既然「大爆炸」威力如此巨大,為什麼只產生了最輕的幾種元素,反而是超新星爆發產生了最重的元素?
簡單的解釋就是元素核合成需要適當的溫度。溫度太高,宇宙中光子能量超過了原子核結合能,原子核形成了也會被打散。溫度太低,核聚變不能發生,元素也就沒有辦法向更高原子量演化。宇宙大爆炸之後的宇宙整體演化進程中,只有一小段時間溫度恰當適合核合成。在這個過程中只來的及產生了氦和極少量的鋰。更重的元素形成是在恆星演化過程中實現的。
下面是稍微詳細的解釋:
宇宙的熱歷史
圖片來源Nuclear Chemistry of the Big Bang
科學理論上所謂的宇宙大爆炸的實際指的是經典宇宙的開始,這以後的宇宙物理可以在現代物理框架下描述,這之前是什麼樣現在還不清楚。經典宇宙開始的時候溫度大概是10的32次方度,也就是普朗克溫度。在這樣的溫度下不要說原子核了,質子中子也不存在,更基礎的粒子夸克也不存在。宇宙就是一鍋能量湯。
但從進程上看,宇宙大爆炸是一個空間迅速膨脹,物質密度迅速下降,溫度也迅速下降的過程。
所以到宇宙誕生後零點幾秒的時候,宇宙溫度已經降到了10Mev以下(差不多幾百億度量級),質子和中子就開始形成了。所謂氫原子核,其實就是質子。從這個意義上講,最輕的原子核就已經合成了。最開始的時候,質子和中子是可以互相轉化的,但是隨著溫度進一步降低,到1秒鐘以後,質子和中子的數量比就凍結了,比例是7:1,質子多,中子少。中子這個東西很麻煩,你放著它不管,它大概10分多鐘就衰變了,除非你把它結合到原子核里。那麼什麼時候它可以到原子核里呢,這必須要宇宙溫度下降到0.1Mev,也就是10億度以下,一個質子和一個中子可以形成氫的同位素,氘。這個時候宇宙的年齡是100多秒,比中子的半衰期短的多,所以中子都保全下來了。
氘在核反應鏈條上是一個中間產物,大量的氘通過不同路勁最終形成了氦。到宇宙年齡3分鐘的時候,幾乎所有的中子都到了氦裡面。如果記得我們剛才說過宇宙質子和中子的比例是7:1,那麼很容易可以推算出來這個時候氫和氦的質量比例是3:1. 也就是宇宙中75%是氫,25%是氦。核反應再往下進行就很麻煩了,因為自然界沒有原子量是5和8的穩定原子。原子量是6的穩定原子有一個是鋰6,但是形成鋰6的反應截面很小。所以下一個能夠形成的原子實際上是7Li。但等7Li可以開始形成的時候,宇宙已經非常冷,密度也比較低了,核聚變很難繼續進行。所以大爆炸核合成過程最後只形成了非常少量的Li.
