元素周期表中的元素都是從哪來的?

2020-08-17 麥克斯韋妖妖靈

我們現在所熟知的元素周期表中的元素都是從哪裡來的呢?它們是由地球創造的嗎?還是早於地球就存在了?宇宙中,別的星球裡,也具有這些元素嗎?

首先我們要明確的一點是,這些元素都是早於地球的存在就存在了。這些看似微小的元素與宇宙和恆星的演化有著密不可分的關係,它們都是在宇宙中就產生的,而非是人類創造或者是地球自主創造的。那它們究竟是如何產生的呢?

第一個來源 宇宙大爆炸

科學界普遍認為,現在宇宙的形成都是源於大爆炸,在宇宙的誕生之初,只有兩種元素,分別是氫和氦,這也是元素周期表中的1號和2號元素。其中氫佔了約四分之三,氦佔了四分之一,二者的比例是3:1。

第二個來源 恆星的核聚變

在宇宙爆炸初期的混沌中,在「星雲」中開始積累和形成,恆星出現了。由於恆星的質量大,引力也大,推動著其核心的溫度和壓強升高,核聚變就開始了。

剛開始,恆星燃燒核心中的氫元素,通過核聚變生成了氦元素,這個過程有可能是質子-質子反應鏈或碳氮氧循環。

產生了氦元素之後呢,氦元素又通過核聚變生成了碳元素和氧元素。

如果恆星本身的引力夠大的話,還能夠進行下一步的核聚變,那麼當中的碳還能聚變成其它的金屬元素,如鈉和鎂。質量足夠大的恆星能夠一直聚變到鐵元素。我們需要了解的一點是,恆星發生聚變是一層一層發生的,像洋蔥一樣,每一層都是不同的。

在這個核聚變過程中,決定了恆星能夠聚變到什麼水平是由它的質量所決定的。

對於小質量的恆星,就是從氫聚變到氦就停止了;

而像太陽的中等恆星還能進一步點燃核心的氦氣,產生新的元素,但是太陽最多也就只能產生氧和碳元素;

而質量是太陽10倍的恆星則可以一直聚變到產生鐵元素。

總結一句話就是說,從3號元素到鐵,都是可以在超大恆星質量內部通過核聚變產生的。

這時候有的同學就發問了,但是我們的元素周期表不止到鐵啊,那其它的重元素哪裡來的呢?

第三個來源 紅超巨星形成、超新星爆炸和中子星合併

這裡我們要先了解一個中子俘獲的概念,中子被原子核強力抓住的過程叫做中子俘獲,分為慢中子和快中子俘獲過程。

當大質量的恆星過完成年期,進入中年期,開始從主序星上消失變成紅超巨星時,鐵-56可以通過慢中子的俘獲過程,產生部分比鐵重的金屬。

超新星爆炸會發射出巨大的能量和光芒,因此在如此大的能量下,快中子的密度極高,於是鐵在這個過程中進行了快中子的復活,因此許多原子序數比鐵還高的原子就出現了。


而另外一些原子序數更高,更為穩定的元素則大多是來自於中子星的合併,因為中子潰散之後衰變成了質子,重元素就產生了,這些元素包括金和銀。

超新星爆炸和中子星合併在太空中都是發生機率相對較少的事件,也正因為如此原子序數高,更為穩定的金屬也更為稀有,更為值錢。

小結

元素主要有三個來源,第一個是宇宙大爆發所形成的氫和氦;第二個是在恆星的核聚變過程中所形成的,但是不同質量的恆星所能產生的核聚變的程度是不一樣的,小恆星可能只能進行氫到氦的聚變;而大於太陽質量10倍的恆星則很有可能一直聚變到鐵元素。然而,元素周期表中,鐵後面的其它重元素是哪裡來的呢?

它們可能是在紅超巨型的行程中、超新星爆炸和中子星合併的過程中產生的。

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