因为国际元素周期表年,我们已经讨论了很多周期表,它的历史,以及不同的形状。也许是时候谈谈填充它的化学元素了。每个元素在原子核中都有不同数量的质子,而同位素则呈现不同数量的中子。你有没有想过为什么我们有这么多(或这么少)元素?为什么有的是丰富的,有的是稀缺的?它们来自哪里?他们是怎么和什么时候创建吗?

我们DNA中的氮,牙齿中的钙,血液中的铁,苹果派中的碳,都是在坍塌的恒星内部形成的。我们是明星。

宇宙中的卡尔·萨根

信不信由你,这并不是一个异想天开的想法!我们真的是由的东西产生于恒星的中心。此外,一切宇宙是在45亿年前的前几代恒星中形成的,然后通过恒星爆炸释放出来。


核合成与核融合

在大爆炸后的最初几分钟里,一系列的核反应使宇宙充满了氢和氦(还有一点锂)。由于宇宙的迅速冷却,进一步的核生成是不可能的。恒星是由分子云的自引力形成的。由于重力的作用,云层继续向自身塌陷,物质开始升温。最终,云的中心达到了足够高的温度,使氢原子克服电子排斥力,之后它们开始通过一个称为量子隧穿的过程融合在一起。这种融合释放出的能量提供了与引力相反的力量,使恒星稳定下来,不受无限坍缩的影响。

核聚变是一种核反应,两个原子核结合形成一个新的化学元素的原子核。核聚变将所有恒星中的氢转化为氦;在比太阳小的恒星中,这是唯一发生的反应。

恒星核心的巨大引力场创造了一个高密度和高温的环境。在1500万K的温度下,氢气和氦气变成等离子体。也就是说,电子从原子核中分离出来,形成正离子和电子的混合物。在这些条件下,质子(1H)与其他质子反应产生氘(2H)和正电子(下图)。然后氘核发生反应形成氦核(4或与其他质子形成不同的氦同位素(3.他)。其中两个3.原子核可以融合形成一个相当不稳定的铍原子核(6是)那最后分开给予4他和两个质子(1H) 是的。注意,每一步都会释放能量。

化学元素

左图,通过氢聚变产生氦;贝特在1938年提出的CNO循环。(改编自维基百科:Borb抄送BY-SA 3.0)

随着融合的进行,恒星的核心开始凝结并升温,甚至更高,达到如此高的温度,以至于产生的氦很容易通过进一步的融合反应转化为碳或氧4他→12C;12C +4他→16一旦有了碳,它就会作为催化剂,通过一系列的反应,包括碳、氮和氧,被称为CNO循环(上图),在这个循环中释放的能量维持着聚变反应的进行。在质量非常大的恒星中,这引发了较重元素的融合,最终形成了所有的化学元素,直到铁。

说来也奇怪,硼和铍这两种轻化学元素并不是通过聚变产生的,而是通过一种被称为宇宙射线散裂的过程产生的。宇宙射线散裂是指宇宙射线(高能质子)撞击并分解碳或氮等较重的元素。


重元素和恒星的坍塌

铁是一种特殊的元素,因为它标志着放热聚变和吸热聚变之间的转变。向铁中加入额外的质子或中子不会释放能量;更重要的是,对于比铁重的元素来说,聚变需要能量。吸热聚变降低了核心温度,进而停止了聚变过程。这颗恒星现在已经耗尽了燃料,如果没有聚变,就没有任何东西可以对抗重力。当核心达到1.4个太阳质量(即所谓的钱德拉塞卡质量极限)时,恒星将不再支持外层,并在重力作用下崩塌。这个事件可能非常快;电子和质子突然被挤压在一起,产生中子和中微子。这个过程可以在外层开始聚变反应,最终导致恒星作为超新星的剧烈爆炸。

正是在这一点上,形成了最重的化学元素:在超新星爆炸期间。

在超新星中,恒星释放出大量的能量和中子。这是关键,因为现有的原子核可以捕获这些中子,产生更重的元素,如钯或钛。这不再是核聚变,而是中子俘获过程。

最重的元素由两个过程中的一个组成,由它们发生的时间尺度定义:快速过程(r-process)和缓慢过程(s-process)。

  • S过程

中子俘获事件发生的频率是几百年到几千年。在这种情况下,原子核的演化将非常缓慢(想象一下从铁中制造钴所需的时间:56个铁→57个铁→58个铁→59个铁、最后β-decaying59个公司)。然后这个过程继续建立核,直到209个比。超过这一点,没有一个原子核足够稳定,可以经受进一步的中子俘获。这意味着锕系元素不能通过这种途径合成。

  • R-过程

这个过程发生在中子星碰撞过程中,你可以想象这是一个能量非常强烈的过程。在r过程中,中子俘获非常迅速,俘获之间的时间比平均β衰变时间(秒到天)短得多。r过程足够快,可以突破209个Bi。稳定的锕系元素可以产生直接从丰中子前体或从α-decay更重的元素。

化学元素

资料来源:科学类

超新星爆发后,所有这些化学元素都被排出太空,在那里它们可以参与新恒星、行星(像我们这样的行星)的形成,或其他天体。核心的剩余部分要么变成中子星(质量是太阳的4-8倍),要么变成黑洞(质量更大的恒星)。

大爆炸后产生的氢和氦只有2%转化为其他化学元素。尽管人们对它们的机制已经知道很多,但是核发生和核合成仍然是非常有趣的研究领域,试图回答我们是由什么组成的这个问题。

我们是宇宙认识自身的一种方式。

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