到宇宙年齡1小時的時候,核合成已經完全停止,宇宙中的元素丰度仍然是75%的氫,25%的氦,和極為少量的鋰7。此後一直到宇宙誕生後大概10億年,第一代恆星開始形成了,更重元素的合成才重啟了。
太爆炸核合成序列圖
所有比鋰重的元素都是由恆星演化產生的。恆星中心核聚變反應會慢慢生成一系列更重的元素。但所有生成的元素中不能可能有比鐵重的。比鐵更重的元素無法通過聚變生成,因為鐵的核平均結合能是最強的。從鐵生成更重的元素實際上要損失能量。而恆星內部如果不能生成能量,實際上生命就結束了。
那麼今天自然界比鐵更重元素是哪裡來的呢?這要歸功於超新星爆發過程。以Ia型超新星為例。當一顆白矮星吸積物質,質量增加超過錢德拉塞卡極限質量,其自身的引力會勝過抵抗引力的電子簡併壓。這使得白矮星向內塌縮,由於中心的壓強迅速增大,核心的碳元素的聚變反應會被點燃,更重的元素隨之形成,並開始更進一步的核聚變反應。白矮星的核聚變會在很短時間產生大量能量,這些能量最終將物質炸開,成為超新星爆發。白矮星塌縮時的聚變核生成反應會生成一系列比碳重的元素,一直到生成鐵。這時候鐵元素周圍有大量的中子,鐵原子核通過快中子捕獲過程增加原子量形成大質量的同位素,並最終通過衰變生成重元素。
注意到這裡對於恆星演化過程中的元素合成只舉了一些簡單的例子,事實上的情況要比這複雜的多。在Quora上看到一張圖,特別清晰,扒過來給大家分享:
圖片來自Nucleosynthesis
1.首先,原始核子來源於大爆炸(Big-Bang)降溫至兩萬億度(two trillion degrees)後形成的夸克-膠子漿(quark–gluon plasma,Quarka€「gluon plasma),一段時間後,僅僅由質子和電子核化的鋰和鈹是可以形成的,但是其他元素的丰度會隨著原子量的增加急劇下降,並且因為大爆炸的時間太短,降溫太快,氦的密度不夠大,核聚變(fusion)就停止下來。
也就是說大爆炸的產物是:
氫、氦、鋰、鈹和少量的硼。
有意思的是,後三者的形成伴隨著宇宙射線的散裂過程(cosmic ray spallation),這是一種宇宙中高能粒子(比如宇宙射線)撞擊較重原子形成較輕原子的裂變形式。
2.然後是恆星的核聚變(Stellar fusion)
在這個階段,所能形成的產物有:
從鋰開始直到鐵族三兄弟(鐵、鈷、鎳)
一個重要的原因是平均結合能,看下圖:
圖片來自Binding energy
顯而易見,橫坐標是原子量,縱坐標是平均結合能。Fe56的數值是平均結合能的最高峰,以它為分割線從左起直到Fe56的元素的成核過程都能在恆星核聚變釋放的能量下發生,這些初始的原子核能不斷地聚集形成更加穩定的核,直到Fe56為止,再往後,由於Fe56是由放熱型核聚變(exothermic nuclear fusion)所能產生的最重的元素,剩下的大量元素是由吸熱型(endothermic)核聚變產生的,這類反應所需要的能量超過了自身所能提供的。
這裡稍微提一下,因為相當一部分的鐵、鈷、鎳的同位素具有超高的結合能,儘管他們可以經歷核聚變,但是這種反應也需要持續的消耗大量的能量。而對於大質量的恆星而言,一旦它們內部開始產鐵(包括鈷和鎳)後,它們就無法再提供任何能量了,因為game over了:
所以這也是為什麼大家會看到第一張成核元素周期表上,鐵族三兄弟是由超新星(supernova)負責提供獨有的大量的能量來完成成核的原因所在。
3.恆星和超星的中子和質子捕獲
所有的恆星都有成堆的自由高能中子(中子通量),在超新星中,中子通量極高。
