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為什么第3、4和5號元素在宇宙中非常罕見?

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樓主
online_member 發表于 昨天 22:26 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
為什么第3、4和5號元素在宇宙中非常罕見?97 / 作者:TejUKCJa / 帖子ID:55209,217209

如果把元素周期表上的每一個元素按照它們在宇宙中的豐度來排序,結果會出人意料。最常見的元素是氫,其質量大約占了整個宇宙質量的75%。另外大約25%是氦,它們主要產生于熱大爆炸的早期階段,但也產生于包括太陽在內的大多數恒星的氫核聚變。

氧的豐度位列第三,碳位列第四,緊隨其后的是氖、氮、鐵、鎂和硅,這些都是在大質量恒星內部合成出來的。一般而言,重元素很稀少,輕元素很豐富。但有三個例外:分別是3號元素鋰、4號元素鈹和5號元素硼。這三種元素是元素周期表中第三、第四和第五輕的元素,只比氫和氦更重一些,那么,為什么這些元素在宇宙中非常罕見呢?

原初核合成

在早期宇宙中,由夸克、輕子、光子、膠子和反物質粒子組成的早期宇宙合成出了第一批原子核。在早期宇宙中,光子的能量太高,以至于無法合成出哪怕是最簡單的重原子核——氘,由一個質子和一個中子組成。在宇宙大爆炸之后三分鐘,隨著宇宙膨脹冷卻,反粒子湮滅,質子和中子開始融合在一起,光子的能量不足以把原子核撞開,宇宙開始了原初核合成過程。
為什么第3、4和5號元素在宇宙中非常罕見?99 / 作者:TejUKCJa / 帖子ID:55209,217209

原初核合成只持續了十幾分鐘,這奠定了宇宙的物質基礎。宇宙的組成包括大約75%的氫,25%的氦-4,大約0.01%的氘和氦-3,以及大約0.0000001%的鋰。少量的鋰元素早在恒星形成之前就已經存在的,這對我們來說是一件非常非常好的事情,因為鋰是地球上許多應用、技術,甚至是人體所需要的重要元素。

恒星的核聚變

然而,一旦宇宙中開始形成恒星,一切都被改變了。一旦溫度升高到400萬度以上,氫元素就能聚變成氦,我們的太陽目前正經歷這樣的過程。恒星的核聚變反應改變了宇宙,它們把事情朝著意想不到的方向改變。

恒星從宇宙大爆炸所產生的氣體云中形成,它們的核心溫度非常高,從幾百萬度到幾億度。在這種溫度下,對于氫元素而言,它們會發生核聚變反應。但對于鋰元素而言,這種極高的溫度足以使它們爆炸。鋰元素一直是宇宙中最難以測量的元素之一,主要是因為當我們現在能夠可靠地提取鋰元素信號時,宇宙開始時的許多環境已經被破壞了。
為什么第3、4和5號元素在宇宙中非常罕見?74 / 作者:TejUKCJa / 帖子ID:55209,217209

宇宙中充滿了諸多重元素:碳、氮、氧、磷,以及地球生命所必需的元素,一直到元素周期表中的鈾,甚至是更重的钚。那么,為什么就沒有方法合成出鋰元素呢?

當恒星燃燒完核心中的氫原子核時,氫核聚變就會減慢并停止,從而導致輻射壓力降低,無法對抗引力坍縮,使得核心區域會不斷收縮。在此期間,恒星內部的溫度將會進一步升高。

由氦組成的核心可以達到十分極端的溫度,使得氦可以通過3氦過程發生核聚變反應,合成出更重的元素。在像太陽這樣的恒星中,最終被合成出來的是6號元素碳。合成更重元素的唯一途徑是產生中子,這可以非常緩慢地使元素周期表中的重元素變多。
為什么第3、4和5號元素在宇宙中非常罕見?47 / 作者:TejUKCJa / 帖子ID:55209,217209

對于中低質量恒星,一旦氦聚變完全結束,它們的外層就會脫離,形成行星狀星云,而核心則會坍縮成白矮星。

但對于大質量恒星,它們核心還能進一步坍縮和升溫,從而啟動碳核聚變。碳會聚變成氧,氧聚變成氖,氖又聚變成鎂,不停地合成下去,硅、硫、氬、鈣、鈦和鉻等元素會相繼產生,一直到鐵、鎳和鈷。鐵核聚變會吸收能量,導致大質量恒星的平衡被打破,它們將會發生猛烈的超新星爆發。

