当前位置: 首页 > news >正文

隐层元素闪一下_宇宙中氧元素丰度为何排第三位?

5f45ded1f149d1e96089dc7754bd541d.png

原创:鲁超

答案都写在这张图上

39638d441ccac7c0141d5728e2ddd106.png

快,盯着这张图看3分钟。

看懂了吗?

看懂了就不用往下拉了,挺累人的~

没看懂?

那就对了,继续下拉吧。

倾情预告一下:以下是宇宙终极奥秘,不看遗憾终身,看完终身遗憾~

259967cc33b19cdaafa294093ec40e22.png

首先,氧在宇宙中的排名确实是第三位,仅次于氢和氦这两种大爆炸元素。

5db649d72c3a2d9cfac2be1597f100dd.png

银河系中的元素丰度排名。因为银河系比较“平庸”,所以我们相信这和全宇宙的元素丰度差不了多少。

众所周知,大爆炸“big bang”炸出了氢、氦和极少的锂。

38万年后,宇宙中开始发出缕缕星光,在这之后,制造更高级元素的工厂是恒星!

e553bf3346e6dbef66212a5396a8d21a.png

▲宇宙大爆炸

恒星靠核聚变反应将较轻的元素合成更重的元素,一直到铁,一般认为铁56原子核的比结合能最高,这首伟岸的舞曲在铁这里终于划上了一个休止符,无法再进行下去了。

铁之后的重元素主要来自超新星爆炸和双中子星合并。

此外,在二代、三代超级大恒星的内部,由于质量足够大,温度足够高,加上已有一些重元素,因此也可能会发生一些生成“超铁元素”的核反应,这被称为“S-过程”(慢过程)。

从名字就知道这种核反应是极其缓慢的,而且最高也只能生成到82号元素——铅。

宇宙中,这些重元素的丰度显然不可能太高,就不在我们今天讨论范围内了。

ccbe18d7a2c28faf0ffa0a993c69d77c.png

▲原子核吃进中子,吃多了会“消化不良”,发生β衰变,中子变成质子。这就是慢中子俘获过程(S-过程)


这样,要讨论铁之前元素丰度的问题,就变得简单了。

无非是两方面:

1,恒星内部核聚变的路线(确保生产出来)

2,各种元素同位素的稳定性(不衰变掉)

97b18884c6ceefef9af248d90623770f.png

最早提出核聚变是恒星能量来源的是爱丁顿先生,不过他马上就被打脸了,其他科学家掐指一算,根据经典物理学,需要达到几百亿度的高温,氢原子核(质子)才能克服电荷排斥力发生聚变反应。

而当时了解到太阳中心温度大约为4000万度,这差距显然太大了。

df545cfc2c3f3b292434a0d2acb4825a.png

▲爱丁顿

关键时候,伽莫夫来救场了,他在研究阿尔法衰变的时候发现了量子隧道效应。

两位科学家阿特金森和豪特曼斯把这个效应用在爱丁顿的问题上,成功帮他解了围。

有个有趣的故事,豪特曼斯和一个妹子夜间散步,妹子看到壮丽的星光,不禁感叹:星星一闪一闪多美啊!

豪特曼斯自鸣得意的说:“我刚刚知道它们为什么发光!”妹子不为所动继续欣赏星光。其实,这个妹子是阿特金森的夫人。

8b0275f15b587855c71f61af3504ab08.png

▲阿特金森(左)和豪特曼斯(右)最早证明恒星核聚变可行,私下里也有一段扯不清的情感纠葛?

阿特金森和豪特曼斯只是证明了恒星内部的核聚变可行,第一条恒星内部的核反应路径是1938年贝特和维兹泽克找到的——碳氮氧循环(CNO cycle)。

碳12原子核与一个质子(氢原子核)聚合生成氮13原子核,这是一种很不稳定的同位素,它很快发生β衰变,生成碳13原子核,碳13再碰到一个质子生成氮14原子核,这就是氮元素的主要由来。

但是在CNO循环中,氮14原子核还继续反应下去,和一个质子碰撞生成氧15原子核,氧15也很快发生β衰变,生成氮15原子核,氮15再跟一个质子碰撞,这次生成一个碳12原子核和一个α粒子(氦4原子核)。

碳氮氧循环在1500万度左右就开始启动反应,两位科学家因此而获得了1967年诺贝尔物理学家。

862c7b0c39aad076af0dae618e775d12.png

▲转了一圈,碳12还是碳12,但是这个循环相当于把4个质子(氢1原子核)变成了一个α粒子(氦4原子核)。碳

等一等,前面不是说了吗?