像鋇這類元素,成核的過程就是中子或者質子以很小增量增加到核心的旅程,這是一個很慢的過程,叫做中子/質子捕獲反應,它會消耗能量,但是會以極慢的速度以至於不會對恆星的壽命產生決定性的影響。
稍微插播一下中子/質子捕獲反應,一共有三種類型:
慢中子捕獲——S-process(Slow,詳見s-process)
快中子捕獲——R-process (Rapid,詳見r-process)
質子捕獲——P-process (Proton,詳見p-process)
慢中子捕獲
以銀(Ag)為例,它的原子量是109(包括中子和質子),在核子經歷一個中子的撞擊後,原子量上升到110,但是Ag110不穩定馬上就衰減至Cd110(鎘),這個過程就是緩慢的不斷在現有的原子核上添加中子,一個接一個的生成周期表上的靠後元素直到鈾(uranium)為止。
快中子捕獲
為了能繞過某個不穩定元素自發轉化成其他元素的能磊,最好的辦法就是在原子核的周圍環境中不斷使用快速的一定量的中子轟擊。比如Cd115十分不穩定,如果我們在它自然衰減前轟擊,那麼就會生成穩定的Cd116,並且,一旦形成Cd116,衰減反應就不會進行,所以這個快中子捕獲可以被用來製造豐中子核素(同位素)。
質子捕獲
通過增加質子來形成豐質子核素,原理跟快中子捕獲過程類似。由於化學元素的定義是由原子核中的質子數來決定的,所以增加一個質子就會改變一個元素。
這些大重量元素的沉積物會被大齡的大質量恆星從核心中自動清除出去,這個過程叫做dredge-up(Dredge-up),其中的一些元素會被大質量恆星所產生的強烈恆星風吹掃到星際介質中去。
那會太忙了,先是忙著暴漲,慢滾還沒滾到頭呢,就得著急CP破缺,完了又得生成規範場,還得退偶,基本粒子才組成質子中子什麼的,物質就已經很稀疏了,再也撞不到一塊去了。
倒是超新星時期,各種條件都已近完善了,基本粒子已經就位,就差足夠的能量了,這時候超新星爆發了,給予了足夠的能量之後,緻密的粒子相互碰撞,組成了足夠重的重荷。
20160203補:突然覺得之前的答案廢話太多,沒有說到重點上,故此重新答一遍。原答案中關於四種核合成的就不動了,大家看了就當增加個知識點吧。
原子核本身帶正電相互排斥,需要足夠高的溫度(使原子核具備足夠高的動能)或足夠大的壓強來克服電荷斥力,使原子核彼此聚集到足以讓核力發生作用。顯而易見,越重的元素,核電荷數越大,也就意味著需要更高的溫度和壓強來促使核聚變的發生。所以,理想的核聚變進程,應該是從較低的溫度開始,先讓較輕的元素聚變為較重的元素,然後讓溫度升高,進一步促使較重的元素繼續聚變,直至生成質量數為56-62的原子核(鐵峰頂),不能再從核聚變中產生能量為止。
但大爆炸後的頭三分鐘里,溫度太高,超過了原子核能穩定存在的範疇,無法進行核聚變生成比氫-1更重的元素。三分鐘後,隨著宇宙的膨脹,溫度下降,質子和中子開始結合,生成氘和氦的原子核,再進一步聚合成鋰、鈹等更重的元素。但這時溫度還在繼續下降,17分鐘後(從開始核聚變算起,如果從大爆炸算起就是20分鐘後)即降至不足以讓已形成的較輕原子核進一步聚變成較重原子核的水平,於是第一種核合成——太初核合成至此結束。
這時候宇宙空間中的物質在大尺度上是均勻分布的,但在局部仍然會出現密度稍大的區域,這些密度較大的區域由於引力作用,吸引周圍的物質,從而變得密度更大,核心溫度最高,最終引發了新的核聚變反應,即第二種核合成——恆星核合成。和太初核合成相比,恆星核合成是從較低的溫度開始的,因此能夠持續進行,直到恆星質量允許的上限為止(對足夠大的恆星,可一直進行到生成質量數為56的原子核——鐵-56和鈷-56)。
