回覆列表
  • 1 # 使用者8324236172553

    是的,除了氫和少量的氦以外,大多數氦和所有比氦重的元素,都是在恆星中合成的。在宇宙誕生早期,氫首先由質子和電子組成,並在早期宇宙的高溫高壓下,由氫合成出少量的氦。然後,宇宙的膨脹使溫度和壓力(物質密度)下降,就不足以合成出別的元素了。當宇宙中第一批恆星形成後,宇宙中開始合成其他的氦,並開始合成比氦重的元素。恆星中元素的合成是依靠原子核的聚變反應實現的。在恆星的高溫高壓下,所有元素都不能以原子形態存在,都是以原子核、離子和自由電子的形態存在的,這種狀態是物質以固態、液態、氣態以外的第四種存在形態,叫等離子態。正是在這種等離子態,在高溫高壓高密度下,原子核高速運動,才能克服原子核之間的電斥力(原子核都帶正電,同性相斥,相互之間是斥力,在通常情況下無法靠近),可以相互靠近到足夠小的距離,使強相互作用力(也叫強力,是繼引力、電磁力之後的第三種自然力)起作用,把質子和中子連在一起,組成新的、更重的原子核,成為新的元素。恆星是靠引力聚焦起來的物質集團,宇宙中形成的第一代恆星,其成分是氫和少量的氦,還沒有其他的元素。恆星中的物質向中心聚集過程中,內部的物質密度越來越高,溫度的壓力也越來越高。當中心溫度達到約1500萬℃時,就可以引發氫核聚變為氦核的核反應(這個反應在宇宙誕生早期曾經短時間地發生過),反應放出的能量形成恆星中向外的輻射壓,與恆星向內的引力相平衡,使恆星得以穩定存在。由於第一代恆星中只有氫和氦兩種元素,所以第一代恆星中只能發生氫核(就是質子)之間的直接碰撞並藉此組合起來形成氦核,這樣的反應稱為質子-質子鏈式反應。其反應過程如下:向左轉|向右轉最終的結果是:四個氫核形成一個氦核,同時形成兩個光子、兩個中子和兩個中微子。生成的氦會因為質量較大而向恆星中心移動。反應的持續進行,使恆星出現一個由氦組成的恆星核,氫的聚變反應發生在氦恆星核表面。當恆星內部的氫有相當一部分轉變為氦後,因為氦核表面的溫度和壓力與恆星中心相比要低一些,隨著氦恆星核越來越大,反應強度會逐漸下降,最終會停止。這時,恆星向外的輻射壓下降,恆星向內的引力增強,恆星會繼續收縮,使內部的物質密度、壓力和溫度繼續上升,當溫度達到1億度時,引發氦核聚變為碳核的反應,即三個氦核同時或幾乎同時發生碰撞,組成一個碳核。碳形成後,也會向恆星的中心部位沉降,在由氦組成的恆星核中再形成一個碳恆星核。在小質量恆星中,核聚變反應至此就終止了,因為受到質量限制,引力不足以使恆星繼續收縮到引發其他聚變反應。當外層的輕元素消失後,這顆恆星會以碳恆星核的形式存在,就是白矮星。但是,如果這一系列反應發生在大質量恆星中,情況就不一樣了。恆星的質量大,引力必然強,要維持恆星的穩定,需要的向外的輻射壓也要更強才行。大質量恆星中,中心溫度更高。一旦有碳存在,就可以引發另一類的氫聚變為氦的核反應,叫碳氮氧迴圈(CNO迴圈)。其反應過程如下:向左轉|向右轉在這個過程中,會用到碳、氮、氧三種元素。但只要存在其中的一種,另外兩種元素都可以在反應進行中合成出來。在這個過程中,同樣是四個氫核形成一個氦核,中子和中微子也一樣,但會形成三個光子而不是兩個。所以CNO迴圈比質子-質子鏈式反應產能效率更高。