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  • 1 # 科學美少男

    黃金是被炸出來的,就像炸爆米花一樣!

    圖:黃金

    黃金地球長出來的嗎?顯然不是,地球上黃金儲備是有限的,也就是說它在地球上的數量是具有上限的。它不像石油一樣是隨著地球演化慢慢“長”出來的。

    那黃金又是怎麼誕生的,是怎麼跑到地球上的?很顯然如果地球長不出黃金,那就說明黃金的存在早於地球,只是地球形成的時候把它“收”進來,被納入地球的體系中。

    恆星的形成

    恆星的誕生源於“燃料”被點燃。當大量氫氣受到引力的作用匯聚成一顆氣態天體時,越靠近中心的氫元素引力作用越強,原子之間的壓力也越強,原子與原子之間緊緊相挨,互相碰撞產生高溫。

    圖:傳統物理與量子力學,量子隧穿

    然而即使是這樣離產生核聚變還是有很大的差距,不過由於氫原子的基數較大,這就導致有了一小部分氫原子核會出現“量子遂穿”效應,越過“庫倫勢壘”,原子核與原子核因此得以緊緊相擁,從而引發核聚變,為恆星點燃了這“第一把火”,於是恆星可以不斷的把自身質量轉換成能量為周圍的天體帶去光和熱。

    圖:氫核聚變成氦

    當氫聚變成氦是由4個氫原子聚變成了一個氦原子,原子核中的中子和質子的總數由4個1聚變成了一個4。而當達到氦原子的聚變條件,氦又會發生核聚變。

    圖:核聚變——碳氮氧迴圈

    隨著一次次聚變反應的產物達到了聚變條件成為聚變的反應物,我們會發現產物的原子序號再一步步提升,甚至是出現跳躍性提升。是不是說一直聚變下去我們就能得到想要的金元素?非也,當聚變到鐵之後,想再更進一步就極其困難了。因為元素抵抗引力來源於核聚變釋放能量,而鐵聚變反應時,釋放的能量小於吸收的能量,沒有能量來源並無法支援它產生鏈式反應,因此沒有“炸裂”性的能量也只能到此為止。

    圖:元素週期表

    鐵元素在金元素之前,在以上的反應中,我們發現不到“金”的身影,那金元素從何而來呢?宇宙中的質子和原子主要都集中黑洞、中子星、恆星、行星身上。行星分量太小了,黑洞就像貔恘只進不出,中子星粘上就被吸過去和黑洞差不了多少,恆星成長過程中我們也找不到,只能看看恆星“死”了之後會不會“迴光返照”一下?

    核聚變就像開車掛擋

    圖:太陽的核心

    恆星的壽命主要看核心的核聚變反應,因為核心引力最大,物質最為密集,聚變反應最為激烈。當核心的反應燃料耗盡時,核心產生不了核聚變釋放能量來抵抗引力,引力佔上風後就會使核心縮小,原子捱得更近,壓強更大,於是溫度就會提升。溫度提升後就會出現兩種情況,發生那種情況取決於恆星的質量。我們以太陽為標準模型,如果一顆恆星的質量大於或等於太陽的40%,原本溫度達不到氦核聚變的條件,但是帶氫元素耗盡之後,溫度提升了就能達到了!一旦氦開始聚變又能釋放出大量能量,戰勝引力並且一往無前,結果就是恆星膨脹。

    這有點像汽車換擋一樣,當掛一檔使勁踩油門也就是那個速度了。當汽車換2擋時,由於換擋過程中會先移到空擋,所以速度會下降(就如同恆星收縮),掛上2擋後速度就會井噴式增長,而恆星會突然比之前大上幾百倍,形成紅巨星,而能不能換擋取決於引力的大小,引力又取決於質量。如果質量很大,甚至會形成紅超巨星,最終走上中子星或黑洞的巔峰。

    圖:恆星的演變

    跑的有點遠了,我們說回來,當換擋之後的瞬間,能量的輸出也是指數型爆發,這個過程中會產生自由的中子,於是重元素就會慢慢組合聚變而成。在這個過程最多會得到相對少量的鉛和鉍元素,但也就僅此而已。

    超新星“爆米花”

    圖:超新星爆炸

    如果恆星達到不換2擋的條件,恆星的核心核燃料耗盡時,它就會收縮成一顆白矮星。如果恆星質量很大,會一路2擋核聚變,3檔核聚變,4擋核聚變,一直掛到鐵元素,最終核心都由鐵組成,無法再產生化學反應了。鐵原子核會被引力物理拆散,釋放出大量能量,形成超新星爆炸!

    圖:不同檔位的產生條件

    圖:氫聚變到鐵併發生超新星爆炸示意圖

    核心爆炸,釋放巨大的能量,中心則形成中子星或黑洞。而外層受到能量的衝擊會發生不受控的和聚變反應,使恆星爆炸,彈開所有外層物質。在這個過程中會產生大量的自由中子,而且產生的速度非常快。紅巨星一次只向元素中新增一箇中子,而超新星可以一次向元素中新增5到7箇中子,這使得更重的元素可以被製造出來,並擁有更大的數量。其結果是產生了高度富集的超新星產物,為類似地球這樣的行星提供了豐富多樣的岩石及金屬元素物質。

    圖:超新星爆炸產生的蟹狀星雲,瞬間形成大量重元素

    中子星

    來自超新星的金元素比來自行星狀星雲的要多得多,但還有一種方法可以產生更多的金元素。

    圖:雙中子星

    中子星主要由中子構成的,而中子是重金屬元素的“原材料”。但是中子星很“摳門”,在引力的作用下“原材料”根本跑不了。而得到“原材料”的辦法就是出現兩顆中子星相遇。當兩顆大質量恆星都在超新星爆炸後死亡形成中子星,中子星相遇螺旋旋轉並向內合併。當這種情況發生時,它們會引起伽馬暴並結合形成黑洞。或者更確切地說,它們質量的96%會合並形成一個黑洞,但其中的一小部分會被噴射出去!噴射出來的成分通常會形成所有元素中最重的元素,包括金。

    圖:中子星合併過程

    結語

    因此,地球上的重金屬元素並非取之不盡用之不竭的!或許有一天我們能遨遊星際,到那個時候我們才能獲得更多的黃金,除此之外別無他法。下次當你在看到黃金時,你就知道了,它是宇宙“爆米花”時吸收了宇宙中的能量,“炸”出來的,可能是超新星自己炸的,但大部分是中子星合併的時候被“炸”出來的。

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