化學元素周期表中的元素從何而來？

「化學元素周期表不僅僅是對宇宙中所有已知原子進行排序的列表，它本質上是幫助我們更好地了解我們周圍世界的一個窗口。」

---聯合國教科文組織總幹事阿祖萊

談到化學元素周期表，你是否回想起中學化學課上背誦化學元素時的情景？那麼在認識化學元素周期表時，你是否思考過這樣一個問題：這麼多的化學元素究竟是如何誕生的呢？這就要追溯到宇宙的起源。

氫、氦與宇宙大爆炸

我們都知道，宇宙起源於距今1 3 9億年前的一次大爆炸。宇宙大爆炸剛剛誕生幾秒之後，開始形成質子，中子，電子，光子等基本粒子，但由於宇宙的溫度極其的高，使得粒子都處於高速運動中，無法結合成重於氫的穩定原子核。

在大爆炸發生的幾分鐘後，宇宙的溫度降低到大約十億K的量級，少量的質子和所有中子結合產生重氫核，並經歷一連串的核反應將大部分重氫轉變成穩定的氦原子核。而大多數質子沒有與中子結合，形成了氫的原子核。

隨著宇宙的逐漸冷卻， 大約38萬年後，電子和原子核可以結合成為氫原子和氦原子。至此，宇宙中的氣體主要由氫原子和氦原子構成，他們幾乎佔據了宇宙總量的99%以上，其中氫獨自佔到了75%， 氫是宇宙大爆炸之後最先形成，也是存在數量最多的元素。

宇宙射線散裂

宇宙射線是來自外太空的帶電高能次原子粒子，如質子、α粒子、電子和許多較重元素的核。當宇宙射線與星際物質碰撞時，原子核會分裂變成各種各樣的粒子。這種過程被稱為散裂，通過對散裂的研究顯示，它可以裂變成較輕的元素——鋰、鈹、硼原子核。

恆星核聚變反應

宇宙繼續演化，數億年後，由於星雲的引力作用，氫和氦氣體相互凝聚並逐步形成恆星。我們都知道，核聚變反應使恆星能夠發光發熱，就像現在的太陽那樣。

恆星由於自身的質量十分巨大，在自身引力的作用下收縮，內核的溫度不斷升高，當提升到1000萬度以上時，開始發生氫核聚變反應，將4個氫原子核融合成1個氦原子核，並放出非常大量的能量。當恆星中的氫消耗殆盡之後，繼續啟動氦原子核的核聚變反應，生成碳原子核。

對於質量小於太陽8倍的恆星，一旦氫氦聚變結束，生成碳元素，由於質量不足，內核無法達到碳核聚變反應溫度，它的外層就會脫落，形成行星狀星雲，而殘留下的核心，就是白矮星，然後逐漸暗淡冷卻下去。

質量大於10倍太陽的恆星，在氦原子核聚變結束之後，還會繼續不斷地促發新元素的核聚變反應——碳原子核聚變，然後是氧核聚變，氖核聚變，鈉核聚變……整個核聚變反應最終只能到生成鐵。

這些質量特大的恆星由於內核要促發核聚變反應所需的溫度非常高，導致其外層的溫度也隨著升高，於是恆星外層，甚至整個恆星也開始發生核聚變反應，而每一層是不同元素原子核的核聚變反應，越是容易發生核聚變的輕元素越是在外層，如下圖所示洋蔥一般的分布。

看到這裡，你是否有這樣的疑問：為何恆星核聚變產生的元素只能到鐵？這是因為鐵的比結合能最大。而比結合能越大，原子核中核子結合得越牢固，原子核越穩定。可以簡單地理解為，要把鐵原子核拆開，所需的能量最大。鐵也是核反應的臨界點。原子序數在鐵元素之前的元素原子核通過發生核聚變可以產生能量，而鐵元素以後的元素聚變反而要吸收能量。但鐵以後的元素發生核裂變可以產生能量。由此可見，鐵核聚變和裂變反應的條件都非常的苛刻。但在特大質量恆星內部，在超強引力作用下，理論上是可以實現鐵核聚變反應的。

上面提到，恆星內部通過核聚變反應產生的能量，產生對外的壓力平衡萬有引力。但鐵核聚變反應過程中釋放出的能量又小於吸收的能量，所以是個吸熱的過程。這樣會不斷消耗恆星內部的能量，導致恆星沒有足夠的能量抗衡中心引力，致使整個星體外殼層向中心塌陷，最終發生劇烈的超新星爆炸。可見，鐵的核聚變反應使恆星的生命走向了終點。

超新星爆發

超新星爆炸是最壯觀的宇宙事件，它的威力無比巨大，發生時的亮度可以照亮其所在的整個星系，產生的能量超過太陽幾十億年釋放能量的總和。爆炸過程中產生的能量和恆星碎片相互作用，可進一步合成出鐵以後的重元素，同時將產生的重元素以爆炸的形式散布到宇宙空間中。超新星是恆星演化的一個十分關鍵的階段，超新星爆發為宇宙中生命的形成提供了非常重要的重元素來源。感謝那些犧牲自我照亮太陽系的恆星，才有了當今豐富多彩的世界。

在超新星爆發過程中，恆星內核結構發生了巨大的改變，原子的外殼和原子核都被壓破了，中子和質子被擠出 ，質子和電子發生反應，並生成中子和中微子。恆星在超新星爆炸後，內核在引力的作用下坍縮，這時如果內核質量超過1.44倍太陽的質量，而小於3.2倍太陽的質量，所有的中子聚集在一起之後就構成了中子星。而如果內核的質量大於3倍的太陽質量，中子星會不穩定，內核將進一步坍縮形成一個黑洞。

中子星合併

中子星是超新星爆炸的殘餘物，它具有極大的密度（每立方釐米重1億噸以上），質量約為太陽的2倍。當兩顆中子星靠近時，它們在彼此引力的作用下互相圍繞運動，最終碰撞在一起的時候，不僅會產生巨大的引力波，而且會產生大量的原子序數高於鐵的元素，比如鉑、金，銀，碘、鈾、鉍等。

2017年人類首次探測到距離我們1.3億光年的雙中子星合併的新型引力波以及對應的電磁信號。科學家通過對此次引力波光學信號的觀測和光譜分析，首次提供證據證實，中子星合併是宇宙中金、銀等元素的主要起源。中子星的相撞十分罕見，可能10萬年僅有一次，並且只產生少量的重金屬。所以地球上黃金總的儲存量與別的金屬相比是非常少的，這也正是它珍貴的原因。

綜上所述，化學元素的形成和宇宙的演化是密不可分的，其主要的幾種不同的元素來源：

氫，氦元素來自於宇宙大爆炸；

鋰、鈹、硼元素來自於宇宙射線散裂；

恆星核聚變可以生成氦到鐵之間的元素；

鐵元素之後的的大部分重元素源自於超新星爆炸和中子星合併。

天文學家卡爾·薩根曾經有過一句名言：We Are Made of Star Stuff.我們都是來自星塵。現在我們由宇宙的生命歷程可以認識到，構成我們身體的基本元素都來自於宇宙深處，都是曾經大爆炸時的萬千星辰散落後組成的，不僅僅是我們自身，我們所接觸到的世界上的一切物質皆源自星塵。