宇宙间万物,皆由千变万化的元素组合而成,那么,这些元素究竟源自何处,经历了哪些创生的过程呢?让我们一起探索,宇宙间元素的起源与演变。
所有存在于宇宙中的元素,皆由质子、中子和电子这样的基础粒子构成。原子中心的质子数量,决定了元素的类型。例如,只有一个质子的原子是氢,而两个质子的则是氦,以此类推,更重的元素也可在元素周期表中找到。
似乎只需不断堆积这些基础粒子,即可形成全部元素。然而,这一过程虽然听起来简单,实际操作却颇具挑战。质子携带正电,因此将其聚集颇为困难,这需要极高的温度和压力。接下来,让我们看看,宇宙是如何实现这一点的。
早期宇宙并不如现今这般多彩,空间中散布着大量基础粒子。由于氢的原子核仅含一个质子,形成氢元素十分容易。随着宇宙温度逐渐降低,氢元素广泛散布,构筑了最初的星云。
星云中密度较高之处,在引力作用下慢慢聚集,形成原始恒星。同时,恒星核心的温度与压力随着重力增长而上升。
若恒星质量足够大,核心的温度和压力便能达到让质子聚合的条件,生成新元素。这一过程中,伴随着巨大能量的释放,即核聚变。
为了通过聚变产生更重的元素,需要更高的温度与压力,这导致大部分恒星在聚变重元素前便终结生命,例如太阳最多只能聚变到碳和氧。
只有质量足够的恒星能够引发一轮又一轮的核聚变,形成更重的元素。但当大质量恒星内部核聚变到达铁元素时,聚变便不能继续。
由于铁元素的聚变过程吸能,大质量恒星的内核在铁元素聚变后,因缺失与重力抗衡的能量而迅速坍塌,引发超新星爆炸。这是宇宙中大部分比铁重的元素产生的关键时刻。
注意,核聚变的终点是铁,但宇宙中比铁重的元素并非都由此产生!在宇宙中,比铁重的元素主要通过一种称为“中子俘获”的核反应形成。中子俘获即原子核与中子结合,形成更重的核。
以铁56为例,俘获一个中子后变为铁57,原子核可能因不稳定而β衰变,一个中子转为质子,于是变为钴57(注:此例仅为解释机制,实际过程复杂)。
中子俘获有“快”、“慢”之分。慢中子俘获在恒星内部进行,概率低,反应时间需数万至数十万年。超新星爆炸时产生大量中子,短时间内轻元素原子核俘获中子,随后β衰变,形成比铁更重的稳定元素,即快中子俘获。
这样,宇宙中所有的元素得以产生,包括我们视为珍宝的金、铂等贵金属。它们的珍贵,在于生成它们的大质量恒星较为稀有。
还要指出,超新星爆炸并非只限于大质量恒星,中子星与白矮星等致密天体合并时也会发生。
宇宙中古老庞大的天体,以壮丽方式结束生命,将其一生所创造的元素散布于宇宙,形成星云,孕育新的恒星、行星及我们所见的一切,甚至包括我们自身。
以上便是宇宙间元素的起源与演变,由此可见,我们身体的每个细胞、分子、原子均源自久远的恒星,记录着宇宙中那些美丽的篇章。