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為什么1、2號元素在宇宙中到處都是,3、4、5號元素卻極為罕見?

2021-08-24  魅力科學君

從微觀層面來看,每一種元素都是由電子、質子和中子構成,而決定它們元素種類的,則是它們原子核內的質子數,例如原子核內只有一個質子,它就是1號元素氫、有兩個質子就是2號元素氦、三個質子就是3號元素鋰。

按常理來說,結構越簡單的元素就越容易形成,因此我們似乎可以認為,各種元素在宇宙中所占的比例就應該是越簡單的越多,而越復雜的元素越少,然而事實卻并非如此。

上圖為宇宙元素豐度表,我們可以看到,1、2號元素(即氫和氦)的豐度確實是宇宙中的前兩名,可以說是在宇宙中到處都是,但接下來的3、4、5號元素(即鋰、鈹、硼)的豐度卻非常低。

那么問題就來了,為什么1、2號元素在宇宙中到處都是,3、4、5號元素卻極為罕見呢?要解釋這個問題,我們需要從宇宙誕生之初講起。

原初核合成期

根據科學界的主流理論“大爆炸宇宙論”,宇宙誕生于一個溫度極高又極為致密的“奇點”,在大約138億年前,這個“奇點”發生了“大爆炸”,在這個過程中,物質密度以及溫度不斷地降低,最終演化成了現在我們所看到的宇宙。

在宇宙的演化過程中,有一個被稱為“原初核合成期”的時期,其時間跨度大約為“大爆炸”發生后的10秒至35分鐘之間,在這段時期里,宇宙中已經形成了大量的質子、中子以及電子,物質的密度以及溫度也滿足了質子聚變的條件,于是大量的質子就開始發生聚變,并生成了約占宇宙質量25%的輕元素,其中絕大部分都是氦。

我們知道,質子其實就是氫原子核,由此可見,在宇宙誕生之初,1、2號元素就已經在宇宙中到處都是了。那么其它的元素又是怎么形成的呢?

“元素制造工廠”——恒星

當宇宙演化到一定程度的時候,宇宙中的物質開始在引力的作用下互相吸積,并形成一個個巨大的天體,它們像“滾雪球”一樣越來越大,內部的溫度和壓力也會因為不斷增長的重力而不斷提升,當達到某個臨界點時,其核心就會發生核聚變,這些天體也因此在宇宙中綻放出耀眼的光芒,而它們也是宇宙中的第一批恒星。

核聚變就是較輕的元素聚變成較重的元素的過程,要聚變出更重的元素,就需要更高的溫度和壓力,所以那些質量較輕的恒星,只能聚變出比較“初級”的元素,比如紅矮星只能將氫聚變成氦,而像太陽這樣大的恒星,也最多只能聚變出氧。

只有質量足夠大的恒星,其內部才會發生一輪接一輪的核聚變,聚變出越來越重的元素,這樣的進程將一直持續到26號元素鐵。由于鐵原子核就算發生聚變也不會釋放出能量,因此當恒星核聚變進行到鐵時,就會因為內部失壓而發生超新星爆發,而宇宙中更重的元素,則會在這一階段生成。

順便講一下,當宇宙中的白矮星或中子星互相碰撞之時,也可能會發生超新星爆發,進而生成大量的重元素。

需要注意的是,盡管恒星能夠聚變出很多種類的元素,但鋰、鈹、硼卻是例外,而這也是“宇宙中的3、4、5號元素極為罕見”的原因。

為什么恒星不能聚變出3、4、5號元素?

正如前文所言,原子核內有三個質子就是3號元素鋰,從理論上來講,只要一個氦原子核與一個質子發生聚變就可以生成鋰原子核,但問題是,這種聚變只能生成鋰-5,這是一種很不穩定的同位素,它會很快發生衰變。

除此之外,只要溫度高于240萬K,鋰原子核與質子就很容易發生聚變反應,然后生成兩個氦原子核,而恒星核心的溫度基本上都會高于這個溫度。

那么4號元素鈹呢?從理論上來講,只要兩個氦原子核聚變就可以生成鈹,然而這種聚變所生成的鈹-8,同樣也是一種極不穩定的同位素。

也就是說,即使恒星聚變出鋰或鈹了,也不能長時間保存,而5號元素硼則更“慘”,因為在恒星的內部,連聚變出硼原子核的路徑都沒有。

聚變出硼原子核,需要兩個氦原子核聚變成鈹-8原子核,然后再與一個質子發生聚變,而氦發生聚變是屬于恒星內部的第二輪核聚變,只有當恒星核心的質子耗盡之后發生了坍塌,其核心溫度和壓力隨之進一步提高的時候,才可以點燃氦原子核的核聚變,也就是說,當進行到這一步時,恒星核心的質子已經沒有了。

那6號元素碳又是怎么聚變出來的呢?其實碳是三個氦原子核聚變而來,具體過程為兩個氦原子核首先聚變成鈹-8,然后再與另一個氦原子核聚變成碳-12,這也被稱為“3α過程”,是恒星核聚變的重要一步。

既然如此,那宇宙中的3、4、5號元素是哪來的呢?

根據科學家的推測,宇宙中的3、4、5號元素應該是由高能粒子撞擊重原子核形成的。

簡單來講就是,宇宙中存在很多能量很高的粒子,它們可能來自于超新星爆發、脈沖星、大質量黑洞以及活躍星系等等,這些高能粒子可能會將重原子核撞成“碎片”,而假如這些“碎片”中的質子數正好是3、4、5,而中子數與正好能夠讓其形成穩定的同位素,那么3、4、5號元素就可以長時間地存在于宇宙中了。

值得一提的是,在前文提到的“原初核合成期”,宇宙中也生成了極為少量的鋰元素。


好了,今天我們就先講到這里,歡迎大家關注我們,我們下次再見。

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