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为什么1、2号元素在宇宙中到处都是,3、4、5号元素却极为罕见?
浏览: 发布日期:2021-09-15

从微观层面来看,每一种元素都是由电子、质子和中子构成,而决定它们元素种类的,则是它们原子核内的质子数,例如原子核内只有一个质子,它就是1号元素氢、有两个质子就是2号元素氦、三个质子就是3号元素锂。

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按常理来说,结构越简单的元素就越容易形成,因此我们似乎可以认为,各种元素在宇宙中所占的比例就应该是越简单的越多,而越复杂的元素越少,然而事实却并非如此。

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上图为宇宙元素丰度表,我们可以看到,1、2号元素(即氢和氦)的丰度确实是宇宙中的前两名,可以说是在宇宙中到处都是,但接下来的3、4、5号元素(即锂、铍、硼)的丰度却非常低。

那么问题就来了,为什么1、2号元素在宇宙中到处都是,3、4、5号元素却极为罕见呢?要解释这个问题,我们需要从宇宙诞生之初讲起。

原初核合成期

根据科学界的主流理论“大爆炸宇宙论”,宇宙诞生于一个温度极高又极为致密的“奇点”,在大约138亿年前,这个“奇点”发生了“大爆炸”,在这个过程中,物质密度以及温度不断地降低,最终演化成了现在我们所看到的宇宙。

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在宇宙的演化过程中,有一个被称为“原初核合成期”的时期,其时间跨度大约为“大爆炸”发生后的10秒至35分钟之间,在这段时期里,宇宙中已经形成了大量的质子、中子以及电子,物质的密度以及温度也满足了质子聚变的条件,于是大量的质子就开始发生聚变,并生成了约占宇宙质量25%的轻元素,其中绝大部分都是氦。

我们知道,质子其实就是氢原子核,由此可见,在宇宙诞生之初,1、2号元素就已经在宇宙中到处都是了。那么其它的元素又是怎么形成的呢?

“元素制造工厂”——恒星

当宇宙演化到一定程度的时候,宇宙中的物质开始在引力的作用下互相吸积,并形成一个个巨大的天体,它们像“滚雪球”一样越来越大,内部的温度和压力也会因为不断增长的重力而不断提升,当达到某个临界点时,其核心就会发生核聚变,这些天体也因此在宇宙中绽放出耀眼的光芒,而它们也是宇宙中的第一批恒星。

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核聚变就是较轻的元素聚变成较重的元素的过程,要聚变出更重的元素,就需要更高的温度和压力,所以那些质量较轻的恒星,只能聚变出比较“初级”的元素,比如红矮星只能将氢聚变成氦,而像太阳这样大的恒星,也最多只能聚变出氧。

只有质量足够大的恒星,其内部才会发生一轮接一轮的核聚变,聚变出越来越重的元素,这样的进程将一直持续到26号元素铁。由于铁原子核就算发生聚变也不会释放出能量,因此当恒星核聚变进行到铁时,龙8国际官方app下载企业文化就会因为内部失压而发生超新星爆发,而宇宙中更重的元素,则会在这一阶段生成。

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顺便讲一下,当宇宙中的白矮星或中子星互相碰撞之时,也可能会发生超新星爆发,进而生成大量的重元素。

需要注意的是,尽管恒星能够聚变出很多种类的元素,但锂、铍、硼却是例外,而这也是“宇宙中的3、4、5号元素极为罕见”的原因。

为什么恒星不能聚变出3、4、5号元素?

正如前文所言,原子核内有三个质子就是3号元素锂,从理论上来讲,只要一个氦原子核与一个质子发生聚变就可以生成锂原子核,但问题是,这种聚变只能生成锂-5,这是一种很不稳定的同位素,它会很快发生衰变。

除此之外,只要温度高于240万K,锂原子核与质子就很容易发生聚变反应,然后生成两个氦原子核,而恒星核心的温度基本上都会高于这个温度。

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那么4号元素铍呢?从理论上来讲,只要两个氦原子核聚变就可以生成铍,然而这种聚变所生成的铍-8,同样也是一种极不稳定的同位素。

也就是说,即使恒星聚变出锂或铍了,也不能长时间保存,而5号元素硼则更“惨”,因为在恒星的内部,连聚变出硼原子核的路径都没有。

聚变出硼原子核,需要两个氦原子核聚变成铍-8原子核,然后再与一个质子发生聚变,而氦发生聚变是属于恒星内部的第二轮核聚变,只有当恒星核心的质子耗尽之后发生了坍塌,其核心温度和压力随之进一步提高的时候,才可以点燃氦原子核的核聚变,也就是说,当进行到这一步时,恒星核心的质子已经没有了。

那6号元素碳又是怎么聚变出来的呢?其实碳是三个氦原子核聚变而来,具体过程为两个氦原子核首先聚变成铍-8,然后再与另一个氦原子核聚变成碳-12,这也被称为“3α过程”,是恒星核聚变的重要一步。

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既然如此,那宇宙中的3、4、5号元素是哪来的呢?

根据科学家的推测,宇宙中的3、4、5号元素应该是由高能粒子撞击重原子核形成的。

简单来讲就是,宇宙中存在很多能量很高的粒子,它们可能来自于超新星爆发、脉冲星、大质量黑洞以及活跃星系等等,这些高能粒子可能会将重原子核撞成“碎片”,而假如这些“碎片”中的质子数正好是3、4、5,而中子数与正好能够让其形成稳定的同位素,那么3、4、5号元素就可以长时间地存在于宇宙中了。

值得一提的是,在前文提到的“原初核合成期”,宇宙中也生成了极为少量的锂元素。

好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。