到了第二代恆星形成時,就已經有了碳元素(來源於第一代恆星)。因而,從第二代恆星開始,大質量恆星可以直接用CNO迴圈方式合成氦元素。當氫用得差不多了,氦也用得差不多了後,恆星還會繼續收縮,使碳恆星核繼續升溫,從而引發一系列的核聚變反應。在比1億度稍高時,碳再加入一個氦核,能組成一個氧核。氧原子核還可吸收一個氦原子核,生成氖原子核。如果溫度繼續升高,核聚變反應還會一步一步地進行下去。恆星內部的元素形成基本過程是將氦核(又叫做α粒子)加進已經存在的核,所以元素是按每步4個原子質量單位一步一步加工出來的。同時,恆星中游離的質子(氫核)和中子也會在高溫下加入已形成的各種元素的原子核,形成比4個質量單位多一個、兩個或三個單位的元素以及它們的同位素。元素越來越重,原子核中質子數量越來越多,電斥力也越來越強。要使它們相互碰撞,所需要的能量(溫度)也越來越高。所以,要使它們發生聚變反應,就越來越難,發生的機率就越來越小。這也是宇宙中較輕的元素較多,越重的元素就越少的原因。每一種元素合成時的反應機率都是可以計算出來的,這個反應機率叫反應截面。各種重元素就是這樣一個挨著一個地合成出來了。只是碳元素以後的元素合成,只能在大質量恆星中進行。恆星中元素的合成不是沒有止境的,元素的合成有一個終點。核聚變反應有一個要求,就是發生核聚變反應後,要有能量釋放出來,以維持恆星向外的輻射壓,保證恆星的穩定。隨著元素質量越來越大,繼續聚變下去,釋放的能量會越來越少,這個能量叫原子核內能。核合成到鐵元素時,就終止了。因為鐵元素原子核的內能是零。如下圖。向左轉|向右轉這個圖是我自己畫的,不是太準確,表達個意思。不管要使鐵再增加質量形成更重的元素,還是要讓鐵原子核裂開形成更輕的元素,都要給鐵原子核增加能量,而不是放出能量。一旦恆星內部形成了鐵,因為鐵是最重的(比鐵更重的元素還沒有出現),鐵都沉降在恆星中心,形成鐵心。同時,各種元素按照原子量,分層排列在鐵心的外圍,形成“洋蔥頭結構”。向左轉|向右轉各層的介面上都發生著上層元素合成下層元素的核聚變反應。隨著內層元素越來越多、外層元素越來越少,核聚變反應終會停止於鐵核。當所有反應都停止時,向外的輻射壓消失,引力會使各個外層元素向內坍縮,這個過程叫“鐵心災變”。當這些物質撞擊到鐵核時,撞擊的能量使內部溫度和壓力急劇升高,並把能量加入鐵原子核,合成出了比鐵更重的元素,直到92號元素鈾。同時,多餘的撞擊能量形成的反作用力會把外層物質反推出去,連同一部分內部物質,一起拋向宇宙空間,形成超新星爆發。超新星爆發時,一顆平時暗淡的恆星會在幾個小時內,亮度增加數千萬倍,比一個星系發出的光還要亮。但這個亮度維持不了多長時間。在幾天、幾個月內,隨著丟擲的物質向宇宙空間急速擴散,溫度和物質密度急劇下降,亮度也隨之下降,這顆超新星會很快就重新暗淡下去。丟擲的物質散佈在宇宙空間,與其他的星際氣體雲混合起來,成為形成下一代恆星的原料。當下一代恆星形成時,有可能形成圍繞它們執行的行星,我們的太陽系和地球就是這樣來的。我們地球上所有的物質,包括我們自己,都是數十億年前某顆超新星爆發的產物。我們地球和我們自己,都是超新星爆發的殘骸。

  • 中秋節和大豐收的關聯?
  • 夏天想出去自駕游去哪玩呢?