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化学元素的起源

2018-07-10  启云_9137

在古代,无论中国还是外国,都有人在不断地研究炼金术,企图利用廉价的材料炼制出黄澄澄的金子来。现代科学表明炼金术仅仅是在化学层面上来操作,通过化合和分解来改变分子,而无法改变原子的属性,因此炼金术是必然会失败的。

要想由其他物质来产生金子,必须通过裂变反应或聚变反应这样的核反应才有可能。但是这种核反应方法的成本极高,产生的金子价值远远低于所要使用的器材、原料、能量所需的费用,是绝对赔本的买卖。而自然界的金子则是在宇宙这个“炼金炉”中炼制出来的。

大家知道,地球上的物质是由化学元素(以下简称元素)所组成的。目前已知的元素有118 种,其中94种是在自然界中存在的,其他是人工合成的。关于元素起源这一科学问题,是在20世纪天体物理学的发展过程中逐步得到解决的。

1. 宇宙大爆炸的产物

按照宇宙大爆炸标准模型,宇宙在大爆炸初期是一个高温高密的火球,其中包含着极大的能量。在宇宙的极早期,先后形成了暗能量和暗物质,这些东西一直保留到宇宙的终结。

根据爱因斯坦的质量能量公式,宇宙大爆炸中的能量可以产生出成对的正物质和反物质,而正物质和反物质又碰在一起而“湮灭”,将能量放出来。这时的宇宙像一锅煮沸的汤,正物质和反物质不停地生生灭灭,这被称之为“粒子汤”。

随着宇宙的膨胀,温度不断地下降。到了宇宙大爆炸发生后的一秒钟时,温度下降到一百亿度,这时成对的正物质和反物质都湮灭成了能量,形成了光。然而,由于正物质比反物质略微多了亿分之一,因此宇宙中最终留下了极少量的正物质,就是质子、中子和电子。

宇宙大爆炸后的三分钟,温度下降到七亿度,这时中子和质子结合形成氦原子核,剩余的质子即是氢原子核。此时,宇宙中包含了75% 的氢元素、25% 的氦元素和极少量的锂元素。

这是因为自由中子的半衰期为约10 分钟,只有中子与质子组成原子核才能不衰变。质子是氢原子核,再结合中子成为氘和氚的原子核,氘和氚与质子反应形成氦3和氦4,并可进一步生成锂原子核(图1)。

图1 原初核合成的反应过程。

其中g 为光子、p 为质子、n 为中子、

d 为氘、t 为氚、a 为氦

因此,元素周期表的头三个元素:氢、氦、锂就是在宇宙大爆炸中产生的,这被称为“原初核合成”。对宇宙中氢、氦、锂等元素的含量(丰度)进行观测,结果与宇宙大爆炸理论模型的预言是一致的,证明原初核合成的理论是正确的。同样,对这样元素的丰度的测量,也可以很好地限定宇宙学模型的理论参数,比如宇宙中重子物质的比例、中微子种类数等。

2

恒星炼金炉

在宇宙大爆炸后30万年,温度下降到3000度,电子和原子核结合成为原子,形成了氢原子和氦原子等组成的气体。这时,宇宙就变得透明了,原来由正反物质湮灭而形成的光就可自由地辐射出来,形成了宇宙背景辐射。

到了宇宙大爆炸后5亿年,在引力的作用下,由氢原子和氦原子等组成的气体不断收缩凝聚,形成了星系,而星系中的气体又凝聚成恒星。

(1)氢燃烧

在恒星形成时,组成恒星的气体不断向中心聚集,恒星中心的温度越来越高。当中心温度达到1000万度时,就发生氢聚变为氦的核反应,称之为“氢燃烧”。氢燃烧的开始标志着恒星的正式诞生,此时氢燃烧产生的能量与气体的引力达到平衡,恒星进入主序阶段。

对于第一代恒星来说,氢燃烧的核反应是pp 链反应,即质子-质子反应(图2).

图2 氢燃烧的pp 链反应

由于提出氢燃烧是恒星的能源机制,且把恒星能源与元素起源有机联系起来,1967年,美国物理学家贝特成为在天体物理领域第一个获得诺贝尔物理学奖的人。氢燃烧时会放出中微子,美国天文学家戴维斯因长期致力于探测太阳中微子而获得2002年诺贝尔物理学奖。

氢燃烧是恒星生命中的主要阶段,不同质量的恒星其氢燃烧的时间也不一样,质量越大的恒星其寿命也越短。这是因为质量越大的恒星,其向中心收缩的引力就越强,因此恒星中心的核反应要更加剧烈才能抵抗住引力的作用,使得整个恒星达到平衡。实际上,向心的引力越强,中心的温度就越高,中心的密度也越大,高温高密度条件下的核反应也就越剧烈,恒星核心的“核燃料”氢元素消耗得越快,恒星的寿命也就越短。

