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我們上初高中時(shí)，都會(huì)被要求背誦元素周期表的一部分，初中可能要求背前20個(gè)，到了高中則被要求得更多一些。至今很多人畢業(yè)許多年之后，依然對(duì)元素周期的一部分滾瓜爛熟。不知道你有沒(méi)有想過(guò)一個(gè)問(wèn)題，那就是這些元素到底是咋來(lái)的？  關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，實(shí)際上，如今科學(xué)家應(yīng)該搞明白了許多。今天，我們就來(lái)聊聊，元素都是咋來(lái)的？ 宇宙大爆炸上世紀(jì)30年代左右，當(dāng)時(shí)宇宙大爆炸的理論開始在學(xué)術(shù)圈逐漸傳播，但是并沒(méi)有得到很多科學(xué)家們的認(rèn)可。后來(lái)，有一批粒子物理學(xué)家加入到了完善宇宙大爆炸理論的研究當(dāng)中。 當(dāng)時(shí)，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，宇宙大爆炸早期，空間中充滿了能量以及夸克，中微子。后來(lái)，隨著溫度的逐漸降低，一對(duì)高能光子碰撞可以產(chǎn)生一對(duì)正反的物質(zhì)粒子，比如：電子和它的反粒子正電子。  所以，早期的宇宙有過(guò)一段“創(chuàng)造物質(zhì)粒子”的時(shí)光。我們都知道，如今化學(xué)反應(yīng)的最小單位是原子，而原子是由電子和原子核構(gòu)成的，而原子核又是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。  隨著宇宙歷史的發(fā)展，先是形成了原子核，接著到了宇宙38萬(wàn)歲時(shí)，又形成了原子結(jié)構(gòu)。而我們都知道，氫原子核當(dāng)中只有一個(gè)質(zhì)子，而氦原子核只有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子，因此，早期宇宙形成的原子其實(shí)都是元素周期表靠前的元素原子，主要就是氫原子和氦原子。  恒星：元素?zé)挼t到了宇宙2億歲時(shí)，宇宙中出現(xiàn)了恒星。按照目前主流的觀點(diǎn)，恒星是由于分子云的引力塌縮形成的。我們的太陽(yáng)也是這樣，不過(guò)太陽(yáng)是到了距今46億年前才形成。  按照上文所說(shuō)的，實(shí)際上恒星的主要構(gòu)成是氫原子和氦原子。由于恒星自身質(zhì)量巨大，導(dǎo)致內(nèi)核的溫度和壓強(qiáng)特別高，還拿太陽(yáng)舉例子，太陽(yáng)內(nèi)核就達(dá)到了1500萬(wàn)度以及200多萬(wàn)個(gè)大氣壓。  這就使得恒星呈現(xiàn)等離子態(tài)，意思是，當(dāng)中的原子核，電子，光子到處亂串，并不能形成穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)。  因此，太陽(yáng)內(nèi)核就像一鍋粒子粥一樣。而我們也知道，太陽(yáng)內(nèi)核在發(fā)生核聚變反應(yīng)。我們把太陽(yáng)（恒星）理解成一個(gè)元素的煉丹爐。燃料是氫原子核，而爐渣是氦原子核。原子序數(shù)增加了一位。整個(gè)過(guò)程有2條路徑，分別叫做質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)鏈和碳氮氧循環(huán)。無(wú)論是哪種，結(jié)果都是氫原子核核聚變生成氦原子核。   那氫原子核燒完了呢？即使如果恒星的質(zhì)量足夠大，還會(huì)繼續(xù)引發(fā)核聚變反應(yīng)，而此時(shí)燒的就是氦原子核，爐渣是碳原子核和氧原子核。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)時(shí)候形成的原子核所對(duì)應(yīng)的的元素的原子序數(shù)又增加了。  