宇宙中氧元素豐度為何排第三位？

原創：魯超

答案都寫在這張圖上

快，盯著這張圖看3分鐘。

看懂了嗎？

看懂了就不用往下拉了，挺累人的~

沒看懂？

那就對了，繼續下拉吧。

傾情預告一下：以下是宇宙終極奧秘，不看遺憾終身，看完終身遺憾~

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首先，氧在宇宙中的排名確實是第三位，僅次於氫和氦這兩種大爆炸元素。

銀河系中的元素豐度排名。因為銀河系比較「平庸」，所以我們相信這和全宇宙的元素豐度差不了多少。

眾所周知，大爆炸「big bang」炸出了氫、氦和極少的鋰。

38萬年後，宇宙中開始發出縷縷星光，在這之後，製造更高級元素的工廠是恆星！

▲宇宙大爆炸

恆星靠核聚變反應將較輕的元素合成更重的元素，一直到鐵，一般認為鐵56原子核的比結合能最高，這首偉岸的舞曲在鐵這裡終於劃上了一個休止符，無法再進行下去了。

鐵之後的重元素主要來自超新星爆炸和雙中子星合併。

此外，在二代、三代超級大恆星的內部，由於質量足夠大，溫度足夠高，加上已有一些重元素，因此也可能會發生一些生成「超鐵元素」的核反應，這被稱為「S-過程」（慢過程）。

從名字就知道這種核反應是極其緩慢的，而且最高也只能生成到82號元素——鉛。

宇宙中，這些重元素的豐度顯然不可能太高，就不在我們今天討論範圍內了。

▲原子核吃進中子，吃多了會「消化不良」，發生β衰變，中子變成質子。這就是慢中子俘獲過程（S-過程）

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這樣，要討論鐵之前元素豐度的問題，就變得簡單了。

無非是兩方面：

1，恆星內部核聚變的路線（確保生產出來）

2，各種元素同位素的穩定性（不衰變掉）

最早提出核聚變是恆星能量來源的是愛丁頓先生，不過他馬上就被打臉了，其他科學家掐指一算，根據經典物理學，需要達到幾百億度的高溫，氫原子核（質子）才能克服電荷排斥力發生聚變反應。

而當時了解到太陽中心溫度大約為4000萬度，這差距顯然太大了。

▲愛丁頓

關鍵時候，伽莫夫來救場了，他在研究阿爾法衰變的時候發現了量子隧道效應。

兩位科學家阿特金森和豪特曼斯把這個效應用在愛丁頓的問題上，成功幫他解了圍。

有個有趣的故事，豪特曼斯和一個妹子夜間散步，妹子看到壯麗的星光，不禁感嘆：星星一閃一閃多美啊！

豪特曼斯自鳴得意的說：「我剛剛知道它們為什麼發光！」妹子不為所動繼續欣賞星光。其實，這個妹子是阿特金森的夫人。

▲阿特金森（左）和豪特曼斯（右）最早證明恆星核聚變可行，私下裡也有一段扯不清的情感糾葛？

阿特金森和豪特曼斯只是證明了恆星內部的核聚變可行，第一條恆星內部的核反應路徑是1938年貝特和維茲澤克找到的——碳氮氧循環（CNO cycle）。

碳12原子核與一個質子（氫原子核）聚合生成氮13原子核，這是一種很不穩定的同位素，它很快發生β衰變，生成碳13原子核，碳13再碰到一個質子生成氮14原子核，這就是氮元素的主要由來。

但是在CNO循環中，氮14原子核還繼續反應下去，和一個質子碰撞生成氧15原子核，氧15也很快發生β衰變，生成氮15原子核，氮15再跟一個質子碰撞，這次生成一個碳12原子核和一個α粒子（氦4原子核）。

