宇宙間一切事物,皆由各要素經過無比巧妙地結合而成,那么宇宙間各要素究竟從哪里來、如何形成?在古代,人們對這些問題進行了大量的探索和研究,得出許多有趣的結論,這也為后來科學發展奠定了基礎。那么,在人類歷史上,又有哪些關于“原子”的故事呢?今天要講的是宇宙間各種要素的前世今生。
宇宙間一切元素均由質子,中子和電子這些基本粒子組成,在這些基本粒子中,原子核里質子的多寡決定著元素類型的多寡,如原子核里只有1個質子即氫和2個質子即氦,而另外一些元素依此類推,詳見元素周期表。
我們會發現只需不斷堆積這些基本粒子便能制造一切要素。
這類看似簡單的事在實際運作中難度較大。因為在進行核聚變反應時,會釋放出大量的氫和氦等物質。這些物質中含有大量的氫原子和氦原子。由于質子均帶有正電而聚合在一起有相當大的難度,它要求極高的溫度和壓力。現在就來看看宇宙如何做吧!
早期宇宙沒有今天這么絢麗,那時候太空里到處是一堆基本粒子。在這些基本粒子之中有一種叫做“氫”的物質存在著,它是由碳和氧組成的。而地球上最早出現的生命就是通過這種方式誕生的。那么什么叫氫原子呢?因為氫的原子核只含有1個質子,使氫元素易于形成,所以當宇宙溫度逐漸降低時,宇宙會被豐富的氫元素所填充,從而形成最原始星云。
星云中比較致密的地方,在萬有引力作用下會緩慢地吸積生長成原始恒星,同時其內核的壓力和溫度,也由于其本身日益增長的重力逐漸上升。
當原始恒星質量到達一定程度時,核內溫度和壓力都能滿足讓質子聚合所需條件,此時會有新元素生成,而在此過程中核內也會伴有大量能量放出,即核聚變反應。
為了使重量越大的元素聚變,必須有很高的溫度和很強的壓力,也就是說宇宙間大多數恒星,還沒有來得及聚變出重量越大的要素,便已經終結了它們的一生,比如太陽最高度時只可能聚變出碳、氧。
在所有的恒星中,每一輪又一輪的核聚變反應之后,才會有一顆大質量的恒星產生出更多的鐵元素來進行核聚變。
由于鐵的聚變具有吸能作用,當大質量恒星內部的核聚變對鐵產生化學反應時,它的內核由于喪失了對抗自身重力的能力,很快就崩潰了,最后出現了力量驚人的超新星爆發(U新星爆發).宇宙中絕大部分比鐵還重的物質,都產生于這一階段。
要知道核聚變反應最多只會聚變出鐵,宇宙中那些比鐵還重的物質,可不是通過核聚變形成的!
這是因為有一種叫做“中子俘獲”的核反應在起作用。 這種反應通常需要幾個質子和一個電子參與才能完成。但最近科學家發現了另一類型的中子俘獲現象——原子之間也會發生中子俘獲。這一新發現可能為理解宇宙線起源提供新線索。 所謂中子俘獲就是原子核和中子發生碰撞組合而產生重核。
如鐵56捕獲一中子時,則成為鐵57,其后其核可能由于不穩定而β衰,此時一中子衰變為質子,其原子序數再加上1,則成為鈷57(注意:本例只需簡單解釋,你不需要較真。其實中子捕獲反應遠為復雜,但其原理是如此)。
中子俘獲有“快”和“慢”兩種方式,所謂慢中子俘獲是指在恒星內部進行的,通常需要較長的反應時間,一般可以達到幾十萬年以上。
而且當超新星噴發時,產生了巨量中子,其中輕元素原子核短時間內捕獲了大量中子,但是這些富中子原子核是非常不穩定的,它將迅速β衰變并轉化為比鐵元素更穩定的原子核即快中子捕獲核。
到現在為止,已經產生了宇宙間的一切元素,我們所認為的寶藏——貴重金屬元素——金和鉑就是如此獲得。 在太陽系形成之前,這些金屬就已經存在了;而地球和火星上也曾出現過大量的金屬礦床。這表明,人類對自然的探索還遠未達到登峰造極的程度。 我們還能看到它們看起來那么寶貴,這仍然是非常合理的。畢竟在宇宙中沒有多少大質量恒星。
應該注意到超新星爆發并非大質量恒星所專有。當中子星、白矮星以及其他致密天體并合時也有這種現象。
宇宙間古老而又龐大的天體以這一瑰麗的姿態終結了它們的一生,而把畢生所創造的種種要素拋到宇宙空間里去,從而產生了形形色色的星云。 當它們消失后,其中一部分被稱為“死亡云”,另一部分則成為了“新生云”.而這兩者之中,有一些是以某種形式存在著。那就是我們肉眼所能見到的物質世界。 這些星云里還將孕育著下一代恒星、行星和我們現在所能感知的所有東西,其中也有我們自身。
上面,是宇宙間各種要素的過去和現在,從中我們可以發現,構成我們人體的每一個細胞,每一個分子,每一個原子,都是在古老的恒星上誕生的,它們記錄了宇宙里那些優美的章節。