而我們的太陽(yáng)一般來(lái)說(shuō)就會(huì)停在這里，這是因?yàn)橘|(zhì)量不夠，引力不足以引發(fā)碳原子核的核聚變反應(yīng)。而質(zhì)量更大的恒星還能繼續(xù)引發(fā)碳原子核的核聚變反應(yīng)。 如果質(zhì)量達(dá)到8倍太陽(yáng)質(zhì)量（也有說(shuō)是10倍太陽(yáng)質(zhì)量）的恒星，內(nèi)核的核聚變反應(yīng)可以一直持續(xù)下去，一直到鐵原子核。由于內(nèi)核溫度特別高，導(dǎo)致外層的溫度也跟著升高，最后這一類的恒星整個(gè)都在恒聚變反應(yīng)，每一層都是不同的原子核在核聚變反應(yīng)，就像洋蔥頭一樣。  其實(shí)最外層是氫原子核的核聚變反應(yīng)，而最內(nèi)核其實(shí)是生成鐵原子核的核聚變反應(yīng)。 可能你要問(wèn)了，為什么會(huì)一直到鐵？而不是一直持續(xù)下去？ 如果我們從原子核的層面來(lái)看，鐵原子核是最為穩(wěn)定的原子核。我們也把這種情況叫做比結(jié)合能最大。 原子序數(shù)比鐵元素小的元素原子核發(fā)生核聚變都能釋放能量，都有聚變的趨勢(shì)； 而原子序數(shù)比鐵元素小的元素原子核發(fā)生核裂變都會(huì)釋放能量，都有裂變的趨勢(shì)。 而鐵原子核是個(gè)奇葩，如果你要讓它核聚變，就需要輸入大量的能量，但反應(yīng)后所釋放的能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入的能量，也就是說(shuō)，入不敷出的，簡(jiǎn)直就是一個(gè)賠本的買賣。但是，超大質(zhì)量的恒星由于自身引力足夠強(qiáng)大，能夠提供足夠多的能量。于是，這個(gè)時(shí)候，在恒星內(nèi)核當(dāng)中，光子就會(huì)進(jìn)入鐵原子核，把原子擊穿，釋放出大量的質(zhì)子和中子，質(zhì)子和電子會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成中微子和中子。最后，內(nèi)核在引力的作用下收縮，形成一顆中子星，當(dāng)然也可能會(huì)是一個(gè)黑洞。 伴隨著中子星的形成，還會(huì)發(fā)生超新星爆炸，在這個(gè)過(guò)程的當(dāng)中，會(huì)生成大量的原子序數(shù)比鐵元素還要大的元素原子。 （這里補(bǔ)充一點(diǎn)，其實(shí)在恒星未形成中子星時(shí)，恒星內(nèi)核也有極其少量的原子序數(shù)大于鐵元素的元素原子核，比如：鋅原子核。） 中子星合并不過(guò)，并不是說(shuō)這就結(jié)束了，實(shí)際上，像金元素和銀元素這些原子序數(shù)要高得多的元素只有少量來(lái)自于超新星爆炸。那其他的呢？ 我們上文也提到，超大質(zhì)量恒星演化過(guò)程中有可能形成一個(gè)中子星，而宇宙中還有一種很罕見(jiàn)的現(xiàn)象，那就是中子星和中子星狹路相逢，然后兩者發(fā)生合并。 而引力波探測(cè)器LIGO也確實(shí)捕捉到過(guò)中子星合并時(shí)所產(chǎn)生的引力波。 按照最近的研究發(fā)現(xiàn)，像金原子、銀原子等原子序數(shù)在這個(gè)級(jí)別的元素原子其實(shí)大部分都是依靠中子星合并來(lái)形成的。不過(guò)，特大質(zhì)量恒星在眾多恒星中占比是極其小的，而中子星合并也是很少見(jiàn)的。因此，才會(huì)使得這些元素的含量極其低。物以稀為貴，金這么值錢并不是沒(méi)有道理。 以上，就是元素周期表中絕大多數(shù)元素的由來(lái)，我們來(lái)總結(jié)一下：
關(guān)于，元素周期表中的元素的起源，我們就說(shuō)到這里。 |
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