宇宙大爆炸只“轰”出了氢氦锂三种元素,最早的碳氮氧从哪里来的?

这不是先有鸡还是先有蛋的问题啊,这是根本没有鸡蛋也能生出小鸡的问题啊!

这问题科学家们早就想到了,就在1938年稍晚点,贝特和克里奇菲尔德就发现了另一条核反应路径:质子-质子链(p-p链)。

原来,在没有碳氮氧的情况下,氢核(质子)也可以聚变。

p-p链有好几种分支,主流的p-p链分三步走:

1,两个氢核(质子)碰撞生成一个氘核,释放出中微子和正电子

2,这个氘核与另一个氢核碰撞生成氦3,

3,两个氦3碰撞,生成一个氦4核和两个氢核。

p-p链在400万度就可以启动,我们的太阳中主要是p-p链反应,碳氮氧循环只占1.4%。

而在超过1.3倍太阳质量的恒星内部,碳氮氧循环才会占据主导作用。

30338079da64600e901ec39edaaad052.png

▲质子-质子链(p-p链)


从p-p链这个反应路径,可以看出来三个推论:

1,氘比氢更容易发生核聚变反应。大爆炸也生成了很多氘,对宇宙中氘含量的测定,表明宇宙并不是无限年龄,这从另一方面也印证了大爆炸理论的成立。

2,氦3也是理想的核聚变材料,为什么月球那么让人心驰神往啊?

3,锂在宇宙中的丰度却比氢和氦少的太多,不成比例,这被称为“宇宙学锂差异”。更让天文学家感到奇怪的是,老恒星里的锂很少,反而是一些年轻的恒星里的锂更多。

844dd14ce51c8181627982a2536679bc.png

▲2009年的科幻片《月球》,主人公就是在月球上开采核燃料——氦3

研究了质子-质子链后,就容易理解:锂会和氢核反应结合生成两个氦原子,这种核反应只需要240万度就可以发生,而这是很多恒星都可以轻易达到的温度。

好了,锂元素第一个被排除了。

17e734c0b24e1a441a3f7fd05cee9c2e.png

▲由于锂的这种核反应性能,太阳上锂的丰度甚至比地壳里还要少。

就这样,恒星中的氢以这些路径不断聚变成氦,由于氦比氢重,所以形成一个氦的核心。

然后呢?

当一颗恒星核心中的氢快耗尽时,它就会开始坍缩,直到中心温度上升到一亿度,氦核开始发生聚变,两个氦核聚合成铍8,可惜铍8半衰期太短,很快又衰变成两个氦核。

如果在“短命”铍8仅有的寿命时间内,又一个氦核撞上了它,就有机会发生核反应,变成碳12。

这个总反应相当于三个氦核(α粒子)聚变成一个碳核,因此这个过程叫做“3α过程”。

c10634cab98b5bd6dee15044c2b335a3.png

▲“3α过程”:第一步是可逆的,在正巧碰到第三个氦原子的时候,才会生成碳12

在《流浪地球》中,就是大刘的幻想,让太阳提前进入了这个阶段,太阳开始变成一颗红巨星,最终发生一次氦闪爆炸。

在这期间,“3α过程”极其迅速,恒星中心60-80%的氦在几秒钟内全部变成碳,产生的能量几乎在瞬间辐射出来,让这颗恒星的光度达到正常太阳的一千亿倍,几乎和银河系的亮度一样。

4ff0c80fc66e990f9db5393daf099621.png

好了,回到化学元素。

通过“3α过程”元素制造生产序列直接从2号元素氦跳到了6号元素碳。

锂的问题之前说过了,铍的劣势在这个过程里也表露无遗,铍8半衰期太短,只是这个过程的中间产物,较稳定的铍9不在这条反应路线上。

硼更惨,根本就不在这条反应路线上。

那宇宙中的铍和硼是怎么来的呢?它们来自宇宙射线,也就是说,完全凭运气。

所以,虽然它们俩是较轻的元素,在宇宙中的丰度却极其低。

60e1329a041862377b03fec13be82c81.png

▲铍和硼的产生源于宇宙射线

然后呢?

