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元素周期表上的元素从何而来?

宇宙元素是如何形成的


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元素的旅程始于大爆炸的最初时刻,当时我们的宇宙只有几秒钟到几分钟的历史。

元素周期表上的元素从何而来?

大爆炸模型认为一场剧烈的爆炸产生了现在的宇宙。(Image credit: Getty images图片来源:盖蒂图片社)

我们都知道宇宙包含大量的元素,从很轻的气体(如氦气)到很重的金属(如铅)。但是所有的元素都是从哪里来的呢?

元素的旅程始于大爆炸的最初时刻,当时我们的宇宙只有几秒钟到几分钟的历史。当时,整个宇宙被塞进了一个比今天小数百万倍的体积中。由于密度高得令人难以置信,宇宙中所有物质的平均温度远远超过十亿度,这足以发生核反应。事实上,它是如此之热,以至于即使是质子和中子也无法作为稳定的实体存在。相反,宇宙只是一片更基本的粒子的海洋,称为夸克和胶子,在原始等离子体状态下沸腾。

元素周期表上的元素从何而来?

但宇宙不会长期保持这种状态。它正在膨胀,这意味着它也在冷却。最终,夸克可以结合在一起形成第一个质子和中子,而不会立即被摧毁。质子比中子略轻,这使它们在粒子产生的初始阶段具有优势。宇宙诞生了几分钟后,它就由于温度较低而无法产生新的质子和中子。因此,这些重粒子是宇宙制造的唯一一批粒子(除了未来罕见的高能相互作用)

元素周期表上的元素从何而来?

当重粒子最终形成后,大约每个中子会伴随有六个质子。这些中子本身并不稳定;它们的半衰期约为 880 秒。随即,一些中子开始衰变,而尚未衰变的中子开始与质子结合形成第一批原子核。在所有轻元素中,由两个质子和两个中子组成的氦-4具有最大的结合能,这意味着它最容易形成,最难分解。因此,几乎所有这些中子都用于生产氦-4。

通过这样的计算,宇宙学家可以预测,宇宙开始时大约有75%的氢(这只是一个裸露的质子)、25%的氦和少量锂的混合物——这正是天文学家观察到的。

恒星核聚变合成

元素周期表上的元素从何而来?

元素出现的下一阶段必须等待第一代恒星,直到大爆炸后数亿年才开始发光。恒星通过核聚变为自己提供动力,将氢转化为氦。这个过程会留下一点点能量。但是恒星有如此多的氢气,它们可以燃烧数十亿年,有时甚至是数万亿年。

在生命的尽头,像太阳这样的恒星转而核聚变氦,在它们作为行星状星云死亡之前将其转化为碳和氧。这就是为什么碳和氧在宇宙中如此丰富的原因;继氢和氦之后,它们是最常见的元素。事实上,氧是地球上最常见的元素,尽管它大部分与硅酸盐结合形成你脚下的土地。

元素周期表上的元素从何而来?

质量更大的恒星——那些质量至少是太阳八倍的恒星——在其核心中融合了更重的元素。特别是在它们生命周期的最后几周、几天甚至几个小时里,宇宙中质量最大的恒星会产生氮、氖、硅、硫、镁、镍、铬和铁。

这是恒星内元素形成的终点——它们强大的能量能够产生较重的元素,但要形成任何一种高于铁的元素会消耗能量,而不是产生能量,因此这些更重的元素很少出现在大质量恒星的核心中。

元素周期表上的元素从何而来?

元素周期表中比铁重的元素是在恒星死亡时产生的,它们通过各种迷人、复杂和壮观的方式产生。较小的恒星慢慢地将它们核反应区中的物质向外喷射,这些物质将喷洒到它们的恒星系统中。较大的恒星将会产生超新星爆炸。这两种死亡都会留下残余——小恒星会留下白矮星,白矮星几乎完全由碳和氧组成;较大的恒星会留下令人难以置信的致密中子球,称为中子星。

元素周期表上的元素从何而来?

来自伴星的气体可以被白矮星吸收,导致它引发超新星爆炸。中子星的碰撞,会产生千新星并释放出巨大的能量。

无论如何,所有这些过程都涉及大量的辐射、大量的能量和大量高速飞行的粒子——换句话说,这是塑造新元素的完美汤。正是通过这些灾难,元素周期表的其余部分才应运而生。

元素周期表上的元素从何而来?

也正是通过这些高能事件,这些元素飞跃了它们的母星的界限,进入了星际混合体。在那里,这些元素加入了新的气体云,这些气体云最终合并形成新一代的恒星,这些恒星继续元素循环和再生,慢慢地丰富了整个宇宙。

BY:Paul Sutter

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