宇宙中的化学元素是如何起源的?是大爆炸产生

元素周期表上已经列有超过110种不同的化学元素,各种元素所具有的各不相同的物理、化学性质,造就了我们这个多姿多彩的、充满生命力的世界。然而,这些化学元素是怎么来的呢?

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在回答这个问题之前,我们要对原子的结构做一个简单的介绍。现代的原子模型奠基于20世纪初卢瑟福的阿尔法粒子撞击实验。现在我们知道,原子的质量集中在一个很小的原子核当中,原子核内包含了带正电的质子与不带电的中子。在原子核外通常环绕着一些带负电的电子。

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在中性的原子内,电子数与质子数相等,有时电子数会稍多于或少于质子数,我们通常将其分别称为负离子。各种元素原子的差异在于原子核内的质子数不同,因而影响到电子组态乃至化学性质的不同。比如说,碳原子核有6个质子而氮原子核有7个质子,造成这两种元素在化学性质上的极大差异。质子数相同但中子数不同的原子称为同位素,例如氢与氘都含有一个质子,但氘原子核还包含了一个中子。同位素原子的大部分化学性质非常类似。

从天文观测中我们知道,这些种类丰富的元素并不是地球上所独有的,而分布在宇宙的各个角落。并且很明显的,大部分的元素已经存在非常久的时间了。因此,要了解这些元素的起源,我们必须从宇宙发展的历史谈起。

自1929年天文学家哈勃发现宇宙持续膨胀的现象之后,科学家一般都认为宇宙起源于一次大爆炸,时间大约在137亿年前,一切的物质、能量、时间都由此产生。一般认为,大爆炸发生的那一瞬间,宇宙只有强烈的辐射能量而没有任何物质。在大爆炸之后约0.0001秒左右,宇宙温度降至1012开,此时,宇宙中的质子与中子脱离与宇宙射线的平衡而成形。到了大爆炸之后4秒左右,温度降至1010开以下,宇宙中的电子也脱离与宇宙射线的平衡而成形。至此,构成原子的基本粒子已经出现,但由于温度太高,宇宙中尚无重于氢的稳定原子核,到处都是高速运动的质子、中子、电子,以及非常高能量的宇宙射线。

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在宇宙形成大约3分钟后,质子与中子开始可以结合成重氢的原子核而不立刻被光子分解。接下来,一连串的核反应将绝大部分重氢快速转变成包含2个质子及2个中子的稳定氦原子核。不过,比氦更重的原子核此时不易形成,因为自然定律中不容许有原子量为5或8的稳定原子核存在;缺乏这些作为桥梁的原子核,更重的原子核难以快速形成。

宇宙仍持续膨胀、冷却,在宇宙生成大约30分钟后,大爆炸产生的核反应完全停止。此时,宇宙中的物质以质量而言,质子约占75%、氦原子核约占25%,还有大量很轻的电子以及非常微量的重氢及锂原子核。此时的宇宙温度仍然非常高,强大的宇宙射线使电子无法停留在固定的原子核上,物质主要以单原子离子的状态存在。由于自由运动的电子很容易散射光线,此时的宇宙处于名副其实的混沌状态,光子无法自由穿越,辐射场与物质间不断地进行能量交换。这种情况一直持续到大爆炸发生大约40万年后,当宇宙的温度降到了约1万摄氏度以下,电子才开始能与原子核结合,形成中性的原子,宇宙也在此时变得透明,辐射场与物质间的作用大幅降低,引力开始逐渐塑造新的宇宙结构。

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此时,宇宙中的主要元素只有氢和氦,实在没有多少化学可言,任何人都可以把此时的化学学得非常透彻,只不过在这种宇宙中是不会有任何生物存在的。地球生命所需的其他元素大都是数十亿年后在银河系恒星的演化过程中产生的。至于宇宙是如何从早期物质均匀分布的状态迅速形成星系及恒星的,目前仍然不是非常清楚。一般认为,很可能是由于一些量子效应使得早期的宇宙在能量分布上有一些不均匀。这些微的不均匀经过引力效应的放大,使得物质迅速向密度高的地方聚集,形成星系以及恒星。目前的证据显示,第一颗恒星可能在宇宙诞生后的数亿年就开始形成,在其内部的热核反应中开始了宇宙中下一步的元素合成。