至於質量數更大的原子核,需要在超新星爆發的極高能量的條件下,由鐵原子核吸收中子再釋放電子才能生成,這就是第三種核合成——超新星核合成。
================以下為原答案=================
要回答這個問題,必須先明白宇宙中不同的元素都是怎麼來的。就目前的研究結果而言,主要有四種核合成過程可以產生我們今天所知的各種元素,這四種核合成分別是:
一、太初核合成
太初核合成是伽莫夫提出的,指的是宇宙從大爆炸中誕生後的第3~20分鐘內,形成除氫-1原子核以外的其他較重的原子核(氘、氦及其同位素,鋰及其同位素)的過程。在這之前,宇宙的溫度太高,只能讓夸克和膠子結合成重子(質子、中子等),而在此之後,宇宙的溫度又「太低」,無法使已有的原子核繼續聚變生成比鈹更重的元素。
至於比鈹更重的元素,要等到宇宙進一步冷卻,電子和原子核結合形成原子,然後在某些密度較大的區域因引力作用而形成恆星才能產生,即「恆星核合成」。
二、恆星核合成
恆星核合成的步驟包括:
(1)氫燃燒生成氦
這個過程可以由兩個途徑:質子-質子鏈反應(在如太陽般大小或比太陽更小的恆星上佔據主要地位)和碳氮氧循環(在比太陽大的恆星上佔主導地位)實現。
(2)氦燃燒生成碳和氧
這個過程由兩個途徑——3氦過程和氦核作用實現。
(3)碳燃燒生成氖和鎂
(4)氖燃燒生成硅和鎂
(5)氧燃燒生成硅、硫、氬和鈣
(6)硅燃燒生成鐵和鎳
以上每一步的燃燒都能釋放大量的熱量,但每一步反應對恆星質量的要求都比前一步更高(質量不夠大的恆星只能進行前面的燃燒步驟,後面的因質量不夠,無法在核心處產生足夠高的溫度和壓強,也就無法進行),維持的時間也比前一步更短。例如,對於一顆質量是太陽15倍的恆星,碳燃燒可以持續大約6000年時間,而硅燃燒只能持續幾天。質量更大的恆星,這個過程持續的時間更短。
在硅燃燒生成了最穩定的鐵-56和鎳-56之後,恆星核心無法再通過核聚變來產生能量,也就無法抵禦引力收縮,於是恆星以每秒七萬千米的速度向著核心處坍縮,將內核壓縮到每立方厘米一億噸的密度和數十億度的高溫,引發超新星爆炸和隨之而來的超新星核合成。
三、超新星核合成
超新星核合成主要是通過快中子捕獲來完成,鐵原子核與中子撞擊生成質量數大於56的新原子核,這些新原子核是不穩定的,會發生β衰變,釋放電子同時使核內的一個中子變成質子,從而生成原子序列更高、但質量數相同,更穩定的新元素。除此之外,在超新星爆炸中還會經由質子捕獲或光致蛻變作用而產生比鐵更重的原子核,這些過程生成的重原子核通常是質量數最小,中子數最少的同位素。
四、宇宙射線散裂
指在宇宙空間中,因宇宙射線撞擊某些元素的原子核而導致較輕原子核的生成。
所以,題主的問題,簡而言之可以這麼回答:大爆炸後宇宙冷卻得太快(17分鐘即冷卻到無法再進行核聚變的地步),來不及生成較重的元素,只有等到恆星產生,能夠在內核長久維持高溫高壓的環境,才有可能使得核聚變不斷進行下去,最終引發超新星爆炸,從而生成較重的元素。首先,氫不是在大爆炸時刻合成的,而是在大爆炸之後冷卻了一陣後形成的,那個時期被稱為太初核合成,形成了氫氦和少量鋰。至於為什麼不能形成更重的元素,因為宇宙初期密集的高能光子足以擊碎一切更重的元素!
大爆炸初期,溫度實在是高到難以形容,只允許光和能量存在。隨著空間暴漲和冷卻,才開始出現基本粒子。
為什麼酒精燈那麼熱,卻只能燒出水蒸氣,反而是零下幾度的冰箱里凍出了堅硬的冰呢?
一個是從0到1
另外一個是從1到最大238
氫原子核和氫是兩碼事啊哥...
