如果最初宇宙中只有氦、氫和少量鋰,那麼其它化學元素從何而來?

2020-11-25 悟空科學世界

我們身邊的一切,例如日常物品、生命和無生命的物質,它們都是由原子構成的。通過化學鍵,簡單物質的原子可以產生更複雜的物質,例如,兩個氫原子和一個氧原子可以形成水,如果沒有這些,那麼地球上就不可能有生命。迄今為止,已知的化學元素有118種,但情況並非總是如此。

最初,自然界中是沒有化學元素的。新生宇宙就是一種膠子和夸克的混合物,後來它們逐漸融合成質子和中子。

待它們合併之後,這就導致了太空中出現的第一批化學元素,即:氦,氫,和可以忽略不計的鋰。在此刻,宇宙冷卻得如此之快,以至於不再形成新的元素。

但是,其餘元素又從何而來呢?

為了豐富元素周期表的多樣性,則宇宙需要空間反應堆——恆星。從比太陽小十倍的矮星到像參宿七這樣的超級巨星,所有的恆星都以同樣的方式開始的。

通過燃燒核中的氫,然後將其轉化為氦氣,同時釋放出輻射能。隨著時間的推移,消耗了氫燃料的小恆星會變成了紅巨星,這為氦創造了有利條件。在合成的過程中,碳和氧的生成量相對較小。在這一點上,小恆星的作用已宣告結束,因為它們根本沒有足夠的質量來點燃碳。

但是,除了小恆星的力量之外,它還位於發光體的「肩」上,其質量是太陽的五倍或更多倍。如此一來,它們合成氧、鈣、矽和其他元素,從碳到鐵和鎳。然而,在這個階段,大多數大質量恆星開始出現問題。事實上,鐵參與熱核合成的過程中,並不是隨著能量的釋放而發生的,而是隨著能量的吸收而發生的。恆星核心所產生的能量是唯一能阻止恆星坍塌的東西。在核心中,鐵的形成會導致能量的損失,結果導致大質量恆星失去了平衡,在一秒鐘的時間裡被壓縮,然後發生超新星爆炸,將外層和產生的化學元素一起拋向太空。但元素周期表中的鐵僅排在第26位。

在熱核反應中,如果形成沒有比鐵更重的物質,那麼銅、銀、金、鉑和其他元素又來自哪裡呢?

對於這個問題,人們有不同的看法。有一種觀點認為,在超新星爆炸的過程中,原子核高速散射時與中子發生碰撞,並「過度生長」。部分中子轉化為質子,原子核的原子序數增加,從而產生一個新的較重元素。這就是所謂的R-過程或快速中子俘獲。人們認為,可以用這種方式來形成鈽元素。

另一種觀點認為,當中子星合併,然後釋放出能量和物質進入太空時,R-過程就會被觸發。這些恆星中含有大量的中子,因此,它們與原子核相互作用,使原子核富集,併合成新元素。但在這兩種情況下,很可能發生重元素的形成。

因此,你周圍的一切,都是星星生命的產物。你呼吸的空氣,你喝的水,你手指上的金戒指,以及你身體細胞中的碳,都是數十億年前在恆星內部產生的。

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