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氦-3元素(氢和氦是宇宙中最丰富的元素,那第三丰富的元素是什么?)

原子原子核和绕核运动的电子组成,原子构成一般物质的最小单位,称为元素。

氢元素在地球上肯定是最丰富的元素,排在第二位的是氦,那么第三丰富的元素呢?你知道是哪个?

早期宇宙的元素形成

在地球上我们见到过、接触过的所有物质都是由相同的两种亚原子粒子组成的,分别是带正电荷的原子核带负电荷的电子。这两种亚原子粒子组成的原子之间的相互作用的方式(相互吸引、排斥、结合,组成新的、稳定的能态)是我们周围世界存在的原因。


虽然正是这些原子的量子和电磁特性使我们今天的宇宙得以存在,但我们知道,宇宙一开始并没有创造出组成万物所必需的基本成分,更没有所谓的化学键和大分子结构。

那么为了形成不同的化学键结构,为了构建复杂的分子,我们就需要大量不同的原子。不仅数量要大,而且原子的类型也要充满多样性,或者原子核中质子的数量要有很大的差异。

我们人体存在本身需要碳、氮、氧、磷、钙和铁等元素,而这些元素在宇宙最初形成时并不存在。我们地球的存在本身就需要硅和无数其他重元素,甚至是从元素周期表中最轻的元素一直到我们发现的自然产生的最重元素:铀,甚至是微量的钚。


事实上,我们在太阳系中所有的星球上都发现了元素周期表中所有重元素存在的迹象,除了在人类干预下创造的重元素外,我们已经在自然界发现了大约90种自然存在的重元素。然而,在人类出现之前,在生命出现之前,在太阳系形成之前,甚至在最早的恒星出现之前,在宇宙的早期阶段只是一片由质子中子和电子组成的、炽热的离子海洋。


随着年轻、炽热、稠密的宇宙随时间的膨胀和冷却,最终达到了一个可以稳定融合质子和中子形成原子核的程度。因为早期辐射粒子(主要是光子)的能量过高会导致原子核被电离,也可以认为会被炸开。

这个时候质子和中子的融合称为大爆炸核合成,其实跟恒星聚变的道理一样,也是一系列的连锁反应。但一个不断膨胀的宇宙不管从密度还是温度上来说都不及恒星核心的条件。


因此在一次连锁反应之后,我们得到了一个这样的宇宙(按照原子核的数量计算),其中氢占92%,氦占8%,锂占0.00000001%,铍占10^-19。为什么没有形成更重的元素?

单个质子和单个中子融合形成氘,这是链式反应中形成重元素的第一步,要想完成这一步宇宙必须先冷却下来,但是当宇宙达到相对较低的温度和密度时,除了少量的氦以及微量的锂以外,宇宙就已经制造不出来任何比锂更重的元素了(具体细节可以戳上面的链接)。因此宇宙在很短的一段时间里,锂(元素周期表上的第三种元素),是宇宙中第三丰富的元素。

但是宇宙一旦开始形成恒星,一切都会发生改变。


在第一颗恒星诞生的那一刻,也就是宇宙大爆炸后大约5千万到1亿年间,大量的氢开始融合成氦。但更重要的是,那些质量最大的恒星(质量是我们太阳的8倍以上的恒星)燃烧氢燃料的速度非常快,只需要几百万年的时间就能耗尽氢,一旦这些大质量恒星的核心耗尽了氢,氦核就会收缩并开始将三个氦核融合成碳!只要在整个宇宙中存在大约一万亿颗这样的重恒星,锂作为第三丰富元素的位置就会不保。


但最终打破纪录,占据第三位置的会是碳元素吗?

我们知道恒星是在类似与洋葱层中融合元素的。其中氦聚变生成碳,然后在更高的温度下,碳聚变生成氧,氧聚变生成硅和硫,硅最终聚变生成铁。在最末端,铁无法融合成其他任何元素,因此核心内爆,恒星变成超新星


超新星的爆发丰富了宇宙介质中元素的成分,包括返回的氢,氦,碳,氧,硅,和所有通过其他过程形成的元素:

超新星爆发以后会产生大量的自由中子,这些中子会和其他原子核碰撞并被捕获,所以称为中子捕获过程,其中按捕获的速度又分为快和慢。它们都可以形成在恒星聚变过程中,无法产生的元素。


经过许多代的恒星,这一过程不断的重复。而大质量恒星并不只是简单地将氢融合成氦来产生能量(也就是质子-质子链反应),而是更多的在所谓的碳-氮-氧循环(也称为贝斯-魏茨泽克-循环)中融合氢来产生能量,随着时间的推移,碳和氧的数量会趋于平衡(氮的含量有所减少)。 当恒星经历氦融合产生碳以后,很容易再获得额外的氦原子来形成氧,甚至在氧中加入另一个氦来形成氖。 当一颗恒星大到足以开始将碳燃烧成氧时,这个过程几乎完成的很彻底,因此产生的氧要比碳多得多。


当我们观察超新星遗迹和行星状星云时,它们分别是超大质量恒星和类太阳恒星的遗迹,我们发现在所有的情况下,氧的质量和数量都远远超过了碳。我们还发现,其他较重的元素都没有氧的含量高!这些氧原子可以在气体云中键合形成氧气,甚至和其他元素组成更加复杂得化学分子。

宇宙的寿命和恒星存在的时间,告诉我们氧是宇宙中第三丰富的元素。但它仍然远远落后于氦和氢。


总结

经过足够长的时间周期,至少是现在宇宙年龄的几千倍,甚至可能是几百万倍,氦最终可能超过氢成为宇宙中最丰富的元素。在非常长的时间尺度上,宇宙中的元素经过一代又一代恒星的融合,甚至碳和氧最终可能会超过氦称为宇宙中最丰富的元素。


宇宙仍在变化!氧是目前宇宙中第三丰富的元素,在非常遥远的未来,甚至可能有机会随着氢,然后可能是氦从高位跌落而进一步上升。当我们每次一次呼吸并感到满足的时候,应该感谢所有在我们之前存在的星星,因为它们是地球拥有氧气的唯一的原因!

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