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。