[科普读物]元素的形成过程

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战肥臀

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我们上初高中时，都会被要求背诵元素周期表的一部分，初中可能要求背前20个，到了高中则被要求得更多一些。至今很多人毕业许多年之后，依然对元素周期的一部分滚瓜烂熟。不知道你有没有想过一个问题，那就是这些元素到底是咋来的？

关于这个问题，实际上，如今科学家应该搞明白了许多。今天，我们就来聊聊，元素都是咋来的？

宇宙大爆炸
上世纪30年代左右，当时宇宙大爆炸的理论开始在学术圈逐渐传播，但是并没有得到很多科学家们的认可。后来，有一批粒子物理学家加入到了完善宇宙大爆炸理论的研究当中。

当时，科学家就发现，宇宙大爆炸早期，空间中充满了能量以及夸克，中微子。后来，随着温度的逐渐降低，一对高能光子碰撞可以产生一对正反的物质粒子，比如：电子和它的反粒子正电子。

所以，早期的宇宙有过一段“创造物质粒子”的时光。我们都知道，如今化学反应的最小单位是原子，而原子是由电子和原子核构成的，而原子核又是由质子和中子构成的。

随着宇宙历史的发展，先是形成了原子核，接着到了宇宙38万岁时，又形成了原子结构。而我们都知道，氢原子核当中只有一个质子，而氦原子核只有2个质子和2个中子，因此，早期宇宙形成的原子其实都是元素周期表靠前的元素原子，主要就是氢原子和氦原子。

恒星：元素炼丹炉
到了宇宙2亿岁时，宇宙中出现了恒星。按照目前主流的观点，恒星是由于分子云的引力塌缩形成的。我们的太阳也是这样，不过太阳是到了距今46亿年前才形成。

按照上文所说的，实际上恒星的主要构成是氢原子和氦原子。由于恒星自身质量巨大，导致内核的温度和压强特别高，还拿太阳举例子，太阳内核就达到了1500万度以及200多万个大气压。

这就使得恒星呈现等离子态，意思是，当中的原子核，电子，光子到处乱串，并不能形成稳定的原子结构。

因此，太阳内核就像一锅粒子粥一样。而我们也知道，太阳内核在发生核聚变反应。我们把太阳（恒星）理解成一个元素的炼丹炉。燃料是氢原子核，而炉渣是氦原子核。原子序数增加了一位。整个过程有2条路径，分别叫做质子-质子反应链和碳氮氧循环。无论是哪种，结果都是氢原子核核聚变生成氦原子核。

那氢原子核烧完了呢？即使如果恒星的质量足够大，还会继续引发核聚变反应，而此时烧的就是氦原子核，炉渣是碳原子核和氧原子核。你会发现，这个时候形成的原子核所对应的的元素的原子序数又增加了。

而我们的太阳一般来说就会停在这里，这是因为质量不够，引力不足以引发碳原子核的核聚变反应。而质量更大的恒星还能继续引发碳原子核的核聚变反应。

如果质量达到8倍太阳质量（也有说是10倍太阳质量）的恒星，内核的核聚变反应可以一直持续下去，一直到铁原子核。由于内核温度特别高，导致外层的温度也跟着升高，最后这一类的恒星整个都在恒聚变反应，每一层都是不同的原子核在核聚变反应，就像洋葱头一样。

其实最外层是氢原子核的核聚变反应，而最内核其实是生成铁原子核的核聚变反应。

可能你要问了，为什么会一直到铁？而不是一直持续下去？
如果我们从原子核的层面来看，铁原子核是最为稳定的原子核。我们也把这种情况叫做比结合能最大。

原子序数比铁元素小的元素原子核发生核聚变都能释放能量，都有聚变的趋势；

而原子序数比铁元素小的元素原子核发生核裂变都会释放能量，都有裂变的趋势。

而铁原子核是个奇葩，如果你要让它核聚变，就需要输入大量的能量，但反应后所释放的能量要远远小于输入的能量，也就是说，入不敷出的，简直就是一个赔本的买卖。但是，超大质量的恒星由于自身引力足够强大，能够提供足够多的能量。于是，这个时候，在恒星内核当中，光子就会进入铁原子核，把原子击穿，释放出大量的质子和中子，质子和电子会发生反应生成中微子和中子。最后，内核在引力的作用下收缩，形成一颗中子星，当然也可能会是一个黑洞。

