像磷、钠、氯、镁、钙、钾这样的元素,是怎样形成的?

发布网友 发布时间：2022-05-30 19:40

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热心网友 时间：2022-06-19 03:36

“不到一小时就造出了原子，几百万年就造出了恒星和行星，而造出人类却用了50亿年！”——乔治·伽莫夫

　　说到地球上生命的来源，你可能会想到地球本身亿万年的演化过程，还有生命进化的曲折，但这只是所有故事的一部分！我们可以追溯到更早的时期，想一想组成地球元素的来历。我们经常能听到恒星中会融合出碳、氧、硅，硫，以及相当多的铁/镍/钴，超新星爆发会形成比铁更重的元素，那么问题来了：生命中重要的磷、钠、氯、镁、钙、钾、铜、锌，这些元素是怎样形成的？

　　正是这些元素的存在才让我们得以生存。没有这些不同的元素以及它们所形成的所有不同的分子组合，就不会有生命的故事。

　　然而，当我们看到元素周期表的时候，其中大约有90多种元素是在地球上自然存在的，这让我们不禁会想它们是从哪里来的。

大质量恒星的融合过程

　　当然，我们可以给出一个简单的答案，说“这一切都是来自上几代的恒星”。虽然事实如此，但这个答案很难令人满意。因为所有的恒星有很多不同的种类，它们生存和死亡的过程要么缓慢要么迅速，这取决于它们是哪种类型的恒星。

　　恒星在宇宙中形成的时候都不是单个形成的，不是一个一个往出蹦，而是成串的，一般都是成百上千的星团，甚至是上百万的恒星同时出现。如果我们观察星团中的任何一个恒星，首先会注意到最亮、最蓝的恒星，因为它们最亮，也最显眼。但这种恒星的寿命也是最短命的，因为它们燃烧燃料的速度最快，并且发出的耀眼的光芒，有些亮度甚至高达太阳的数万倍！

　　这些最亮、质量最大的恒星内部发生了什么？与所有的恒星一样，它们首先将氢燃烧成氦，这两种元素是宇宙中最丰富的两种元素。当它们的核心耗尽氢的时候，大质量的充满氦的核心区域就开始收缩，因为没有核聚变产生的压力来支撑恒星来抵抗万有引力。

　　在收缩的同时，温度也在升高。在质量足够大的恒星中（包括我们的太阳），氦也会开始融合成碳。虽然我们的太阳无法将碳元素融合成更重的元素。但质量是太阳四到八倍的恒星，它们会形成氧，然后是硅和硫，最后是铁，镍和钴

　　然而，这个过程发生得很快，恒星会在核心产生大量的氧和硅，大量的硫，以及相当多的铁/镍/钴，但不能融合出更多、更重的元素。

　　只有当恒星变成超新星的时候，才可以形成元素周期表中一些超重元素，以及少量的其他元素。

　　超新星爆发如何产生更重的元素？

　　内核坍塌导致超新星爆发时会产生大量的自由中子，这些中子携带极高的能量与周围的所有元素发生碰撞，中子被捕获后形成了元素周期表上其他比铁更重的元素，这是一种快速的链式反应，被称为快中子捕获过程（r-process），r代表快速的意思。

　　但是这个过程还不足以解释我们在地球上看到的大多数元素。

　　地球上的元素似乎与我们预期的是由最大质量恒星形成的想法不一致。比如说，这些铝是怎么来的？为什么周期表上轻元素和重元素的分布是大致均匀的？

　　事实证明，尽管我们星球上的所有元素都曾经在一颗超新星内部产生，但大多数元素的来历不止是一颗恒星。

　　慢中子捕获过程

　　像我们的太阳这样的恒星，它并不会变成超新星，当它的生命走到尽头时，就会把外层吹成行星状星云，然后把形成的元素送回到星际介质中。从上图中的彩色就可以看到，其中包括了各种各样的元素，每种颜色都代表了元素周期表中不同元素的特征。

　　你可能会感到惊讶的是，正是像我们太阳这样的恒星产生了我们最熟悉的元素！

　　看一下太阳光谱，也就是太阳中所有不同元素的吸收线。你可能会惊讶地发现，我们在太阳中发现了43号锝元素，一种没有稳定同位素的元素，地球上从未发现过天然存在的元素。

　　但它在太阳中存在！这是怎么回事呢？

　　其实还有一种更缓慢、更稳定的慢中子捕获过程形成了像类太阳恒星中的元素，也称为s过程，其中s代表缓慢。只要恒星中有像碳和氖这样的元素存在，就会产生中子。当氦原子核与碳13（一种稳定的，但比普通碳12少见的碳同位素）碰撞时，它会融合成氧，但也会释放出一个自由中子。同样的，当氦原子核与氖-22（一种常见的、稳定的氖同位素，占地球上所有氖的9%）碰撞时，它会融合成镁-25，同时释放出自由中子。

　　这些中子和所有自由中子一样，在不带电荷的情况下，它们很容易撞向恒星内部的其他原子核，在那里它们可以被吸收，帮助从较轻的元素中生成较重的元素。但它们也有时间*：自由中子平均只存在15分钟左右，然后会衰变为质子和更轻的粒子。

　　所以需要足够快地撞到其他轻元素，从而产生更重的元素，这就是为什么在恒星内部时，最有效地形成它们！这不仅是获得锝的方式，也是形成地球上生命过程中最常见的元素的方式，包括：磷、钠、氯、镁、钙、钾、铜、锌。

　　链式反应很简单：轻元素不断地增加中子，使其上升到越来越高的同位素，直到其中一个元素不稳定，衰变到周期表上的下一个元素。然后，再加入更多的中子，重复这个过程。

　　事实上，下面用颜色编码的元素周期表，就会发现，每一个带有绿色“L”的元素都是宇宙中主要由慢中子捕获机制产生的。

　　总结：我们其实来自缓慢的燃烧，而不是超新星

　　我们也可以通过s过程直接从铁开始，往铁里加中子，但是如果试着向铁加入中子，会产生一点点铋，但是它会衰变成更轻的元素。铁越往上元素越不稳定，β衰变的速率越快，S过程的缓慢添加中子已经爬不上去了，如果没有超新星的R过程，元素序列就没有上升的可能。

　　然而，正是这个缓慢的，持久的，也许带些浪漫的过程使我们赖以生存的元素得以存在。在恒星的核心深处，在数百万度的高温下，氦核正在与罕见但稳定的同位素碰撞，这些同位素是在前几代恒星中形成的，碰撞后产生自由的中子，并慢慢地从最初“乏味、无趣”的氧、硅、硫、铁、钴、镍等元素中生成大量的元素。

　　所以当你下次想到使生命成为可能的元素时，以及我们的起源要归功于恒星时，不要只想到壮观的超新星爆发。故事比这要丰富得多，宇宙需要一种缓慢燃烧的火焰才能产生我们。最后，我们的存在要归功于s过程的温柔熔炉。

热心网友 时间：2022-06-19 04:54

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