元素周期表上面的元素,看上去好像都是一個微觀問題。實際上,它們的形成和宇宙的演化,恆星的演化等是分不開的。元素其實有多種來源,接下來,我們就來簡單聊一聊元素周期表上的元素是咋來的,尤其是鐵元素之後的元素是咋來的。
宇宙大爆炸
按照如今最主流的理論,宇宙起源於一次大爆炸。關於這個理論目前有3個堅實的證據分別是:
哈勃發現的星系紅移宇宙微波背景輻射氦原子豐度宇宙中的氫和一部分氦都是在宇宙早期形成的,其中氫就佔到了宇宙總量的70%左右,剩餘的幾乎都是氦。
恆星演化
宇宙大爆炸2億歲左右,宇宙中出現恆星,這類天體一直到今天都是宇宙中的主流。而恆星絕大多數的成分是氫和氦。而恆星的內核一直在發生核聚變反應,促發核聚變的是恆星自身的引力,使得核心的溫度以及壓強升高,在弱力的作用下,氫原子核發生核聚變,產生氦原子核。這個過程主要有兩條路徑分別叫做質子-質子反應鏈和碳氮氧循環。
當氫燒得差不多後,如果引力足夠大,還能夠繼續引發氦的核聚變,生成碳原子核和氧原子核。
同樣的,如果引力還足夠大,那還能繼續引發核聚變反應。尤其是10倍太陽質量的特大恆星,它的核心核反應可以一直反應到生成鐵,而由於內核的溫度太高,使得整個恆星外圍也在發生核聚變,而且每層都不一樣,就像洋蔥。
(這裡補充一點,實際上這類恆星內核的最中心部位還是可以產生一點原子序數大於鐵的原子核,比如:鋅原子核。)
可能很多人就有疑問了,為什麼是到鐵原子核?
這是因為從原子核的層面來看,鐵原子核是最穩定的,我們也叫做比結合能最大。
因此,原子序數在鐵元素之前的元素原子核都有聚變的傾向,意思是發生核聚變可以產生大量的能量;
而原子序數小於鐵元素的元素原子核有裂變的傾向,意思是發生核裂變可以產生大量的能量。
而鐵是很奇葩的,鐵原子核的核聚變反應所需要的能量是要比反應後產生的能量要多,也就是說這個過程是入不敷出的,是賠本的買賣。因此,讓鐵原子核發生核聚變是最難的。
但是難,並不意味著不能發生,只要引力足夠大,還是可以促發鐵的核聚變反應。這時候,恆星內核的光子會擊穿原子核,釋放出大量的中子和質子,質子和電子發生反應生成中子和中微子,內核在引力的作用下,最終成為一顆中子星。(當然,也可能產生黑洞。)
超新星爆炸和中子星合併
在這個過程中,同時還會伴隨著超新星爆炸。而超新星爆炸的過程就會產生很多原子序數比鐵元素高的原子。
但是,一些原子序數更高的,更穩定的元素,比如:金或者銀。它們只有很少的一部分是來自於超新星爆炸,更多的是來自於中子星的合併。
我們要知道,超新星爆炸本身就不是很常發生,中子星的合併事件就更少了。所以,像金這種元素才會如此貴重,畢竟物以稀為貴。同時也意味著曾經在太陽系附近出現過中子星,甚至是發生中子星合併的事件。
以上就是元素周期表上的元素的主要來源,我們最後來簡單總結一下,氫和氦是在宇宙大爆炸早期形成的;鐵元素之前的大多數元素主要就是這麼形成的;而鐵之後的元素主要依靠的是超新星爆炸以及中子星合併。
這個情況同樣適用於地球,人體內的氫就是宇宙誕生之初就形成的,也就是說,你的年齡和你體內氫原子的年紀比起來完全可以忽略不計,因為它已經138億歲了。而人體內的其他元素基本上都是在恆星演化和超新星爆炸中形成。因此,它們的年齡至少也要大於太陽系的年齡,也就是說,它們至少有45億歲了。