为什么1、2号元素在宇宙中到处都是,3、4、5号元素却极为罕见?

从微观层面来看 , 每一种元素都是由电子、质子和中子构成 , 而决定它们元素种类的 , 则是它们原子核内的质子数 , 例如原子核内只有一个质子 , 它就是1号元素氢、有两个质子就是2号元素氦、三个质子就是3号元素锂 。
为什么1、2号元素在宇宙中到处都是,3、4、5号元素却极为罕见?
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按常理来说 , 结构越简单的元素就越容易形成 , 因此我们似乎可以认为 , 各种元素在宇宙中所占的比例就应该是越简单的越多 , 而越复杂的元素越少 , 然而事实却并非如此 。
为什么1、2号元素在宇宙中到处都是,3、4、5号元素却极为罕见?
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上图为宇宙元素丰度表 , 我们可以看到 , 1、2号元素(即氢和氦)的丰度确实是宇宙中的前两名 , 可以说是在宇宙中到处都是 , 但接下来的3、4、5号元素(即锂、铍、硼)的丰度却非常低 。
那么问题就来了 , 为什么1、2号元素在宇宙中到处都是 , 3、4、5号元素却极为罕见呢?要解释这个问题 , 我们需要从宇宙诞生之初讲起 。
原初核合成期
根据科学界的主流理论“大爆炸宇宙论” , 宇宙诞生于一个温度极高又极为致密的“奇点” , 在大约138亿年前 , 这个“奇点”发生了“大爆炸” , 在这个过程中 , 物质密度以及温度不断地降低 , 最终演化成了现在我们所看到的宇宙 。
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在宇宙的演化过程中 , 有一个被称为“原初核合成期”的时期 , 其时间跨度大约为“大爆炸”发生后的10秒至35分钟之间 , 在这段时期里 , 宇宙中已经形成了大量的质子、中子以及电子 , 物质的密度以及温度也满足了质子聚变的条件 , 于是大量的质子就开始发生聚变 , 并生成了约占宇宙质量25%的轻元素 , 其中绝大部分都是氦 。
我们知道 , 质子其实就是氢原子核 , 由此可见 , 在宇宙诞生之初 , 1、2号元素就已经在宇宙中到处都是了 。 那么其它的元素又是怎么形成的呢?
“元素制造工厂”——恒星
当宇宙演化到一定程度的时候 , 宇宙中的物质开始在引力的作用下互相吸积 , 并形成一个个巨大的天体 , 它们像“滚雪球”一样越来越大 , 内部的温度和压力也会因为不断增长的重力而不断提升 , 当达到某个临界点时 , 其核心就会发生核聚变 , 这些天体也因此在宇宙中绽放出耀眼的光芒 , 而它们也是宇宙中的第一批恒星 。
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为什么1、2号元素在宇宙中到处都是,3、4、5号元素却极为罕见?】核聚变就是较轻的元素聚变成较重的元素的过程 , 要聚变出更重的元素 , 就需要更高的温度和压力 , 所以那些质量较轻的恒星 , 只能聚变出比较“初级”的元素 , 比如红矮星只能将氢聚变成氦 , 而像太阳这样大的恒星 , 也最多只能聚变出氧 。
只有质量足够大的恒星 , 其内部才会发生一轮接一轮的核聚变 , 聚变出越来越重的元素 , 这样的进程将一直持续到26号元素铁 。 由于铁原子核就算发生聚变也不会释放出能量 , 因此当恒星核聚变进行到铁时 , 就会因为内部失压而发生超新星爆发 , 而宇宙中更重的元素 , 则会在这一阶段生成 。
为什么1、2号元素在宇宙中到处都是,3、4、5号元素却极为罕见?
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顺便讲一下 , 当宇宙中的白矮星或中子星互相碰撞之时 , 也可能会发生超新星爆发 , 进而生成大量的重元素 。
需要注意的是 , 尽管恒星能够聚变出很多种类的元素 , 但锂、铍、硼却是例外 , 而这也是“宇宙中的3、4、5号元素极为罕见”的原因 。
为什么恒星不能聚变出3、4、5号元素?
正如前文所言 , 原子核内有三个质子就是3号元素锂 , 从理论上来讲 , 只要一个氦原子核与一个质子发生聚变就可以生成锂原子核 , 但问题是 , 这种聚变只能生成锂-5 , 这是一种很不稳定的同位素 , 它会很快发生衰变 。
除此之外 , 只要温度高于240万K , 锂原子核与质子就很容易发生聚变反应 , 然后生成两个氦原子核 , 而恒星核心的温度基本上都会高于这个温度 。
为什么1、2号元素在宇宙中到处都是,3、4、5号元素却极为罕见?
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那么4号元素铍呢?从理论上来讲 , 只要两个氦原子核聚变就可以生成铍 , 然而这种聚变所生成的铍-8 , 同样也是一种极不稳定的同位素 。
也就是说 , 即使恒星聚变出锂或铍了 , 也不能长时间保存 , 而5号元素硼则更“惨” , 因为在恒星的内部 , 连聚变出硼原子核的路径都没有 。