碳氮氧循環在1500萬度左右就開始啟動反應，兩位科學家因此而獲得了1967年諾貝爾物理學家。

▲轉了一圈，碳12還是碳12，但是這個循環相當於把4個質子（氫1原子核）變成了一個α粒子（氦4原子核）。碳

等一等，前面不是說了嗎？

宇宙大爆炸只「轟」出了氫氦鋰三種元素，最早的碳氮氧從哪裡來的？

這不是先有雞還是先有蛋的問題啊，這是根本沒有雞蛋也能生出小雞的問題啊！

這問題科學家們早就想到了，就在1938年稍晚點，貝特和克裡奇菲爾德就發現了另一條核反應路徑：質子-質子鏈（p-p鏈）。

原來，在沒有碳氮氧的情況下，氫核（質子）也可以聚變。

p-p鏈有好幾種分支，主流的p-p鏈分三步走：

1，兩個氫核（質子）碰撞生成一個氘核，釋放出中微子和正電子

2，這個氘核與另一個氫核碰撞生成氦3，

3，兩個氦3碰撞，生成一個氦4核和兩個氫核。

p-p鏈在400萬度就可以啟動，我們的太陽中主要是p-p鏈反應，碳氮氧循環只佔1.4%。

而在超過1.3倍太陽質量的恆星內部，碳氮氧循環才會佔據主導作用。

▲質子-質子鏈（p-p鏈）

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從p-p鏈這個反應路徑，可以看出來三個推論：

1，氘比氫更容易發生核聚變反應。大爆炸也生成了很多氘，對宇宙中氘含量的測定，表明宇宙並不是無限年齡，這從另一方面也印證了大爆炸理論的成立。

2，氦3也是理想的核聚變材料，為什麼月球那麼讓人心馳神往啊？

3，鋰在宇宙中的豐度卻比氫和氦少的太多，不成比例，這被稱為「宇宙學鋰差異」。更讓天文學家感到奇怪的是，老恆星裡的鋰很少，反而是一些年輕的恆星裡的鋰更多。

▲2009年的科幻片《月球》，主人公就是在月球上開採核燃料——氦3

研究了質子-質子鏈後，就容易理解：鋰會和氫核反應結合生成兩個氦原子，這種核反應只需要240萬度就可以發生，而這是很多恆星都可以輕易達到的溫度。

好了，鋰元素第一個被排除了。

▲由於鋰的這種核反應性能，太陽上鋰的豐度甚至比地殼裡還要少。

就這樣，恆星中的氫以這些路徑不斷聚變成氦，由於氦比氫重，所以形成一個氦的核心。

然後呢？

當一顆恆星核心中的氫快耗盡時，它就會開始坍縮，直到中心溫度上升到一億度，氦核開始發生聚變，兩個氦核聚合成鈹8，可惜鈹8半衰期太短，很快又衰變成兩個氦核。

如果在「短命」鈹8僅有的壽命時間內，又一個氦核撞上了它，就有機會發生核反應，變成碳12。

這個總反應相當於三個氦核（α粒子）聚變成一個碳核，因此這個過程叫做「3α過程」。

▲「3α過程」：第一步是可逆的，在正巧碰到第三個氦原子的時候，才會生成碳12

在《流浪地球》中，就是大劉的幻想，讓太陽提前進入了這個階段，太陽開始變成一顆紅巨星，最終發生一次氦閃爆炸。

在這期間，「3α過程」極其迅速，恆星中心60-80%的氦在幾秒鐘內全部變成碳，產生的能量幾乎在瞬間輻射出來，讓這顆恆星的光度達到正常太陽的一千億倍，幾乎和銀河系的亮度一樣。

好了，回到化學元素。

通過「3α過程」元素製造生產序列直接從2號元素氦跳到了6號元素碳。

鋰的問題之前說過了，鈹的劣勢在這個過程裡也表露無遺，鈹8半衰期太短，只是這個過程的中間產物，較穩定的鈹9不在這條反應路線上。

硼更慘，根本就不在這條反應路線上。

那宇宙中的鈹和硼是怎麼來的呢？它們來自宇宙射線，也就是說，完全憑運氣。

所以，雖然它們倆是較輕的元素，在宇宙中的豐度卻極其低。

▲鈹和硼的產生源於宇宙射線

然後呢？

在恆星內部，α粒子非常活躍，不僅參與「3α過程」，當恆心中心的碳積累到一定程度時，還會繼續和高級原子核發生反應，和碳生成氧。

再一路反應下去，生成氖20、鎂24、矽28、硫32、氬36、鈣40、鈦44、鉻48、鐵52和鎳56。

相當於不斷向原子核中「塞」阿爾法粒子。這個過程叫做「α過程」，也叫作「α階梯」。

上面提到的這些偶數原子序數的元素也叫作「α元素」！

這條線路在鎳56這裡走到了頭，但鎳56並不穩定，發生電子俘獲會衰變成鐵56。

一般認為鐵56是最穩定的同位素，其實不然，鎳62才是比結合能最高的同位素。

但一方面鎳62不在這條反應路線上，另一方面由於「光致蛻變」作用，高能伽馬射線會切斷原子核，所以宇宙中鎳的豐度遠遠少於鐵。

「α過程」在恆星內部發生的機率很低，且主要以生成氧、氖為主，對恆星的能量產生沒有顯著的貢獻。

由於強大的庫倫勢壘，氖以後的反應更不容易發生。但這畢竟是偶數原子序數元素的一條生路，奇數原子序數的元素盼星星盼月亮都沒這條路線呢……

所以宇宙中奇數元素都比較少。問題又簡化了一步，奇數元素被排除，接下來只要比較碳到鐵的偶數元素就可以了。

然後呢？

和太陽質量差不多的普通恆星走到「3α過程」就到頭了，接下來它們會變成一顆白矮星，主要成分就是碳和氧，有人搞噱頭說這是「鑽石星球」，其實白矮星上的超固態和我們熟知的鑽石是兩種形態。

