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宇宙间一切事物,皆由各要素经过无比巧妙地结合而成,那么宇宙间各要素究竟从哪里来、如何形成?在古代,人们对这些问题进行了大量的探索和研究,得出许多有趣的结论,这也为后来科学发展奠定了基础。那么,在人类历史上,又有哪些关于“原子”的故事呢?今天要讲的是宇宙间各种要素的前世今生。
宇宙间一切元素均由质子,中子和电子这些基本粒子组成,在这些基本粒子中,原子核里质子的多寡决定着元素类型的多寡,如原子核里只有1个质子即氢和2个质子即氦,而另外一些元素依此类推,详见元素周期表。 我们会发现只需不断堆积这些基本粒子便能制造一切要素。
这类看似简单的事在实际运作中难度较大。因为在进行核聚变反应时,会释放出大量的氢和氦等物质。这些物质中含有大量的氢原子和氦原子。由于质子均带有正电而聚合在一起有相当大的难度,它要求极高的温度和压力。现在就来看看宇宙如何做吧! 早期宇宙没有今天这么绚丽,那时候太空里到处是一堆基本粒子。在这些基本粒子之中有一种叫做“氢”的物质存在着,它是由碳和氧组成的。而地球上最早出现的生命就是通过这种方式诞生的。那么什么叫氢原子呢?因为氢的原子核只含有1个质子,使氢元素易于形成,所以当宇宙温度逐渐降低时,宇宙会被丰富的氢元素所填充,从而形成最原始星云。
星云中比较致密的地方,在万有引力作用下会缓慢地吸积生长成原始恒星,同时其内核的压力和温度,也由于其本身日益增长的重力逐渐上升。 当原始恒星质量到达一定程度时,核内温度和压力都能满足让质子聚合所需条件,此时会有新元素生成,而在此过程中核内也会伴有大量能量放出,即核聚变反应。
为了使重量越大的元素聚变,必须有很高的温度和很强的压力,也就是说宇宙间大多数恒星,还没有来得及聚变出重量越大的要素,便已经终结了它们的一生,比如太阳最高度时只可能聚变出碳、氧。 在所有的恒星中,每一轮又一轮的核聚变反应之后,才会有一颗大质量的恒星产生出更多的铁元素来进行核聚变。 由于铁的聚变具有吸能作用,当大质量恒星内部的核聚变对铁产生化学反应时,它的内核由于丧失了对抗自身重力的能力,很快就崩溃了,最后出现了力量惊人的超新星爆发(U新星爆发).宇宙中绝大部分比铁还重的物质,都产生于这一阶段。
要知道核聚变反应最多只会聚变出铁,宇宙中那些比铁还重的物质,可不是通过核聚变形成的! 这是因为有一种叫做“中子俘获”的核反应在起作用。 这种反应通常需要几个质子和一个电子参与才能完成。但最近科学家发现了另一类型的中子俘获现象——原子之间也会发生中子俘获。这一新发现可能为理解宇宙线起源提供新线索。 所谓中子俘获就是原子核和中子发生碰撞组合而产生重核。
如铁56捕获一中子时,则成为铁57,其后其核可能由于不稳定而β衰,此时一中子衰变为质子,其原子序数再加上1,则成为钴57(注意:本例只需简单解释,你不需要较真。其实中子捕获反应远为复杂,但其原理是如此)。 中子俘获有“快”和“慢”两种方式,所谓慢中子俘获是指在恒星内部进行的,通常需要较长的反应时间,一般可以达到几十万年以上。 而且当超新星喷发时,产生了巨量中子,其中轻元素原子核短时间内捕获了大量中子,但是这些富中子原子核是非常不稳定的,它将迅速β衰变并转化为比铁元素更稳定的原子核即快中子捕获核。
到现在为止,已经产生了宇宙间的一切元素,我们所认为的宝藏——贵重金属元素——金和铂就是如此获得。 在太阳系形成之前,这些金属就已经存在了;而地球和火星上也曾出现过大量的金属矿床。这表明,人类对自然的探索还远未达到登峰造极的程度。 我们还能看到它们看起来那么宝贵,这仍然是非常合理的。毕竟在宇宙中没有多少大质量恒星。 应该注意到超新星爆发并非大质量恒星所专有。当中子星、白矮星以及其他致密天体并合时也有这种现象。
宇宙间古老而又庞大的天体以这一瑰丽的姿态终结了它们的一生,而把毕生所创造的种种要素抛到宇宙空间里去,从而产生了形形色色的星云。 当它们消失后,其中一部分被称为“死亡云”,另一部分则成为了“新生云”.而这两者之中,有一些是以某种形式存在着。那就是我们肉眼所能见到的物质世界。 这些星云里还将孕育着下一代恒星、行星和我们现在所能感知的所有东西,其中也有我们自身。 上面,是宇宙间各种要素的过去和现在,从中我们可以发现,构成我们人体的每一个细胞,每一个分子,每一个原子,都是在古老的恒星上诞生的,它们记录了宇宙里那些优美的章节。 |
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