人體每個原子都有百億年,我們卻無法消滅任何一個,但恆星可以

2020-12-05 星辰大海路上的種花家

本文參加百家號科學#了不起的生命醫學#系列徵文

突然發現這個話題將人體和宇宙誕生的上百億年聯繫在了一起,根據人體元素組成的不同,甚至我們可以追溯每一種元素誕生的時間表,可以簡單的說,我們人體的每一個原子都跟天體的發展有著密切的關係。

人體由哪幾種元素組成?

自然界總共有92種元素,而人體中的元素大約有60種,約佔2/3,常見的一般都集中元素周期表20號內的,比如氫、氧、硫、氮、磷、氯、鈣、鈉、鉀、鎂、碳等,但佔人體比例最高的幾種元素分別為:

氧(O):65%碳(C):18%氫(H):10%氮(N):3%磷(P):1.4%硫(S):0.3%其他元素(鐵、銅、鋅、錳、鈷、釩、鉻、鉬、硒、碘):<0.3%

我們被稱為碳基水基生命,這三種元素佔了人體組成比例的93%以上,所以說碳基水基生命可不是亂說的,人體中含有70%以上的水,而水則由氫元素和氧元素構成,而其他有機物的就是碳的各種化合物,包括我們日常攝入的大量碳水化合物等。

這些元素都是從哪來的呢?

這個應該從元素的差異開始說起,我們知道元素的差異就是原子核的差異,而原子核是由質子和中子構成,質子數的差異就是元素的差異,中子數的差異就是元素的同位素差異。

我們也知道質子和質子或者質子和中子之間是由強作用力結合在一起的。而要讓它們結合在一起就需要耗費大量的能量,並且遵循如下規律:

元素的比結合能

比結合能越高,聚變所需的環境就更極端,所以各位都應該知道,我們身體中的每一個原子都經受過你難以想像的高溫考驗哦,我們從氫元素的誕生開始說起。

氫元素的誕生宇宙中本沒有氫,也沒有時間與空間,甚至有沒有一切,只有一個無比緻密的奇點,在某個時刻這奇點開始了擴張,在這個迅速擴張的空間中充滿了能量,空間擴張溫度下降,當地與夸克膠子相變溫度時,它們開始結合成重子物質

當溫度繼續下降,宇宙誕生三分鐘時這些重子或者重子結合形成了氫、氦與鋰元素的原子核,但此時溫度仍然極高,電子還是游離狀態,宇宙中充滿了自由電子與離子,一直等到宇宙擴張到37.9萬年時這些離子終於捕獲電子,真正構成了原子。

氫元素誕生了,同時誕生的還有少量氦元素和微量鋰元素。

碳元素的誕生質子反應鏈是從氫到氦的重要過程,如下圖:

碳元素是由氦三經過聚變反應生成的,所需的時間比較長,因此在宇宙大爆炸3分鐘時並不足以誕生碳元素,它會在恆星聚變的過程中產生。

4He + 4He + 93.7 keV 8Be

8Be + 4He 12C + γ + 7.367 MeV

Be8生成是不穩的那個的,會在2.6×10^-16S內分裂回氦,但它可以在個時間內捕獲氦原子形成碳-12,這就是碳元素的來歷。

當然並不是所有的恆星都能達到,比如比鄰星就只能到氦,因為它達不到氦四聚變的溫度(約一億K)。

氧元素的誕生氧元素從碳元素聚變而來,它需要6×10^8 K的高溫和2×10^8kg/m3密度條件,

12C + 12C→20Ne + 4He + 4.617 MeV→23Na + 1H + 2.241 MeV→23Mg + n - 2.599 MeV

12C + 12C→24Mg + γ→16O + 24He (吸收能量核聚變反應)

氧也從此時誕生了。

氮元素的誕生跟上文質子鏈反應的產生能量的方式一樣,類日恆星的另一個能量來源是碳氮氧循環。

類日恆星中碳氮氧循環產生的能量只佔1.7%,但計算表明質量更高的恆星可能是能量主要來源。

......略

鐵元素的誕生

中間的元素就不一一介紹了,我們直接上終極元素鐵,這是恆星聚變能達到的最後一種元素,因為鐵以後的元素都需要是吸收能量,聚變是無法形成更重的元素了,但慢中子捕獲可以,重子捕獲生成新元素的過程其實比較容易理解。

