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目前,人類已知的元素共有118種。從第1號元素氫(H)到第98號元素鉲(Cf)都可以在地球上找到,更重的元素則是通過人工合成出來的。理論上,人類還可以合成出更重的元素,最重的元素有可能是第184號元素。
在地球上,氧、矽、氮、鋁、鐵等都是十分常見的元素。但在宇宙中,最為常見的元素是元素周期表中的前兩種元素——氫和氦,其中氫的質量佔比為75%,氦的質量佔比為24%。氫和氦合計佔到了宇宙總質量(重子物質)的99%,其他更重元素的佔比僅為1%。質量達到地球33萬倍的太陽,其元素組成與整個宇宙的情況相一致。
宇宙中的元素都是怎麼來的?
宇宙中幾乎都是氫和氦,它們最初來自於138億年前的原初核合成過程。在宇宙從大爆炸中創生幾分鐘後,強核力讓質子和中子形成,並將它們束縛在一起,大量合成出了氫和氦。但由於空間快速膨脹,宇宙迅速變冷,更重的元素沒有條件合成出來。
大約1億年後,由氫和氦組成的氣體雲在引力的作用下,坍縮成恆星。在恆星的核心區域中,氫原子核發生核聚變反應,結果會形成氦。當氫耗盡之後,氦繼續進行核聚變反應,合成出碳、氧等更重的元素。
對於質量大於太陽8倍的恆星,它們可以一直合成到第26元素鐵、27號元素鈷、28號元素鎳。鈷、鎳最終又會轉化成更為穩定的鐵-56,這是恆星核聚變反應的終點。
由於鐵的核聚變是一個淨消耗能量的過程,這會打破恆星的靜力學平衡,引發大質量恆星發生超新星爆發。超新星爆發會釋放出極為巨大的能量,並產生大量的自由中子,它們能夠被鐵俘獲,進一步合成出其他重元素。此外,白矮星、中子星的碰撞過程也會產生重元素。
那麼,為什麼會說第26號元素鐵可能是宇宙中的最後一種元素?
鐵元素很特殊,其比結合能在所有元素中最高,這意味著它們的原子核最為穩定。準確地說,最穩定的鐵原子核是鐵-56,其中包含26個質子和30個中子。鐵之前的元素進行核聚變會釋放出能量,鐵之後的元素進行核裂變會釋放出能量,正因為如此,最為穩定的鐵才會引爆大質量恆星。
原子核總會朝著最為穩定的形式演變,只要給予足夠漫長的時間,最穩定的鐵-56將會是宇宙中所有元素的終點。根據熱寂理論,宇宙將會在10^1000年後,達到熵值最大的狀態。到了那時,通過量子穿隧效應,鐵之前的元素會不斷發生核聚變,鐵之後的元素會不斷發生核裂變和核衰變,直至全部轉變為鐵-56。
最終,當宇宙演化到熱寂時,宇宙中所有的元素都會轉變成最為穩定的鐵-56,它們不會發生核聚變,也不會發生核裂變,宇宙中到處都是沒有生機的「鐵星」。當然,這個前提是構成鐵原子核的質子不會發生衰變。如果質子也會衰變,那麼,光子與輕子將會是宇宙中所有元素的演化終點。