原子是咋來的?宇宙、原子和人又有著怎樣的故事

2020-12-05 李論科學

本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文

我們每一個人都是由原子組成的宇宙，多個原子組成簡單的單體分子，然後組裝成複雜的有機大分子，這些大分子又組成細胞的細胞器。這就是你，一個由大約75萬億個特殊細胞組成的集合，今天我們聊下：宇宙、原子和我們的故事！

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！

而組成人體的每一種原子都有自己的故事，並可以追溯到宇宙的誕生時期。

宇宙和原子的故事

大約137億年前，宇宙中還不存在任何形式的物質。所有的物質和能量都已真空勢能的形式存在，大約在10^-36秒真空勢能導致宇宙開始暴漲，10^33秒暴漲結束，真空勢能衰變為物質粒子，宇宙進入再加熱階段，這時就形成了夸克膠子等離子湯，這就是我們所說的大爆炸的開端！由於此時宇宙的溫度太高，密度太大，夸克和膠子也無法凝聚成重子物質。

但是宇宙膨脹和冷卻的速度非常快。不到一秒鐘，夸克和膠子就可以凝聚成了穩定的質子和中子，它們是構成所有原子核的基本構件。

此時的質子試圖與中子融合形成氘，但是宇宙的輻射能量太高，形成的氘不到一納秒就被高溫電離，所以還需要再等待宇宙的繼續膨脹！

大約三分鐘後，一些中子衰變為質子，最後宇宙冷卻到足以形成穩定的原子核。質子和剩餘的中子很快形成了氘，然後是氦-3，最後氦-3與一個氘融合，變成了氦-4原子核。宇宙初期只有8%的原子變成了氦-4；另外92%的原子只是普通的質子，也被稱為氫核。

從原子核形成到第一個中性原子的形成，宇宙又經歷了38萬年的持續膨脹和冷卻！直到溫度降低到質子和電子可以穩定的結合在一起。中性原子形成意味著宇宙從一鍋炙熱的等離子體濃湯變的開始透明了，光子可以不在受到任何阻擋，沿著最後的方向傳播，這也是宇宙大爆炸後第一次發出的光，被稱為大爆炸的輝光——微波背景輻射！

在接下來一億年左右的時間裡，宇宙一片黑暗，充滿了大量的原始氣體雲，萬有引力開始發揮了它的魔力，一些密度稍微高一點的區域開始以越來越快的速度吸引周圍的物質，隨著溫度和壓力的升高，在坍縮中心點燃了核聚變，宇宙的第一代恆星形成了！但絕大多數原子，超過95%都不是第一代恆星的組成部分。

原子在形成恆心以後，會在高溫下再次被電離！而此時宇宙的氣體雲都是由濃密的中性原子構成的，而中性原子會吸收大部分的可見光，所以這時的宇宙被稱為黑暗時期，也就是不可見時期！

第一代恆星形成以後，由於強烈的輻射，也會電離一部分周圍的氣體雲。

但大多數原子被包裹在密集的分子雲中，不會受到輻射的影響。所以宇宙還需要大量的恆星，來進行徹底的電離！這個電離過程經歷了十億年的時間，宇宙進入了透明時期！這也是我們一抬頭能看見星星的原因，因為大部分可見光可以穿過星際氣體雲到達我們的眼睛！

在恆星中原子失去了電子，被緩慢的沉降到恆星的核心，在恆星的核心中氫核融合成氦核。當核心耗盡氫燃料時，氦又開始聚變，形成一個碳核！

大質量恆星會將碳核一直聚變到鐵，還有少量的鈷和鎳。當恆星的核心停止核聚變時，坍塌過程中重力勢能會爆發出巨大的能量，恆星會在超新星爆發中死亡，而恆星一生中產生的元素會被拋灑到星際介質中，這些元素在星際空間中又存在了數十億年。

原子和我們的故事

在宇宙中，大量的恆星不停的經歷著生死周期的循環，豐富著星際介質中的元素，星際介質又會在引力的作用下，開始聚集，恆星再次形成。

在銀河系的一個不起眼的角落裡，也發生著同樣的事情！這是我們太陽系的原始行星盤，我們的太陽，地球包括太陽系的一切，都在這裡形成！

從宇宙誕生創造的氫元素開始，到恆星的形成、到我們地球的形成！我們已經獲得了元素周期表中所有的元素，它們構成了這個多樣化世界的基石！例如：恆星核聚變產生的碳原子會與四個氫原子結合，變成甲烷，隨著時間的推移，甲烷又會經歷了數百萬種不同的化學反應，構成更複雜的分子結構！

而這些分子在生命誕生的過程中成為細菌DNA的一部分，然後成為植物細胞壁的一部分，最終成為一個複雜有機體的一部分，它們也直接構成了我們人類，或者形成食物，被我們吃掉！