伴随着中子星的形成，还会发生超新星爆炸，在这个过程的当中，会生成大量的原子序数比铁元素还要大的元素原子。

（这里补充一点，其实在恒星未形成中子星时，恒星内核也有极其少量的原子序数大于铁元素的元素原子核，比如：锌原子核。）

中子星合并
不过，并不是说这就结束了，实际上，像金元素和银元素这些原子序数要高得多的元素只有少量来自于超新星爆炸。那其他的呢？
我们上文也提到，超大质量恒星演化过程中有可能形成一个中子星，而宇宙中还有一种很罕见的现象，那就是中子星和中子星狭路相逢，然后两者发生合并。

而引力波探测器LIGO也确实捕捉到过中子星合并时所产生的引力波。下图是位于路易斯安那州利文斯顿的探测器，其两个干涉臂的方位分别为W28°S与S18°E。

LIGO简介
激光干涉引力波天文台（英语：Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory，缩写：LIGO）是探测引力波的一个大规模物理实验和天文观测台，其在美国华盛顿州的汉福德与路易斯安那州的利文斯顿，分别建有激光干涉仪。利用两个几乎完全相同的干涉仪共同进行筛检，可以大幅度减少误判假引力波的可能性。干涉仪的灵敏度极高，即使臂长为4千米的干涉臂的长度发生任何变化小至质子的电荷直径的万分之一，都能够被精确地察觉。

LIGO是由美国国家科学基金会（NSF）资助，由加州理工学院与麻省理工学院的物理学者基普·索恩、朗纳·德瑞福与莱纳·魏斯领导创建的一个科学项目，两个学院共同管理与营运LIGO的日常操作。在2002年至2010年之间，LIGO进行了多次探测实验，搜集到大量数据，但并未探测到引力波。为了提升探测器的灵敏度，LIGO于2010年停止运作，进行大幅度改良工程。2015年，LIGO重新正式探测引力波。LIGO科学协作负责组织参与该项目的人员，估计全球约有1000多个科学家参与探测引力波，另外，在2016年12月约有44万名活跃的Einstein@Home用户。

在2016年2月11日，LIGO科学协作和Virgo协作共同发表论文表示，在2015年9月14日检测到引力波信号，其源自于距离地球约13亿光年处的两个质量分别为36太阳质量与29太阳质量的黑洞并合。因为“对LIGO探测器及重力波探测的决定性贡献”，索恩、魏斯和LIGO主任巴里·巴里什荣获2017年诺贝尔物理学奖。

引力波探测器只有美国拥有，“LIGO-印度”是倡议中的LIGO实验室和印度引力波观测组织（INDIGO）之间拟议的合作项目，旨在印度打造世界级的引力波探测器。
2024年将升级到Advanced LIGO Plus ，简称 ALIGO+，扩大探测范围。

按照最近的研究发现，像金原子、银原子等原子序数在这个级别的元素原子其实大部分都是依靠中子星合并来形成的。不过，特大质量恒星在众多恒星中占比是极其小的，而中子星合并也是很少见的。因此，才会使得这些元素的含量极其低。物以稀为贵，金这么值钱并不是没有道理。

以上，就是元素周期表中绝大多数元素的由来，我们来总结一下：
氢元素和氦元素来自于宇宙大爆炸；
原子序数小于铁元素的大部分元素来自于恒星的核聚变反应；
原子序数大于铁元素的大部分元素来自于超新星爆炸和中子星合并。

关于，元素周期表中的元素的起源，我们就说到这里。

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