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第三元素(宇宙第三元素之谜)

好闻分享 wpadmin 2年前 (2022-04-12) 128次浏览 0个评论

三种元素(宇宙第三种元素的奥秘)

宇宙中最常见的元素首先是氢,其次是愚蠢。”

——哈尔兰·艾莉森

国家航空与航天局

第三个呢?

现实世界中的一切都是由两种东西组成的——一个带正电荷的原子核和一个带负电荷的电子。原子的推、拉、吸、斥,原子的组合,原子形成的分子、离子、电子的能量状态,构成了整个世界。

虽然我们看到的宇宙的特征是由这些原子的量子和电磁特性,以及它们的组成决定的,但我们也有必要知道,宇宙从一开始就没有我们今天所知道的所有原材料。事实上,最初的宇宙非常单调。

物质的各种结构方式,以及作为基本材料的复杂分子,都依赖于种类繁多的原子。我们需要的不仅是大量的原子,而且是多种多样的原子,它们的原子核中有不同数量的质子——这是不同元素能够相互区分的根本原因。

我们的身体需要碳、氮、氧、磷、钙和铁。地壳由硅和大量重元素组成;要让地核产生热量,我们需要元素周期表顶端的一系列最重的自然元素——钍、镭、铀,甚至微量的钚。

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但回到宇宙非常早期,回到人类和生命、太阳系、行星和恒星尚未出现的时代,世界上的一切都只是一个由质子、中子和电子组成的炽热和电离的海洋。那时候,没有元素、原子和原子核——宇宙太热,所有这些东西都凝聚不起来。只有随着宇宙的逐渐膨胀和冷却,才能出现稳定的物质。

随着时间的推移,之一种原子核开始聚合,出现了氢及其同位素,随后出现了氦及其同位素,以及微量的锂和铍。铍也通过衰变变成锂。这个宇宙,根据原子核的数量,包含大约92%的氢,8%的氦和0.0000001%的锂;如果按质量计算,它含有约75-76%的氢、24-25%的氦和0.0000007%的锂。不管是哪一种,都可以看出当时的宇宙几乎充满了氢和氦。第三名是锂。

几十万年后,宇宙的温度已经下降到足以允许中性原子形成;几千万年后,引力的崩溃引发了恒星的出现。恒星内核的核聚变不仅照亮了宇宙,还为它提供了更重的元素。

当之一颗恒星诞生时,大约是大爆炸后的5000万到1亿年,那时大量的氢开始融合成氦。但是这些更大的恒星(大约是太阳质量的八倍)消耗非常快,只能存在几百万年。一旦氢燃料耗尽,恒星的氦核开始收缩。三个氦核开始融合成一个碳核。这样的巨星在整个宇宙中的数量大约只有一万亿(10)颗(大约10颗恒星出现在宇宙的前一亿年)。此时,原本排名第三的锂开始被其他元素超越。

那么,第三种元素会是碳吗?

因为这样的融合存在于恒星内部的洋葱状结构层中。氦变成碳,然后在更高的温度下,碳聚集成氧,氧聚集成硅和硫,硅最后变成铁。最终,铁无法继续融合,恒星内爆,将自己变成超新星。

国家航空与航天局

超新星中非核聚变反应产生的氢、氦、碳、氧、硅以及所有重元素都是献给宇宙的。慢中子俘获等过程;氦核和其他较重元素的聚变(产生氖、镁、氩、钙等。);以及快中子俘获(产生铀等重元素)。

一代明星不止一个。现在的恒星并不是由原始的氢和氦组成,而是许多前人的后代。这一点非常重要,因为否则的话,宇宙中就不会有岩石行星,只有氢和氦组成的气态巨行星。

国家航空与航天局

在数十亿年的时间里,恒星经历了几代人的生死,其成分也变得越来越复杂多样。现在大质量恒星核心的聚变不是简单的从氢变成氦,而是出现了一种叫做碳-氮-氧循环的方式。通过这种方式,恒星积累了越来越多的碳、氧和氮。

在这种聚变模式下,氦聚变为碳时,很容易得到一个额外的氦原子,变成氧(氧会通过得到另一个氦原子变成氖)。当我们的太阳到达红巨星阶段时,可能会发生类似的事情。

太阳(右上角最小的一颗)、变成红巨星后的太阳(右上角太阳下方,类似于橘色巨星大角星)和红巨星心宿二(更大的一颗)的对比。 *** (一个基于wiki技术的多语言的百科全书协作计划ˌ也是一部用不同语言写成的 *** 百科全书ˌ 其目标及宗旨是为全人类提供自由的百科全书)ˌ开放性的百科全书

因此,在碳成为季军的路上,金曜被杀了一程。当质量足够大的恒星开始碳聚变时,几乎所有的碳都会转化为氧。恒星爆发时,氧的含量会比碳的含量高很多

如果我们观察超新星遗迹和行星状星云,会发现那里的氧含量明显高于碳。而且任何重元素的含量都可以超过氧。

所以在今天的宇宙中,氢和氦的含量排名之一和第二。排在第三位的是氧,其次是碳、氖、氮、镁、硅和铁,硫排在第十位。

未来呢?

在相当长的一段时间内,在宇宙年龄至少达到现在年龄的几千倍甚至几百万倍之前,宇宙中的恒星会不断形成,直到它们所有的燃料都被抛入星系间空或者完全耗尽。届时,氦可能取代氢,成为宇宙之一元素;但如果宇宙中有足够多的孤立的、未消耗的氢,氢的含量仍然会排在之一位。在极其遥远的未来,由于未被抛出星系的物质会被反复用于聚变,碳和氧的含量可能会超过氦;今天排名第三和第四的元素,有一天可能是冠军和亚军。

两颗褐矮星将在很长时间后合并成一颗恒星。这样的天体在足够长的时间后,最终会引发核聚变。国家航空与航天局

我们不能做出明确的结论,因为宇宙一直在变化。今天,氧是宇宙中第三丰富的元素,但在极其遥远的未来,排名可能会上升,氢和氦的含量也可能会下降。

别忘了,死星,我们呼吸的氧气,都是它们提供的。


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