這個碳原子目前有可能就在你的一個紅細胞裡，在紅細胞裡它會持續大約120天，直到這個細胞被另外一個細胞所取代。

雖然我們身體內所有的細胞都進行著生命循環，但你仍然是原來的你，原子只是在你體內或體外發揮著不同的功能。

這些原子或者分子會根據你身體內DNA編碼的指令，不停的複製出新的細胞來更換你身體裡凋亡的細胞，這個過程中每一次使用的原子都是不一樣的。

總結：一個原子的宇宙，宇宙中的原子

在你身體裡的10^28個原子中，每一個都有一個壯觀和獨特的故事！費曼有句名言，

「我/一個原子的宇宙/宇宙中的一個原子。」

宇宙的故事就在你身體裡的每一個原子裡。所以我們的故事可以追溯到137億年之前，這就是你。一個原子的宇宙，這個宇宙中的一個原子。

相關焦點

  • 原子有著怎樣的真實故事!
    根據質子和中子的數量的不同，原子的類型也不同，質子數決定了該原子屬於哪一種元素，而中子數則決定了感染子是此元素的哪一種同位素。那好，那麼我想你已經對原子有了一定的了解，那麼我們就要繼續深入。原子核又是哪般模樣？讓我來解釋原子核，並不是你想的那樣。你現在可以把原子整體想像成一個足球場，那麼原子核的大小就相當於麗莎，而電子又比原子核小一千倍。
  • 宇宙和原子有什麼關係?科學家:原子放大之後就是宇宙!
    宇宙是原子的可能性有多大？科學家：原子放大之後就是宇宙宇宙和原子是世界的兩種極端現象。宇宙有無邊界，範圍又是如何一直困擾著人類，目前科學家認為：宇宙可觀測直徑為920億光年。那麼極端微小的原子其直徑又是多少呢？
  • 宇宙中第一批原子是咋來的?科學家如何測量這些元素的豐度?
    宇宙中的第一批原子是怎樣形成的大爆炸模型不僅告訴了我們宇宙應該在什麼時候第一次形成中性原子，而且還告訴我們第一次形成原子的類型是什麼？現在的宇宙正在膨脹和冷卻，這意味著在遙遠的過去，宇宙溫度更高、密度更大！
  • 原子之間的愛情,你是否還記得原子之間是怎樣吸引組成分子的
    我們整天研究宇宙，看量子力學，說相對論，可不能把最基本的知識都忘了，我相信有很多小夥伴已經講不出為什麼原子之間會互相吸引組成分子？時間太久遠已經忘了。所以今天就補補課。先看元素周期表。神奇的數字8，電子在核外怎樣排列原子最外層電子稱為共價電子，而共價電子的數目決定了一個原子的需求。當時，我們所學習的大多數原子都有個神奇的數字8。最外層不滿8個電子的原子，寂寞而不滿足，它們想跟別的原子結合，因此會把彼此最外層的軌道混在一起，共享共價電子。
  • 原子放大1億倍會怎樣,其結構如何,是宇宙的縮影嗎?
    有人說，一個原子放大1億倍就是一個宇宙，現在我們就生活在這樣的原子裡。這種說法沒有任何根據，但代表了不少人的想法，有必要正本清源地說一說。這個問題已經不是科學問題，而是心靈雞湯的延伸。許多人崇信所謂一花一世界，一葉一菩提的佛學境界。
  • 原子的組成是什麼,原子的結構怎樣運作,原子怎樣組成物質?
    但原子是什麼，它們是如何像構造建築一樣組成物質呢？原子序數所有的物質都由原子組成。一個原子有一個由質子和中子組成並且被零或多個電子環繞的核心。為了把原子分類，我們需要知道它有多少質子、中子以及電子。原子的質子數決定了它是哪種元素。例如氧原子總是有8個質子。碳原子總是有6個質子。
  • 宇宙是如何創造出原子的？
    我們在地球、太陽系甚至宇宙中所看到的一切，它們全部都由相同的東西組成——原子。電子和原子核相互作用並連接，形成單個原子，原子接著形成或簡單、或複雜的分子，分子然後產生今天整個宇宙的宏觀結構（同時還產生了生命）。
  • 宇宙是被禁錮的原子?將原子放大2000萬倍後,發現答案沒那麼簡單
    宇宙中擁有很多人類難以理解的事物，其中讓人們最難以理解的就是宇宙到底有沒有邊，對於這個問題，人們基本是有兩個說法。一部分科學家認為宇宙有邊，還有一部分科學家認為宇宙是沒有邊界的，認為宇宙有邊界的科學家認為宇宙可能就是類似於原子的結構，人類可能禁錮在宇宙中！
  • 3分45秒原子核形成、38萬年中性原子形成,這些時間是怎麼來的?
    ——愛因斯坦大爆炸理論提出以來，我們不僅知道了宇宙是怎麼來的。而且在宇宙演化的細節上，在元素形成和星系形成等問題上，我們還知道了非常具體的時間間隔，也就是時間節點，例如下圖中所標註的時間點，那麼科學家是從哪裡得到這些數字的？這些數據又從何而來？今天就說宇宙時間節點的問題。
  • 德謨克利特:世界由原子和虛空構成,萬物皆從原子演化而來