有贊的答案就是在胡扯。物質是憑空產生的已經被證明了,也就是宇宙大爆炸之後。
能量即物質。E=mc2
最初產生的正夸克負夸克(這樣講更好理解)我們現在不能定義他是物質還是能量。
這個時候大量的憑空產生組合出了氫原子
氫原子在引力作用下聚集行程第一代恆星。
根據恆星質量不同,核聚變反映不同。我們的太陽質量內壓最終只能行程氫和氦。氫聚變完氦聚變一步一步。稍大一點可以形成碳氧等。(查看元素周期表)
巨大恆星最終可以聚變產生鐵,因為鐵元素相對穩定,不會進一步聚變(所以地球上這麼多鐵,氫氦碳氧硅是因為常量恆星處於聚變產生到這個範圍,產生鐵的恆星不是只產生鐵,也包括鐵之前的種類)
大質量恆星最終發生超新星爆炸,小質量的(太陽)紅巨星變白矮星也會把外殼大部分質量推出去。其他比鐵更高的元素可能是爆炸時產生的。
第一代恆星爆炸或死亡將大量各種元素拋向周圍宇宙,形成新的星雲,在引力的作用下形成二代的恆星行星繼續演變。
手碼,有疑問可以回復我,盡量改的更好懂。宇宙爆炸時能量巨大,沒有物質存在,一切最基本的粒子都是在高速運行,不存在所謂的靜態,粒子之間互相碰撞著!直到碰撞到了上帝粒子,才產生了減速,從而有了質量,才慢慢有了你所謂的元素!
假設大爆炸的時候產生了重元素,而那個時候的溫度壓力都巨大無比,空間還有限,以至於重子之間的結合能hold不住,就裂變了,一直會裂變到氫氦。
而超新星爆發的時候,並沒有那麼高的溫度壓力,聚變出重元素之後還會被迅速拋射出去。謝邀。
細節我會再補充,不過@狐狸先生的回答講得已經比較清楚了。
我想說的是,題主可能對「屌」這個概念有點誤解。
當然屌是很厲害很厲害的意思,但在物理裡面,質量越大越屌,速度越高越屌,越複雜越屌還是越簡單越屌?
在不同的情況下很難說的。
但是文藝一點講,物理中簡單即是美。一生二,二生三,三生萬物。大爆炸裡面估計氫算二或者二點五,重金屬元素屬於萬物級別的。
啥最屌,說句題外話:答主個人的感覺真空裡面都有微擾(fluctuation),這個最屌。。
大爆炸結束了嗎?如果大爆炸假說成立這個爆炸其實在一直持續,過去將來現在。大爆炸不止生成了氫還有重子星球,黑洞,你我。
這樣說有的人可能還是不明白,說白了宇宙就是一場正在進行的爆炸
就是因為威力太大了,所有複雜結構都來不及構建。比如劉翔跑步,時速30公里還能跨欄,時速100公里只能直線跑了,假如劉翔的速度達到光速,劉翔的跑步就是一條弦,筆直的弦。
你拉屎的時候 拉稀的拉出來的坨大 還是便秘的坨大 一個道理 太猛了
你得一步一步來
一點一點的創造物質
循序漸進啊親
你問這個問題就說明了你太心急了
沒有了解相關知識也沒有仔細思考就來問問題了
剛剛看了LIGO的新聞發布會,重金屬來源問題有了新的理解。各位答主,打臉不??
其實早在2013年就有人提出了理論,各位都不關心最新的學術進展嗎?還死守著超新星爆發不放?
Scientists: Collision of dead stars produced the world"s gold
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最新的元素起源周期表
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也許是因為大爆炸之後的大大爆炸(暴漲)來得太快吧,以致留給重元素合成的窗口期(溫度、密度合適)太短了。
當然,這是好事,大家都希望看到有星星點亮夜空的宇宙吧。珍惜喔,多少年之後就木有辣摸壯觀啦,甚至烏丫丫一片╮(╯▽╰)╭……
——話說那些遠離星系盤或者星系球的流浪行星系,看到的夜空差不多就是這樣了,可憐上面天文學的發展╮(╯▽╰)╭……
所以,生在今時今球也是有福的,藍星人乃們要知足︿( ̄︶ ̄)︿……
一個是從無到有,另一個是從有到多。
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