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我们身体中的多数元素都是在恒星中合成的 精选

已有 3652 次阅读 2021-9-29 19:01 |系统分类:科普集锦

我们身体中的多数元素都是在恒星中合成的

在自然界中,有92种不同的原子,它们被排列成“元素周期表”。每个原子在表中的位置取决于其原子核中质子的数量。元素周期表从1号元素氢到92号元素铀共有92种元素。原子核中不仅含有质子,含有中子。中子比质子稍重一些,但不带电荷。一些核具有相同的质子数,不同的中子数我们把这些核素叫作同位素。例如,碳元素在元素周期表中属于6号元素:它的原子核中含有6个质子。最常见的碳原子是12C,它包含6个中子,但还存在拥有7个和8个中子的同位素,分别被称为13C和14C。铀是自然界中最重的元素,科学家们却能在实验室里制造出更重的原子核,其原子序数高达118。有些元素的寿命长达数千年,比如钚(94号元素)。多数超重元素不稳定,易于衰变。编号超过100的元素可以在原子核碰撞实验中被制造出来,但很快就会发生衰变。

 

恒星中首先发生的核过程是氢(1号元素)燃烧过程,质量小的恒星(比如太阳)通过pp反应链,质量大的恒星通过CNO循环反应进行氢燃烧。氢燃烧的总体效果是把四个氢转换成一个氦,放出26兆电子伏特的能量,这些能量是恒星持续发光发热的能源。当一颗大质量恒星内核的氢元素全部转化为氦元素(2号元素)后,恒星的内核便会向内收缩,恒星核心的温度继续升高,直到氦元素能够参与核聚变反应。由于氦原子核的电荷是氢原子核的2倍,因此它们需要更快地碰撞,以克服更强烈的电斥力,这就需要更高的温度。当氦耗尽时,恒星会进一步收缩并升温。像太阳这类普通大小的恒星无法获得足够高的温度,使核聚变长久地进行下去,这类恒星的命运就此结束,转而变成白矮星。但质量更大的恒星因为具有更强大的引力,其中心温度可以达到10亿摄氏度。此时,恒星核心的氦元素可以通过3α过程生成碳元素(6号元素),这些恒星会释放出更多能量,并引起一系列核聚变反应,产生更重的原子核:氧、氖、钠、硅等原子核。特定原子核形成时所释放的能量取决于将其质子和中子“黏合”在一起的核力与质子之间的静电排斥力之间的对抗程度。铁原子核(包含26个质子)比其他任何原子核结合得都要紧密,必须增加能量(而不是释放能量)才能形成比它更重的原子核。因此,当恒星的内核都被转化为铁原子核之后,将会面临一场能源危机。

随后的发展充满了戏剧性。一旦铁原子核所占的比例超过一定的阈值(约1.4个太阳质量),引力就会占上风,铁原子核向内坍缩到中子星大小,同时释放出巨大的能量,形成一次大爆炸,外部物质被抛向太空,最终变为一颗超新星。此时的恒星形成一种“洋葱”似的结构:氢和氦仍在外层燃烧,而较热的内层物质按照元素周期表的排列顺序由外向内依次分布。被抛回太空的碎片中包含了这些混合在一起的元素,氧是最常见的,其次是碳、氮、硅和铁。结合所有类型的恒星及其所经历的各种演化阶段,我们可以计算出这些元素之间的比例,得出的结果与在地球上观察到的比例一致。

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恒星的洋葱结构


铁元素在元素周期表中仅仅排列在第26位。初看之下,形成比铁原子重的原子似乎是一个问题,因为必须注入更多能量才能合成它们。不过,恒星在坍缩过程中产生的高温,形成爆炸产生冲击波冲击波中包含大量中微子和中子流,这些中子和中微子流将同种子核发生反应产生了元素周期表中的其余元素这些元素经过衰变形成自然界中从第26号铁到第92号铀的各种比较稳定的核素

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超新星爆炸与重元素合成




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