    2事物運動問題那麼問題就來了，這些完全擠在一起的元素要怎樣運動？就好比一輛塞滿的人的公交車，車上的人怎樣自由運動？小愛 如果公交車上擠滿了人，那人在公交車內就不能自由移動；如果元素完全地擠在一起，那么元素也不能移動。那這樣的話，豈不是運動就又不存在了？為了解釋運動現象，德謨克利特的老師提出了「原子」和「虛空」的概念。
  • 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?
    其實一直以來，人類一直都在思考一個終極的問題，那就宇宙到底是如何演化的。而奇妙的是，這個問題的解決，竟然是由一幫核物理學家搞清楚的，核物理學家其實就是研究微觀世界，比如：原子模型，原子核內部的世界，基本粒子等等。換句話說，宇宙這個最大的尺度的演化，實際上和與最小尺度的微觀世界是統一起來的。兩者並不如一般人所想像的那樣是撕裂的。那具體是咋回事呢？
  • 宇宙難道真是一顆巨大的原子?若將普通原子放大一億倍又會如何?
    最近，本仙就聽說了一個有趣的理論，有科學家認為宏觀世界的盡頭就是微觀世界的起始，即宇宙就是原子！這個理論的有趣之處就在於宏觀和微觀是可以互相轉換的，這顛覆了宇宙大爆炸理論，超越了時空理論，甚至涉及到了維度的轉換。
  • 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
    我們的關係如此緊密，無時無刻不在互相交換的物質，但是你我卻有著不同的意識和生活，並不相識，實屬可惜。我們知道人體在宏觀意義上是由各種器官組成的，但是在細分下去，這些器官之下就是細胞，細胞之下就是分子和原子。不過我們先從細胞的角度來說，我們能想到的人體中的各種器官其實只佔了人體總細胞的4%。
  • 比原子還小的奇點,為什麼能炸出整個宇宙?這是真的麼?
    如今人們的視野就遠大於以前的人，已經是拓展到了宇宙環境中。如今大家應該都知道地球只是宇宙中非常平凡的一顆小行星，可以說在太空中看來是非常不起眼的。而且宇宙是大到無法想像的，以人類現在的科技水平，能探測到宇宙的直徑範圍大概為930億光年，然而這還不是宇宙的真實大小。更加令人無法想像的是，時隔138億年，宇宙還在向外膨脹著。
  • 人體由原子構成,在人死後原子又將何去何從?
    筆者：三體-小遙隨著科學技術的不斷發展，我們對外界和自身都有了一定的認識，無論是從宏觀還是微觀角度，宇宙總會帶給我們全新的啟發。時至今日，我們雖然沒有破解生命誕生之謎，但是根據相關研究已經了解到原子是構成生命的重要物質。
  • 原子結構中的電子云結構,是誰提出?故事精彩
    原子結構中的電子云結構是誰提出的1897年，J.J.湯姆遜在研究陰極射線的時候，發現了原子中電子的存在。這打破了從古希臘人那裡流傳下來的「原子不可分割」的理念，明確地向人們展示：原子是可以繼續分割的，它有著自己的內部結構。
  • 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？宇宙大爆炸我們要從宇宙大爆炸說起，我們現在知道宇宙誕生於一次大爆炸，大爆炸之後短暫的時間內，宇宙中只有光子，夸克等基本粒子，宇宙「基本上」可以看成是純能量的，原因是像電子，質子，中子都沒有出現，更不要說原子了。那早期的原子結構是咋來的呢？
  • 孟勝:原子的故事——解讀原子的奧秘雲裡·悟理-第8課
    為了聯繫微觀和宏觀，人們採用「阿伏加德羅常數」來聯繫宏觀和微觀的質量。阿伏加德羅常數也稱為一個摩爾的原子數，它大概是6×1023個。也就是說，1摩爾的碳原子，它是多重呢？6×1023個碳原子，它的質量是12克，那麼單個原子的質量也就很容易得出了。 原子有多少種類？
  • 氫的史詩:原子模型
    【能源人都在看，點擊右上角加'關注'】前面說到，在氫的可見光譜中，埃斯特朗標出了四條暗線的波長，然後瑞士數學教師巴爾末費老大勁了，終於找出了可以把這四個波長數字聯繫起來的一個公式。雖然只是一個純粹的數字遊戲，但巴爾末卻向世人證明，原子譜線的背後一定有著某種不為人知的物理規律。誰能發現這個規律？
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    審核：小文引言:世間萬物都是由基本物質組成的，而學過中學化學的朋友就知道，基本物質都是由基本粒子組成的，其中基本粒子就有原子和離子。那麼你知道原子內部結構是怎樣的嗎？原子和離子存在什麼關係呢？在大多數人看來，宏觀世界才是最精彩的，因為在地球上存在各種各樣的生物，在人類社會中存在形形色色的人。然而也有人認為，微觀世界同樣精彩，只是很少人能夠發現其中的奧秘。無論是宏觀世界還是微觀世界，它們都是由物質組成的，而物質則是由基本粒子組成的，常見的基本粒子就有原子和離子。