中子俘獲後的中子β衰變,生成質子數+1,原子序數+1的重元素,恆星的主序星時代和紅巨星時代主要是慢中子捕獲,儘管效率比較差,但因為時間漫長,所以生成重元素總量仍然可觀,而另外一個就是超新星爆發時的快中子捕獲,這也是另一半重元素生成方式。

氕→氘→氦-4 → 鈹-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 鎂-24 → 矽–28 → 硫–32 → 氬–36 → 鈣–40 → 鈦–44 → 鉻–48 → 鐵–52 → 鎳–56

從氫一路聚變到鎳的過程,如果你不知道哪種鐵之前的元素由來,那麼它基本是由慢中子捕獲誕生的,而鐵以後的重元素則慢中子和快中子捕獲產生,快中子捕獲則需要以鐵原子為基底,快速生成重元素。

當然另一個更高效的重元素方式中子星合併(快中子捕獲,或者自由中子衰變)

咱已經知道了身體中的元素是怎麼來的了,準確的說,氫元素的年齡從氫原子核算起大約138億年了,碳元素和氧元素以及後面的所有大概是133-135億年,總數約有7×10^27個,無論我們怎麼折騰,這些原子都無法消滅,即使百年之後的火化也無法消滅任何一個,不過如果被太陽吞噬,那麼我們可以預估,應該有部分原子會被聚變成更高序數的元素,簡單說就是原子少了,但質能依然守恆。