对于在氢燃烧阶段的恒星(即主序星),其颜色基本上和恒星质量相对应,偏红色的恒星的质量偏小,偏蓝色的恒星的质量偏大。像我们的太阳是黄色,属于小质量恒星。

(2)氦燃烧

恒星演化到晚期,其核心的氢聚变为氦,中心的氢燃烧停止。没有了能量的支撑,恒星气体在引力的作用下向中心收缩,随着中心温度越来越高,中心氦气体之外的氢气体开始氢燃烧,当中心温度达到1 亿度时,中心的氦开始聚变为碳,这就是“氦燃烧”,此时恒星进入红巨星阶段。3a过程进行,即3 个氦原子核聚变为1 个碳原子核(图3)。

图3 氦燃烧的核反应

(3)碳燃烧和硅燃烧

对于小质量恒星,如太阳,在氦燃烧结束后,其外壳被抛掉形成行星状星云,而核心则凝聚成白矮星。

对于大质量的恒星,在氦燃烧之后还有一系列的核聚变反应。当氦燃烧结束后,恒星中以碳元素为主的核心在引力作用下不断收缩,温度不断升高,最终开始碳燃烧。如此循环往复,在恒星核心的“炼金炉”中,把碳炼成氖和氧,氖炼成氧和镁,氧炼成硅和硫,硅炼成铁和镍。这些核反应主要通过a过程实现的(图4 和图5),参加核反应的都是a元素,及其原子核可以看作是由若干个氦原子核所组成的。

图4 核合成的a 过程

图5 硅燃烧

例如,一个20个太阳质量的恒星,氢燃烧的持续时间是700万年,氦燃烧是50万年,碳燃烧是600年,氖燃烧是1年,氧燃烧是半年,而硅燃烧仅为1 天。

这样,大质量的恒星可以在其核心炼成从氢直到铁的各种化学元素,其核心就成了元素的“炼金炉”。恒星的核心成了“洋葱”形状,中心是铁核,外面是一层层的核聚变反应,外层的核聚变产物就是里层正在燃烧的元素(图6)。

图6 超新星爆发前的恒星核心

3. 火球

大质量恒星演化在硅燃烧结束时,其核心是由铁族元素组成的。由于铁族元素的结合能最高(图7),再无法通过聚变反应或裂变反应产生能量,这样恒星的核心在引力的作用下向中心坍缩,强大的引力把所有原子中的电子给压进了原子核中,最后都变成了中子。核心的物质继续向心坍缩,最后形成中子星或黑洞。在铁核的中子化过程中放出大量的中微子,其所带的能量将恒星的外壳爆开,这就是超新星爆发现象。日本物理学家小柴昌俊因探测到1987年超新星SN1987A 在爆发时产生的中微子而获得2002年诺贝尔物理学奖。

图7 元素的结合能

在超新星爆炸过程中,由于恒星核心有着大量的高能中子,这些中子与各种元素的原子核进行核反应,这种核反应叫做r过程,即快中子过程。r 过程是指一个原子核被打入多个中子,形成不稳定的富中子同位素,这些同位素衰变后形成新的元素。也就是说,在超新星爆发过程中形成了从铁直到铀的各种元素。像金和银这样的贵重金属就是在超新星爆发中产生的,最近的研究表明,形成银元素的低质量超新星要比形成金元素的高质量超新星数量更多,分布更广,这就解释了为什么地球上银比金更多。

除了超新星的r 过程以外,在恒星的氦燃烧也可以通过慢中子过程(s 过程)产生铁以后的元素。这就是在恒星中的元素核合成理论(图8),该理论的创始人之一美国物理学家福勒获得了1983 年的诺贝尔物理学奖。

图8 元素核合成的主要过程

就这样,恒星从星际气体中诞生,死亡时再将大部分物质还回星际气体中,而新的恒星又将从星际气体中诞生。在这个恒星的生死循环中,恒星的核心就如同“炼金炉”一样,不断地产生化学元素。大质量的恒星可以在其核心中产生直到铁的元素,而在它死亡时的超新星爆炸中,可以再产生出直到铀元素的自然界所存在的全部化学元素,并通过爆炸将这些化学元素抛散到星际空间中去。以后,从星际空间中再诞生的新一代恒星就拥有了所有这些化学元素。我们的太阳至少是第二代恒星,在太阳诞生以前肯定发生过超新星爆炸,唯有这样,才有可能在地球上找到从氢到铀的94种化学元素。

到宇宙大爆炸后八十多亿年,我们的太阳系才诞生。正因为有了硅和铁等元素,才形成了地球这样的行星;正因为有了碳和氧等元素,地球上才诞生了生命,才进化出了我们人类;正因为有了这94种元素,才形成了我们所看到的丰富多彩的自然界的一切。

本文选自《现代物理知识》2014年第3期 时光摘编

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