在超新星爆發的過程中,還會進一步合成出比鐵更重的元素。另外,白矮星-白矮星合并或中子星-中子星合并也會制造出重元素。要是沒有這些過程,就沒有元素周期表中的各種元素,地球生命就不可能會進化出來。

特殊的鋰、鈹和硼

為什么第3、4和5號元素在宇宙中非常罕見?14 / 作者:TejUKCJa / 帖子ID:55209,217209

我們幾乎可以解釋在宇宙中發現的每一種元素,但鋰、鈹和硼是個例外。我們所知道的元素合成機制都不能產生鈹和硼元素,而且我們所探測到的鋰元素豐度不能僅僅用原初核合成來解釋。

氫聚變生成氦,氦是2號元素。氦需要三個氦核聚變成碳,碳是6號元素。但如何解釋鋰、鈹和硼的存在呢?

事實證明,沒有一種恒星過程能在不摧毀這些元素的情況下,產生足夠數量的它們。如果把氫與氦結合在一起,結果會得到鋰-5,但它極為不穩定,很快就會衰變。如果把兩個氦-4核融合在一起,可以合成出鈹-8,但鈹-8也十分不穩定,馬上就會衰變。事實上,所有質量數為5或8的原子核都是不穩定的。
為什么第3、4和5號元素在宇宙中非常罕見?19 / 作者:TejUKCJa / 帖子ID:55209,217209

從與恒星有關的過程中,無法得到這三種元素。然而,鋰、鈹和硼不僅都存在于宇宙中,而且它們對地球上的生命進化也是至關重要。

鋰、鈹和硼究竟來自于哪里?

根據目前的推測,這三種元素的存在要歸功于宇宙中最高能的粒子來源——脈沖星、超大質量黑洞、超新星、千新星和活躍星系。這些都是宇宙中天然存在的超級粒子加速器,它們會向整個星系的各個方向噴射宇宙粒子,這些粒子甚至有足夠的能量來跨越浩瀚的星系際空間。
為什么第3、4和5號元素在宇宙中非常罕見?53 / 作者:TejUKCJa / 帖子ID:55209,217209

宇宙粒子加速器發射出去的高能粒子朝著四面八方運動,它們有可能會與其他粒子發生碰撞。如果被撞擊的粒子是碳或者更重的原子核,那么,碰撞產生的巨大能量將會引發另一個核反應,重原子核分裂開來,產生一系列低質量粒子。這就像核裂變反應能把重原子分裂成輕原子一樣,宇宙射線也會撞開重原子核。

當高能粒子撞擊重原子核時,巨大的原子核會分裂成各種各樣的粒子。這種過程被稱為散裂,它是鋰、鈹和硼的主要形成來源。鋰、鈹和硼是宇宙中僅有主要依靠散裂過程形成的元素,它們不像其他重元素那樣依賴于與恒星有關的過程。
為什么第3、4和5號元素在宇宙中非常罕見?76 / 作者:TejUKCJa / 帖子ID:55209,217209

由于鋰、鈹和硼的產生依賴于高能粒子在宇宙中的偶然碰撞,這使得它們的豐度非常低,只有碳、氧和氦的十億分之一。雖然這些元素在宇宙中非常稀少,但它們是地球生命不可或缺的元素。

原文地址:今日頭條
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沙發
online_member 發表于 昨天 22:27 | 只看該作者
氫和氦就占了100%了?
板凳
online_member 發表于 昨天 22:28 | 只看該作者
里皮被國足氣死了
地板
online_member 發表于 昨天 22:29 | 只看該作者
所以硅基生命可能性小
5#
online_member 發表于 昨天 22:29 | 只看該作者
歪個樓,很好奇諸如“在宇宙大爆炸之后三分鐘”和“原初核合成只持續了十幾分鐘”等關于宇宙大爆炸初期時間點的描述依據是怎么來的,相對論條件下相對于高速膨脹的宇宙這個時間是基于什么條件定的呢?T0時時間空間都為0,大爆炸后不同維度空間的時間還是相等的嗎?
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