相關焦點

  • 我們身體的原子最起碼有幾十億歲,人類有辦法消滅一個原子嗎?
    也就是說,如今宇宙的氫原子都有138億歲了,都是在宇宙早期形成的,而絕大部分氦原子也是如此,兩者佔據了目前宇宙元素總量的99%以上。只有極其少的氦原子不是這樣來的。那它們是咋來的呢?核聚變反應氫原子之後的元素,基本上都來自於核聚變反應,產生的場所來自於恆星。我們都知道,恆星是宇宙中的發光天體。它之所以可以發光發熱,主要是因為恆星的質量巨大無比。
  • 地球誕生至今46億年,我們身體內的原子是否也有幾十億年的歷史?
    太陽系誕生至今已有46億年的歷史,地球的年齡也大約有46億年。人類是由原子構成的,那麼是否也意味著人類身體內的原子的壽命也有46億年?這是一個很有趣的問題,深挖一下,構成該宏觀物體的粒子的壽命與宏觀物體的壽命一樣嗎?原子有壽命嗎?它的壽命是多少?
  • 從元素到生命,我們身體每一個原子都是恆星的聚變產物!
    璀璨的繁星打造了我們這個五光十色的世界,這其中就包括我們自己。我們身體中的每一個原子都要麼是恆星內部核聚變的產物,要麼是兩顆恆星相互碰撞的結果。我們每天必需的食物和日常用品,我們的汽車和手機,我們所見的每樣東西——石頭,植物,動物,海洋中的水,空中流動的風……都來自於遙遠的恆星。每顆恆星都是一座巨大而又長壽的「熔爐」,它們酷熱異常的核心使其中的原子相互碰撞而產生新的元素。到最後,多數恆星會爆炸,它們將元素噴射到宇宙中非常遙遠的地方。
  • 《並非瞎懟》01-太陽只是宇宙巨型生物的一個原子
    2.宇宙又超乎想像地微小,相對於細菌病毒,人類就顯得極其巨大,如果病毒像人那麼大,那普通成年人就是一個身高10萬公裡的巨獸。比分子小的有原子,比原子小的有質子、中子、電子,再往下分還有夸克等等,一滴水中有50萬億億個原子,超過整個宇宙的恆星數量。若從這些基本粒子角度看,一滴水、一個細胞、一粒塵埃就是一個宇宙。
  • 每個人都有25%概率,身上的某些原子曾經是莎士比亞身體裡的原子
    記得卡爾薩根的萬物簡史裡說過,每個現代人都有25%的概率,身體裡的某些原子曾經是莎士比亞身體裡的原子。宇宙一百多億年了,幾乎無盡的世界裡肯定會出現一個能夠將基本粒子組裝成有機物,一個適宜蛋白質產生,適宜產生生命的地方。
  • 每個人都有25%概率,身上的某些原子曾經是莎士比亞身體裡的
    記得卡爾薩根的萬物簡史裡說過,每個現代人都有25%的概率,身體裡的某些原子曾經是莎士比亞身體裡的原子。宇宙一百多億年了,幾乎無盡的世界裡肯定會出現一個能夠將基本粒子組裝成有機物,一個適宜蛋白質產生,適宜產生生命的地方。
  • 我們身體裡的每一個原子是不是都有幾十億年的歷史?
    客觀地說,我們身體裡每一個原子年紀都比我們自己年紀還要大,當然我們的壽命在它們面前,可以完全可以忽略不計,實際上,連地球壽命都沒有辦法和它們進行比較。那具體是咋回事呢?我們這裡還是要拆解一下,我們初高中都學過原子結構,原子是由電子和原子核構成的,而原子核又是由質子和中子構成的。(當然這個說法並不精準,但並不妨礙我們對後面的事情進行理解。)也就是說,原子結構想要出現至少需要質子、中子、電子的存在。那三種粒子是咋來的呢?其實就一個字:撞。
  • 人體由大量原子組成,這些原子從哪來?人逝世後原子又會去哪?
    原子看不見也摸不著,但卻發揮著巨大作用,地球內幾乎所有事物都由原子構成,那麼,大量原子是從哪裡來的呢?說到原子,相信大家對它既熟悉又陌生,它廣泛存在於生活各處,但我們無法以肉眼看到它,也無法直接觸摸到它。從定義上來看,它是構成化學反應的最基本微粒,不可以再被分割。
  • ...據英國報導,科學領域的很多激動人心的發明,均無法與人體相媲美...
    北京時間2月4日消息,據英國報導,科學領域的很多激動人心的發明,均無法與人體相媲美,從我們體內的DNA到原子,人體本身就是一個科學奇蹟。  1.人體由星塵組成 人體由星塵組成  你體內的每一個原子都有幾十億歲。
  • 你身體裡有我的原子,也有恐龍和三葉蟲的原子,我們如此的親密
    例如我們在哈勃極深場中,通過使用哈勃望遠鏡對天空中極小一塊區域進行長時間的曝光,觀測距離達到了數百億光年,最終在這個只佔了全天區千萬分之一的小塊區域裡發現了數千個星系。那麼把這個觀測擴展到全天空,所以我們就得出了可觀測宇宙中有2萬億個星系,但這個星系中所包含的恆星遠沒有人體內的原子多。
  • 生命由原子組成,既然原子可以永生,為什麼生命不行?
