宇宙中的氫元素是怎麼產生的?

2021-01-07 鍾銘聊科學

構成氫需要哪些條件?

要了解這個問題,我們就得先從氫原子自身出發,仔細研究一下要構成一個氫原子需要具備哪些條件。目前來說,根據原子模型,我們知道,氫原子是由一個電子和一個原子核構成的,而原子核內有一個質子。

但這還沒完,根據粒子物理標準模型,質子還是可以再分的,質子是由夸克構成的。

一共是三個夸克,分別是2個上夸克和1個下夸克,其中上夸克帶2/3個電荷,下夸克帶-1/3個電荷。因此,質子的電荷為:2/3+2/3-1/3=1。

但其實這裡還有一個問題,那就是夸克為什麼可以構成質子,這就要提到強相互作用了。

傳遞強力的是膠子,用來把夸克束縛在一定範圍內。夸克只要距離越遠,強相互作用就會越強。因此,夸克其實有點類似於被關了監獄一樣,被困在之子中。這也被稱為夸克禁閉。

除此自外,我們在描述一個粒子時,常常會用到三個物理量,分別是電荷,自旋和質量。對於質子的自旋,目前還沒有完全搞清楚原理。而質子的質量,99%來自於強相互作用產生的能量(根據愛因斯坦質能方程E=MC^2,質能等價,可以換算成質量。),而1%來自於夸克的質量。而根據希格斯機制,夸克的質量來自於希格斯場,希格斯玻色子則是希格斯場的振動。所以,最後,我們可以來總結一下:構成一個氫原子需要:

夸克電子傳遞強相互作用的膠子希格斯場(希格斯玻色子)

粒子的起源

所以,其實科學家通過粒子物理標準模型將四大作用力中除了引力之外的三種力統一了起來。而傳遞這些裡的是基本粒子,這一類粒子也被稱為玻色子。而構成物質的粒子則叫做費米子。

所以,產生氫元素的問題在這裡轉換成了尋找基本粒子起源的問題。而這個問題,其實要從宇宙大爆炸說起。話說在138.2億年前,發生了宇宙大爆炸。

在大爆炸第一秒內發生了許許多多的事情。一開始宇宙開始降溫,空間距離膨脹,四大作用力逐漸分解開來。此時,宇宙出現了各種基本粒子,其中就有夸克和膠子、電子、希格斯玻色子。

後來各種基本粒子在希格斯場中獲得了質量,而在膠子的作用下,出現可「夸克禁閉」,也就是說形成了質子。質子中1%的質量來自於夸克和希格斯場的相互作用,99%的質量來自於強相互作用。

但是,此時的溫度還很高,還是等離子體。隨著溫度進一步的下降,大概在宇宙大爆炸之後的38萬年後,電子和原子核結合成為原子。

因此,其實宇宙開始初期,宇宙中主要的元素就是氫元素,佔比達到了70%多,其次是氦,其他元素還不到1%

其他元素

除了氫元素之外,其實其他的元素是在恆星內部合成的,所以恆星也叫做元素煉丹爐。具體來說,就是恆星的主要分成是氫元素和氦元素。然後恆星的核心發生著核聚變反應。這個核聚變反應有兩條路徑:質子-質子反應鏈和碳氮氧循環。

結果就是,4個氫融合成1個氦-4。發現沒有?這時候順位就提高了。所以,恆星其實一直都在煉「元素」,往原子序數高了反應。

但並不是說,可以一直反應下。由於鐵的比結合能很高,意思是核聚變產生所需要的能量比反應輸出的能量還要大,也就是入不敷出的,大多數的恆星都停在了鐵元素之前。如果,質量還特別大,有可能會產生超新星爆炸,這時候就可以合成鐵之後的元素。

我們地球上的元素就屬於順位很高的那種,就拿木星來說,它成分其實和太陽很像。所以,科學家認為,在太陽系周圍曾經發生了超新星爆發,而地球和地球上所有的東西,都是那一場超新星爆炸帶來的留下來的殘渣。

最後,總結一下,氫元素是宇宙大爆炸早期留下來的。而更高順位的元素需要依賴於恆星和超新星爆發。

相關焦點

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  • 為什麼宇宙的氫元素含量如此高?
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    根據目前的科學理論,隨著時間的推移,宇宙中的氫元素肯定會越來越少,我們宇宙大約在100億年前經歷了恆星形成的高峰期,現階段恆星(主序星)數量會越來越少,這樣下去肯定會有恆星完全消失的一天。恆星形成與演化理論能解釋各種恆星的演化歷程,根據大爆炸理論,我們宇宙誕生於138億年前,宇宙誕生時形成了大量的氫元素和氦元素,大約在大爆炸後的1000萬年,首批恆星開始形成,第一批恆星主要以大質量恆星為主,屬於貧金屬恆星。
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    在阿斯頓對原子質量的精確之後,愛丁頓在1920年時候提出了恆星可能是在氫核聚變成氦核的反應中獲得能量,並且提出了還有可能聚變更重的元素在恆星內核產生的可能!1928年伽莫夫發現兩個原子核在足夠近時強作用力克服質子庫侖障壁的量子隧穿效應,解決了太陽內部最初的核合成問題。
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    在恆星中,氫原子融合產生氦,氦宇宙中第二常見的元素,它有兩個質子,兩個中子和兩個電子。氦氣與氫氣共同組成了宇宙中99.9%的已知物質。儘管如此,宇宙中的氫含量還是比氦高出10倍。第三種最常見的元素是氧,含量為氫1000分之一。一般而言,原子序數越高,元素含量越不豐富。但是,地球的構成與宇宙是不一樣的。舉例來說,氧在地殼中是最多的元素,其次為矽,鋁和鐵。
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    在恆星中,氫原子融合產生氦,氦宇宙中第二常見的元素,它有兩個質子,兩個中子和兩個電子。氦氣與氫氣共同組成了宇宙中99.9%的已知物質。儘管如此,宇宙中的氫含量還是比氦高出10倍。第三種最常見的元素是氧,含量為氫1000分之一。一般而言,原子序數越高,元素含量越不豐富。