而當一顆恆星的質量超過8個太陽，其中心溫度超過5億度，密度超過300萬噸/立方米，就會繼續開啟「碳燃燒」路線。

兩個碳原子核聚變生成氖20、鈉23、鎂23、鎂24和氧16。其中，前三者是主反應。

這個過程中，雖然氧的產出很少，但氧坐觀「小弟」碳的「燃燒」，而最大限度保留了自己，所以「碳燃燒」的最終結果是產生一個氧，氖，鈉和鎂的內核。

你可能以為，這種燃燒的條件如此苛刻，應該持續很長時間吧？

其實不然！

基本上是越重的恆星反應速度越快，對一顆25倍太陽質量的恆星來說，僅僅600年，就足夠「碳燃燒」殆盡了！

然後呢？

你可能以為，按照座次，應該輪到「氧燃燒」了吧？

其實不然！氖元素說：「氧小弟別急，先等等，我先上！」

當「碳燃燒」結束形成一個氧，氖，鈉和鎂的內核後，恆星中心的溫度和壓力繼續升高，達到12億度，密度超過400萬噸/立方米後，就會啟動「氖燃燒」，這個條件並不比「碳燃燒」難很多。

和之前的核聚變反應不一樣，「氖燃燒」並非氖核和氖核的反應，而是在強烈的伽馬射線輻射下的「光致蛻變」反應。

氖核在受伽馬射線激發後，變成氧16和一個α粒子；也有一部分氖核繼續發生α階梯反應，和α粒子結合變成鎂24。

因此「氖燃燒」的結果是生成更多的氧和鎂，你開始理解為什麼氧比碳多了吧？

「氖燃燒」的另一個結果是：鎂是宇宙中最多的金屬元素。

▲連結請點擊閱讀原文

「氖燃燒」大約持續數年，留下了一個氧和鎂的內核，如果恆星足夠大，讓中心的溫度達到15-26億度以上，密度達到260-670萬噸/立方米的時候，氧元素：「終於等到要出場了嗎？我要燃燒！」

▲宇宙第三大元素——牧紳一：終於輪到我出場了嗎？

氧燃燒是兩個氧原子發生聚變，生成矽28（34%），磷31（56%），硫32，硫31，矽30和磷30。根據不同恆星的大小，這一過程最長持續5年，最短3天就結束了。

氧燃燒完以後，留下一個矽和硫的內核，如果恆星足夠重，中心溫度達到27-35億度，就會啟動恆星的終極燃燒——「矽燃燒」。

一個個α粒子被「塞」進原子核，依次生成硫、氬、鈣、鈦、鉻、鐵、鎳。這個過程很快，一天就結束了，這時候，恆星的中心已經達到了50億度。

由於沒有額外的熱能可以通過新的聚變反應產生，恆星只能以崩潰的方式結束，發生壯麗的超新星爆炸，恆星的中心部分現在要麼被壓成中子星，要麼變成黑洞。

恆星外層被噴射出，在中子流中產生鐵以後的重元素。

這一段也不能說跟氧完全沒有關係，噴射出的外層裡面就有氧。

▲宇宙中元素的來源圖

總結一下

1，其他元素先天不足，要麼不在主流的反應路線上，比如鈹、硼和大多數奇數元素；要麼反應太容易，成為反應原料，比如鋰。

2，大多數恆星都是屌絲恆星，最終的結局是碳和氧。高富帥恆星中心的最終結局是中子星、黑洞，這已經超越元素周期表了。

3，碳燃燒、α過程和氖燃燒都會生成氧，產量太大，擋不住！

現在你懂得下面這張圖的意思了嗎？

原來，碳燃燒完之後並不是氧燃燒，而是氖燃燒，即使是氖燃燒，也會生成氧。C、Ne、O三個圈層裡面，都有氧的存在。

經過各種因素的排列組合，氧終於成功登上宇宙元素排行榜的季軍！不容易啊！

正是因為宇宙中有如此多的氧元素，才有了我們人類在地球上的幸福生活。

地球上，氧是地殼中豐度最高的元素，竟然佔到49.2%的質量。各種各樣的礦物，大多數都是以氧化物或者鹽的形式存在著。

就是再深入一點，到了地幔，氧的豐度仍然是最多的，佔到44.8%，可以說，氧幫助把眾多的元素固定在地球上。

在大氣中，我們都知道，氧氣佔有21%，這些活躍的氣體支持著生物的生長，氧氣真是生命的氣息。

至於在海洋中，氧元素就更多了，佔到了88.9%，我們知道這就是氧在水分子中的比例。

水是由氫和氧組成的，我們幸運的地球上有足夠多的氧氣，將氫元素固定在海洋裡，否則，原子量最小的氫元素將在太陽風的吹拂下散逸到太空中，地球上也就無法有這麼多水，更難以產生生命。

地球上，除了最深處的地核，在大氣、地殼和地幔中，氧元素的含量都是最高的。

總之，感恩氧元素吧！感恩宇宙吧！

看了這麼多，你要是還不相信人擇原理，我睡著了都會被你氣醒！

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