    據估計,一個70公斤的人,身體內包含10^28個原子,這些原子都來自同一個地方,就是天空中那些發光發熱的恆星。一個原子由質子、中子及電子組成。其中質子和中子為亞原子粒子,我們稱之為重子,由更加基本的夸克和膠子組成,電子為基本粒子,不可再分,我們稱之為輕子。原子的基本性質由原子核中質子數來決定,不同的質子數就創造了不同的元素,不同的元素又擁有不同的化學性質和不同的物理特性。
  • 原子是咋來的?宇宙、原子和人又有著怎樣的故事
    一個原子和人、一個人和太陽系無論一個人體有多複雜,但在本質上我們仍然只是原子的集合。並且數量驚人,我們每個人身體內大約包含10^28個原子。那麼人體和一個原子在規模和大小上到底差距是多少呢?這裡有一個思考原子大小比較形象的類比:把人體的原子數量(10^28個)看成組成太陽系的「一個原子」!太陽系的物質,全部加在一起,包含了大約10^57個原子,也就是說太陽系中有10^29個「人類原子集合」。所以一個原子和人相比,就像一個人和整個太陽系相比。這就是原子和人體的規模大小!
  • 都說我們是星塵,說的不浪漫一點我們只不過是恆星的核廢料!
    這些有序的分子是由原子構成的,而原子是可以保留元素性質的一種元素的最小結構——如碳或氫或鐵元素。氫原子是所有原子裡質量最輕的,在大氣中趨向於上升並逃逸到外太空。因此,氫在地球上相對稀薄,然而在宇宙的大尺度下它卻是所有元素中最常見的。大部分的氫都是在大爆炸後迅速形成的,所以幾乎都有140億歲了。
  • 年紀輕輕的你,身體裡的原子卻有幾十億歲了
    其中,氫是我們人體必需的元素,它來源於大宇宙大爆炸。 話說,在距今138億年前,宇宙起源於一場大爆炸。 因此,我們說人體所必需的氫元素來自於宇宙大爆炸。其實想一想也挺有意思的,雖然人的壽命很少能過百,但是我們身體裡的氫原子卻已經138億歲了。
  • 生命都是由原子組成,既然原子可以永生,為什麼生命卻不行?
    為什麼偏偏只有地球能夠誕生出生命和智慧生物,這一直是一個千古之謎,人類也一直想弄清楚這個未解之謎,可是生命的誕生是一個極其複雜的謎團,不是通過簡單的推理和想像就可以解釋得通的,不過人類依然用他們創立的理論強行解釋生命起源之謎,這種理論就是進化論。
  • 生命都是由原子組成,既然原子可以永生,為什麼生命卻不行?
    ,而在這150萬種動物中又奇蹟地誕生出一種高級智慧生物人類,所以說地球非常神奇,都是同樣的星球,為什麼偏偏只有地球能夠誕生出生命和智慧生物,這一直是一個千古之謎,人類也一直想弄清楚這個未解之謎,可是生命的誕生是一個極其複雜的謎團,不是通過簡單的推理和想像就可以解釋得通的,不過人類依然用他們創立的理論強行解釋生命起源之謎,這種理論就是進化論。
  • 恆星的演變過程會發生什麼?為什麼它對我們這麼意義重大?
    此時此刻,太空中有無數顆恆星在誕生,同時有無數顆恆星在消亡。宇宙中有數不清的恆星,每一顆恆星都是威力無窮的。它們創造了生命最基本的物質,構成了現在包羅萬象的宇宙。這其中就包括了人類,恆星的形成需要氫氣、引力和時間,宇宙大爆炸後太空中充斥著殘留下來的氣體雲即無數星辰,每個星雲都是孕育恆星的搖籃,整個星雲就能誕生數百萬顆恆星。讓我們來回顧一下恆星從出生到死亡的一生,了解恆星經歷的每一個階段。
  • 宇宙如何使我們的生存成為可能?
    僅通過觀察我們自己的身體,我們就可以了解很多有關宇宙歷史的知識。一個成年人就是一個非常複雜的系統,它由數萬億個細胞組成,大約有10^28個原子:原子是地球上所有物質的構建基塊。關於人類造物的科學故事,不僅使我們了解了地球生命的進化和歷史,而且也使我們了解了整個宇宙。
  • 宇宙有140億年的歷史,一百億年絕對是超出了我們可以想像的文明
    除了合適的地理條件外,還要一朵點燃生命的火花,一個偶然契機才孕育出生命。文明的建立全憑運氣。合適的環境能等待生命的誕生,但是建立文明的智慧根本沒法預期。你看恐龍佔領了地球1億年,1億年的時間並沒有讓恐龍進化出文明。智人從樹上爬下來,挺直腰杆走路才過去了300萬年,300萬年的時間已經讓我們設想自己是宇宙裡最高級的文明了。
  • 為啥中子星很小卻可以吞噬質量大很多的恆星,其引力有多厲害?
    因此任何物體都有引力,一個原子,一個分子都有引力。但引力是四種基本力中最小最弱的力,只有強力的千萬億億億億分之一,電磁力的百萬億億億億分之一,弱力的百億億億分之一。因此,小質量物體的引力就非常微弱,很難測量感知出來。而在天體運行中,就顯得異常重要了。現在我們回過頭來說說中子星。