地球上一切生物所需的能量几乎都直接或间接地来自太阳。太阳的能量又从何而来呢?在20世纪以前,这一直是个令科学界感到困惑的谜题。现在我们知道,太阳以及所有恒星主要的能量来自其内部的核聚变反应。一个星体发生核聚变反应的最低条件是质量达到太阳质量的8%,当其内部的温度由于引力收缩达到1000万摄氏度以上时,核聚变反应开始发生,4个氢原子核经过3个质子加成的步骤聚合成一个氦原子核并放出巨大的能量。这种能量释放与恒星本身的引力作用达成平衡状态,使得恒星在一段长久的时间内稳定地存在、发光。在比太阳重一些的恒星中,当核心的温度达到2000万摄氏度以上时,能量释放的主要机制是另外一种由碳、氮、氧原子核作为催化剂的氢聚变反应。在此机制中会累积不少氮元素,这也是宇宙中氮元素的主要来源。

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虽然核聚变反应能很有效率地产生能量,但核聚变的原料——氢原子核——总有用尽的时候。对质量只有太阳一半的恒星而言,生命就到此为止了,核聚变形成的氦核心从此逐渐暗淡冷却。然而,质量较大的恒星在引力的持续作用下,核心的温度可达到1亿摄氏度以上。此时,氦原子核可聚变成碳原子核及一些氧原子核。同时,由于恒星的外层仍然含有未聚变的氢原子,在引力收缩的过程中,外层的温度升高,使得氢的聚变反应再次进行。

太阳大小的恒星在核心的氦用尽后将受引力的压迫形成一颗白矮星,并逐渐冷却。若恒星的核心在氦即将燃烧完之前仍有3倍以上的太阳质量,核心可以进一步压缩,使得温度达到6亿摄氏度,在这种高温下,碳将聚合成氖、硅、镁等原子核。此时,在核心的外层,氦的聚变反应也开始进行,而更外层则依然有氢的聚变反应在发生。这种阶段性的层状核聚变反应在质量很大的星球内持续进行,每一阶段都需要更高的温度与密度,并产生更复杂的化学元素。在恒星的演化过程中,它们会不断将表面的物质送到太空中,恒星内制造出的各种原子核也随之散布到宇宙的各个角落。

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然而,就算在质量更大的星球内,这种核聚变反应也不会无穷尽地进行下去。这是因为核聚变所能持续的时间愈来愈短,所放出的总热量也愈来愈少;到了形成铁原子核(原子序数26,原子量56)后,核聚变已经不再是放热反应,因而无法阻止星球进一步的引力崩塌。在铁核心高速崩塌压缩的过程中,许多电子被迫与原子核内的质子结合而形成中子,同时向外放出大量的中微子。当这些中子被压缩到密度达到水的10的14次方倍时,一种仅能由量子力学描述的巨大的中子简并压力突然开始发生作用,从而阻止核心进一步收缩。但这种核心崩塌的瞬间停止会产生强大的反弹震波,当震波与恒星外层物质相撞时,释放出极大的能量,许多新的核聚变反应也在这一过程中发生。一般认为,元素周期表上大部分比铁重的元素就是在此时产生的。这种强大的反弹震波以及极大量的中微子会将恒星外层整个炸掉,这就是所谓的超新星爆发。由于超新星爆发所释放的能量极大,有时超新星爆发时的亮度甚至会超过整个星系数十亿颗恒星亮度的总和。

经过这一系列核聚变反应生成的元素有一大部分随着超新星的爆发而散布到宇宙中。超新星爆发后留下的中子核心的质量若小于约3倍的太阳质量,这个核心将成为一个稳定的中子星;其质量若大于3倍的太阳质量,连中子简并压力也无法抵抗重力的压缩,核心将进一步塌陷形成一个黑洞。

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这种超新星一般被称为Ⅱ型超新星。还有一种叫Ⅰa型超新星,这是发生在双星系统中的特殊现象。在双星系统中,比较大的那颗恒星演化得比较快,最后可能成为一颗白矮星。等到另一颗恒星开始老化膨胀时,白矮星可能会逐渐将同伴的外层物质吸收过来。当白矮星达到约等于1.4倍太阳质量的临界质量时,大规模的核聚变反应会突然剧烈地发生,将整颗星球炸掉,在这一过程中产生大量的铁原子核。我们血液及地壳中的铁应该都是来自远古时的Ⅰa型超新星爆发。近年来,Ⅰa型超新星被用来测定宇宙膨胀速度和星系间的距离。

此外,在一些恒星内部也会持续进行一种所谓的慢中子捕获过程,也就是以持续的中子捕获与β衰变产生一些重元素如锝、铋等。同时,高能的宇宙射线也持续和星际物质作用产生如锂、铍、硼等元素。以上所描述的是宇宙中各种元素生成的一个大略的过程,至于详细的流程仍有不少争论。比如,前不久有科学家提出,金元素的形成可能与非常罕见的中子星相撞有关。我们的太阳系除了氢与氦外还拥有各种重元素,使得太阳系能够拥有如地球般的固体行星,并且包含了生命所必需的碳、氧、氮、硫、铁等元素。

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