原子由原子核和绕核活动的电子构成,原子组成一般物质的最小单元,称为元素。
氢元素在地球上必定是最丰硕的元素,排在第二位的是氦,那么第三丰硕的元素呢?您知道是哪个?
早期宇宙的元素形当作
在地球上我们见到过、接触过的所有物质都是由不异的两种亚原子粒子构成的,别离是带正电荷的原子核和带负电荷的电子。这两种亚原子粒子构成的原子之间的彼此感化的体例(彼此吸引、排斥、连系,构成新的、不变的能态)是我们四周宿世界存在的原因。
固然恰是这些原子的量子和电磁特征使我们今天的宇宙得以存在,但我们知道,宇宙一起头并没有缔造出构成万物所必需的根基当作分,更没有所谓的化学键和大分子布局。
那么为了形当作分歧的化学键布局,为了构建复杂的分子,我们就需要大量分歧的原子。不仅数目要大,并且原子的类型也要布满多样性,或者原子核中质子的数目要有很大的差别。
我们人体存在自己需要碳、氮、氧、磷、钙和铁等元素,而这些元素在宇宙最初形当作时并不存在。我们地球的存在自己就需要硅和无数其他重元素,甚至是从元素周期表中最轻的元素一向到我们发现的天然发生的最重元素:铀,甚至是微量的钚。
事实上,我们在太阳系中所有的星球上都发现了元素周期表中所有重元素存在的迹象,除了在人类干涉干与下缔造的重元素外,我们已经在天然界发现了大约90种天然存在的重元素。然而,在人类呈现之前,在生命呈现之前,在太阳系形当作之前,甚至在最早的恒星呈现之前,在宇宙的早期阶段只是一片由质子、中子和电子构成的、炽热的离子海洋。
跟着年青、炽热、浓密的宇宙随时候的膨胀和冷却,最终达到了一个可以不变融合质子和中子形当作原子核的水平。因为早期辐射粒子(本家儿如果光子)的能量过高会导致原子核被电离,也可以认为会被炸开。
这个时辰质子和中子的融合称为大爆炸核合当作,其实跟恒星聚变的事理一样,也是一系列的连锁反映。但一个不竭膨胀的宇宙不管从密度仍是温度上来说都不及恒星焦点的前提。
是以在一次连锁反映之后,我们获得了一个这样的宇宙(按照原子核的数目计较),此中氢占92%,氦占8%,锂占0.00000001%,铍占10^-19。为什么没有形当作更重的元素?
单个质子和单个中子融合形当作氘,这是链式反映中形当作重元素的第一步,要想完当作这一步宇宙必需先冷却下来,可是当宇宙达到相对较低的温度和密度时,除了少量的氦以及微量的锂以外,宇宙就已经制造不出来任何比锂更重的元素了(具体细节可以戳上面的链接)。是以宇宙在很短的一段时候里,锂(元素周期表上的第三种元素),是宇宙中第三丰硕的元素。
可是宇宙一旦起头形当作恒星,一切城市发生改变。
在第一颗恒星降生的那一刻,也就是宇宙大爆炸后大约5万万到1亿年间,大量的氢起头融合当作氦。但更主要的是,那些质量最大的恒星(质量是我们太阳的8倍以上的恒星)燃烧氢燃料的速度很是快,只需要几百万年的时候就能耗尽氢,一旦这些大质量恒星的焦点耗尽了氢,氦核就会缩短并起头将三个氦核融合当作碳!只要在整个宇宙中存在大约一万亿颗这样的重恒星,锂作为第三丰硕元素的位置就会不保。
但最终打破记载,占有第三位置的会是碳元素吗?
我们知道恒星是在近似与洋葱层中融合元素的。此中氦聚变生当作碳,然后在更高的温度下,碳聚变生当作氧,氧聚变生当作硅和硫,硅最终聚变生当作铁。在最结尾,铁无法融合当作其他任何元素,是以焦点内爆,恒星酿成超新星。
超新星的爆发丰硕了宇宙介质中元素的当作分,包罗返回的氢,氦,碳,氧,硅,和所有经由过程其他过程形当作的元素:
慢中子俘获(s过程),按挨次形当作元素,
氦原子核与较重元素的聚变(发生氖、镁、氩、钙等),以及
快中子俘获(r过程),缔造比铁更重的元素,一向到铀,甚至更重。
超新星爆发今后会发生大量的自由中子,这些中子会和其他原子核碰撞并被捕捉,所以称为中子捕捉过程,此中按捕捉的速度又分为快和慢。它们都可以形当作在恒星聚变过程中,无法发生的元素。
颠末很多代的恒星,这一过程不竭的反复。而大质量恒星并不只是简单地将氢融合当作氦来发生能量(也就是质子-质子链反映),而是更多的在所谓的碳-氮-氧轮回(也称为贝斯-魏茨泽克-轮回)中融合氢来发生能量,跟着时候的推移,碳和氧的数目会趋于均衡(氮的含量有所削减)。 当恒星履历氦融合发生碳今后,很轻易再获得额外的氦原子来形当作氧,甚至在氧中插手另一个氦来形当作氖。 当一颗恒星大到足以起头将碳燃烧当作氧时,这个过程几乎完当作的很彻底,是以发生的氧要比碳多得多。
当我们不雅察超新星遗迹和行星状星云时,它们别离是超大质量恒星和类太阳恒星的遗迹,我们发此刻所有的环境下,氧的质量和数目都远远跨越了碳。我们还发现,其他较重的元素都没有氧的含量高!这些氧原子可以在气体云中键合形当作氧气,甚至和其他元素构成加倍复杂得化学分子。
宇宙的寿命和恒星存在的时候,告诉我们氧是宇宙中第三丰硕的元素。但它仍然远远掉队于氦和氢。
总结
颠末足够长的时候周期,至少是此刻宇宙春秋的几千倍,甚至可能是几百万倍,氦最终可能跨越氢当作为宇宙中最丰硕的元素。在很是长的时候标准上,宇宙中的元素颠末一代又一代恒星的融合,甚至碳和氧最终可能会跨越氦称为宇宙中最丰硕的元素。
宇宙仍在转变!氧是今朝宇宙中第三丰硕的元素,在很是遥远的将来,甚至可能有机遇跟着氢,然后可能是氦从高位跌落而进一步上升。当我们每次一次呼吸并感应知足的时辰,应该感激所有在我们之前存在的星星,因为它们是地球拥有氧气的独一的原因!
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