼金和銀的含量非常少。

總結

以上,就是各種元素的起源的主要內容。

地球上之所以會有這些元素,主要是因為,在地球形成之前,在太陽系附近曾經有上一代的恆星,這個恆星發生了超新星爆炸,引發了太陽系附近長達2光年的分子雲發生引力坍縮,形成了太陽,其他的邊角碎料形成如今的太陽系各個天體。而在形成地球的過程中,這些元素在引力的作用下聚合到了一起,這才使得地球上有非常豐富的元素。

事實上,科學家如今發現了100多種元素。但是在自然界中,人類目前只發現了92號元素,而剩餘的元素則是科學家利用各種方法進行合成的。因此,元素周期表的元素中,還有一部分實際上是人類合成出來的。

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