在恒星内部,α粒子非常活跃,不仅参与“3α过程”,当恒心中心的碳积累到一定程度时,还会继续和高级原子核发生反应,和碳生成氧。

再一路反应下去,生成氖20、镁24、硅28、硫32、氩36、钙40、钛44、铬48、铁52和镍56。

相当于不断向原子核中“塞”阿尔法粒子。这个过程叫做“α过程”,也叫作“α阶梯”。

上面提到的这些偶数原子序数的元素也叫作“α元素”!

这条线路在镍56这里走到了头,但镍56并不稳定,发生电子俘获会衰变成铁56。

一般认为铁56是最稳定的同位素,其实不然,镍62才是比结合能最高的同位素。

但一方面镍62不在这条反应路线上,另一方面由于“光致蜕变”作用,高能伽马射线会切断原子核,所以宇宙中镍的丰度远远少于铁。

“α过程”在恒星内部发生的几率很低,且主要以生成氧、氖为主,对恒星的能量产生没有显著的贡献。

由于强大的库伦势垒,氖以后的反应更不容易发生。但这毕竟是偶数原子序数元素的一条生路,奇数原子序数的元素盼星星盼月亮都没这条路线呢……

所以宇宙中奇数元素都比较少。问题又简化了一步,奇数元素被排除,接下来只要比较碳到铁的偶数元素就可以了。

b1f3316a867a0bbd886d582e80f76e78.png

然后呢?

和太阳质量差不多的普通恒星走到“3α过程”就到头了,接下来它们会变成一颗白矮星,主要成分就是碳和氧,有人搞噱头说这是“钻石星球”,其实白矮星上的超固态和我们熟知的钻石是两种形态。

而当一颗恒星的质量超过8个太阳,其中心温度超过5亿度,密度超过300万吨/立方米,就会继续开启“碳燃烧”路线。

两个碳原子核聚变生成氖20、钠23、镁23、镁24和氧16。其中,前三者是主反应。

这个过程中,虽然氧的产出很少,但氧坐观“小弟”碳的“燃烧”,而最大限度保留了自己,所以“碳燃烧”的最终结果是产生一个氧,氖,钠和镁的内核。

你可能以为,这种燃烧的条件如此苛刻,应该持续很长时间吧?

其实不然!

基本上是越重的恒星反应速度越快,对一颗25倍太阳质量的恒星来说,仅仅600年,就足够“碳燃烧”殆尽了!

66681e339479d5f3b7e83eb425538150.png

然后呢?

你可能以为,按照座次,应该轮到“氧燃烧”了吧?

其实不然!氖元素说:“氧小弟别急,先等等,我先上!”

当“碳燃烧”结束形成一个氧,氖,钠和镁的内核后,恒星中心的温度和压力继续升高,达到12亿度,密度超过400万吨/立方米后,就会启动“氖燃烧”,这个条件并不比“碳燃烧”难很多。

和之前的核聚变反应不一样,“氖燃烧”并非氖核和氖核的反应,而是在强烈的伽马射线辐射下的“光致蜕变”反应。

氖核在受伽马射线激发后,变成氧16和一个α粒子;也有一部分氖核继续发生α阶梯反应,和α粒子结合变成镁24。

因此“氖燃烧”的结果是生成更多的氧和镁,你开始理解为什么氧比碳多了吧?

“氖燃烧”的另一个结果是:镁是宇宙中最多的金属元素。

f13e9ef156beb11cc7d44ab60151b6eb.png

▲链接请点击阅读原文

“氖燃烧”大约持续数年,留下了一个氧和镁的内核,如果恒星足够大,让中心的温度达到15-26亿度以上,密度达到260-670万吨/立方米的时候,氧元素:“终于等到要出场了吗?我要燃烧!”

1a98fc9d16801ca4d97a1606a1a1e53f.png

▲宇宙第三大元素——牧绅一:终于轮到我出场了吗?

氧燃烧是两个氧原子发生聚变,生成硅28(34%),磷31(56%),硫32,硫31,硅30和磷30。根据不同恒星的大小,这一过程最长持续5年,最短3天就结束了。

氧燃烧完以后,留下一个硅和硫的内核,如果恒星足够重,中心温度达到27-35亿度,就会启动恒星的终极燃烧——“硅燃烧”。

一个个α粒子被“塞”进原子核,依次生成硫、氩、钙、钛、铬、铁、镍。这个过程很快,一天就结束了,这时候,恒星的中心已经达到了50亿度。

由于没有额外的热能可以通过新的聚变反应产生,恒星只能以崩溃的方式结束,发生壮丽的超新星爆炸,恒星的中心部分现在要么被压成中子星,要么变成黑洞。

恒星外层被喷射出,在中子流中产生铁以后的重元素。

这一段也不能说跟氧完全没有关系,喷射出的外层里面就有氧。

30a538ec3aa8dd9a7104ed6de9689050.png

▲宇宙中元素的来源图

总结一下

1,其他元素先天不足,要么不在主流的反应路线上,比如铍、硼和大多数奇数元素;要么反应太容易,成为反应原料,比如锂。

2,大多数恒星都是屌丝恒星,最终的结局是碳和氧。高富帅恒星中心的最终结局是中子星、黑洞,这已经超越元素周期表了。

3,碳燃烧、α过程和氖燃烧都会生成氧,产量太大,挡不住!

现在你懂得下面这张图的意思了吗?

原来,碳燃烧完之后并不是氧燃烧,而是氖燃烧,即使是氖燃烧,也会生成氧。C、Ne、O三个圈层里面,都有氧的存在。

da38c4989b33e821c86e4453ed766fc0.png

经过各种因素的排列组合,氧终于成功登上宇宙元素排行榜的季军!不容易啊!

正是因为宇宙中有如此多的氧元素,才有了我们人类在地球上的幸福生活。

地球上,氧是地壳中丰度最高的元素,竟然占到49.2%的质量。各种各样的矿物,大多数都是以氧化物或者盐的形式存在着。

就是再深入一点,到了地幔,氧的丰度仍然是最多的,占到44.8%,可以说,氧帮助把众多的元素固定在地球上。

在大气中,我们都知道,氧气占有21%,这些活跃的气体支持着生物的生长,氧气真是生命的气息。

至于在海洋中,氧元素就更多了,占到了88.9%,我们知道这就是氧在水分子中的比例。

水是由氢和氧组成的,我们幸运的地球上有足够多的氧气,将氢元素固定在海洋里,否则,原子量最小的氢元素将在太阳风的吹拂下散逸到太空中,地球上也就无法有这么多水,更难以产生生命。

4f3defb4fd7ec010d5304a40d0fe5f39.png

地球上,除了最深处的地核,在大气、地壳和地幔中,氧元素的含量都是最高的。

总之,感恩氧元素吧!感恩宇宙吧!

看了这么多,你要是还不相信人择原理,我睡着了都会被你气醒!


860b2e4b6dade995e575e465ec7f803e.gif

相关文章:

  • 员工转正申请书_新员工转正申请书范文2019
  • 跟老齐学python数据分析笔记_跟老齐学python笔记(2)
  • 环境变量_Postman之设置环境变量
  • 文件名_如何批量更改PDF文件名称
  • 允许网站使用相机和麦克风_Windows 10 相机、麦克风和隐私
  • python打印刷题教程_Python刷题-3
  • 用户进程与内核进程是一一对应的吗_Linux内核-进程间通信组件的实现
  • aws s3 python_Python使用boto3操作AWS S3
  • 显示当前docker_这些Docker常用命令适合打印出来贴座位上!
  • 对人像照用渐变工具进行径向渐变_用PS制作人像二次曝光效果教程
  • c ++一行给多个变量赋值_C语言变量、地址、字符及printf()/sizeof()/scanf()函数介绍...
  • mysql插曲大量数据_MySQL 如何快速插入大量数据
  • mysql 生成日期_mysql生成日期的辅助表
  • mysql zip没设密码忘了怎么办_有关MySql的安装和忘记MySql密码的问题解决
  • mysql远程连接10061_MySQL数据库之MySQL远程连接时出现10061以及1045错误时的解决方法...