宇宙中的氢元素是怎么产生的?

中华万年无期



大约140亿年前,在所谓的宇宙“大爆炸”形成期间,只形成了最轻的元素——氢和氦以及微量的锂和铍。随着宇宙尘埃云和来自大爆炸的气体冷却,恒星形成,然后它们聚集在一起形成星系。

自然界中发现的其他86种元素是在这些恒星的核反应和被称为超新星的巨大恒星爆炸中产生的。


在恒星生命的大部分时间里,恒星融合元素氢在它们的核心变成氦。两个氢原子结合成一个系列制造氦- 4的步骤。这些反应占太阳能量的85 %。剩下的15 %来自产生铍和锂元素的反应。

这些核反应产生的能量以各种辐射形式发射,如紫外线、x光、可见光、红外线、微波和无线电波。此外,中微子和质子等带电粒子被释放出来,正是这些粒子构成了太阳风。

地球正处在这股能量流的路径上,这股能量流温暖着地球,驱动着天气,为生命提供能量。地球大气层能够屏蔽掉大部分有害辐射,地球磁场能够偏转太阳风的有害影响。

当恒星的核心耗尽氢时,恒星就开始消失。垂死的恒星膨胀成红巨星,现在开始通过融合氦原子制造碳原子。

更多的大质量恒星开始了更远的距离系列核燃烧或反应阶段。这些阶段形成的元素从氧到铁不等。

超新星爆发时,恒星释放出大量的能量和中子,从而产生比铁重的元素,如铀和金。在超新星爆炸中,所有这些元素都被排入太空。


我们的世界实际上是由恒星核心深处形成的元素组成的,这些元素早已死亡。正如英国皇家天文学家马丁·里斯爵士所说,“我们实际上是逝去的恒星灰烬。”当你买一个气球时,气球里充满了氦气——其中大部分是在宇宙只有3分钟大的时候产生的!

以下是氦元素参与反应制造新元素的例子:

3个氦原子融合成一个碳原子

碳原子+氦原子融合产生氧原子

氧原子+氦原子融合形成氖原子

氖原子+氦原子熔合生成镁原子


116种已知元素中只有90种是自然产生的,那么另外26种来自哪里?

答案可以在被称为粒子加速器的核电厂和机器的发展中找到:

科学家发现,通过让快中子在核反应堆中与铀的常见同位素铀- 238碰撞,产生了“新”元素钚。通过在被称为粒子加速器的机器中将原子粉碎在一起,人们发现可以制造新的元素。例如,用氖原子轰击锔元素的原子,形成元素106——钅喜(Sg)。

106号元素,是一种人工放射性元素,化学符号106或Unh,属周期系VIB族。半衰期最长的同位素是质量数为263的106号元素。已发现质量数为259、260、261和263的四种同位素。

1974年苏联杜布纳联合核子研究所的弗廖罗夫和奥加涅相等用加速器加速的铬离子轰击铅靶,反应合成了质量数为259的106号元素的同位素。他们鉴定259以自发裂变的方式衰变,半衰期为千分之七秒。几乎同时,美国加利福尼亚大学劳伦斯—伯克利实验室的吉奥索等用加速器加速的氧离子轰击259微克的锎靶,反应合成了263,并用测量263衰变链子体的方法进行了鉴定。



 

 


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氢是这个宇宙中最简单的元素,它由一个质子和一个电子构成。原子量为1.00794u(u为统一原子质量单位,1u为碳原子质量的十二分之一)。它是宇宙中最为常见的元素,占重子数量的75%。它有三种同位素,分别是:氕、氘和氚。氕的丰度为99.9885%。其他两种较为稀有。


图:氢原子

氢原子是恒星的主要燃料,它在恒星中发生核聚变反应,生成了其他的重元素,并在这个过程中降低质量,转换成能量释放出来。

那么,氢又是从何而来呢?

在138亿年前,一个“奇点”突然发生了“爆炸”,为什么爆炸,目前所有的理论都无法解释。目前,科学只能了解普朗克时间以后的事情。



10∧−36秒开始发生了暴涨,暴涨大约只持续到10∧−33~10∧−32秒之间。暴胀结束后,宇宙继续膨胀,但速度就低得多了。这时宇宙中的物质包括了夸克-胶子等离子体和其他的基本粒子。此时的宇宙非常的炙热,所有的粒子都在以接近光速的速度运动着。

此时的物质和反物质数量是相等的,但是,某一种破坏这种平衡的的反应出现,它使得物质的数量超过了反物质的数量,超过的数量大约只有3000万分之一。

宇宙诞生10∧-6秒之后,夸克和胶子开始结合成质子(反质子)和中子(反中子)。此时的温度已经不足以形成质子~反质子对、中子和反中子对,物质和反物质之间发生湮灭,最后只剩下了大约十亿分之一的物质。

宇宙诞生1秒以后,电子和正电子也经历了这一切,湮灭反应后,只剩下了电子。

大约在宇宙大爆炸后的第三分钟,随着宇宙的进一步膨胀,温度降低到大约10多亿度,物质密度大约降低到海面大气的密度。一小部分质子和中子开始结合形成了氘(氢的同位素),其他的质子形成了氢,氢进一步的聚变形成了氦,并且还生成了极微量的锂和铍。这个过程大约进行了17分钟,即宇宙诞生的第20分钟。这就是太初核融合。



随着宇宙的膨胀并冷却,核融合就停止了下来,也幸好宇宙能够以极高速进行膨胀,晚一点这个宇宙的核融合就可能进行到后面的较重元素,这样的宇宙就不大可能会诞生出生命来了。


讲科学堂


氢是所有宇宙中存在元素的“祖宗”,元素周期表上的所有元素,在最开始,都是氢。

而氢是宇宙中最多的元素,虽然氢原子是最轻的原子,但是它的总重量却占到了宇宙总质量的75%,而从数量上来说,它更是占整个宇宙的90%。

那么,宇宙中的氢元素是如何产生的呢?

这要从宇宙的诞生说起,137亿年前的一次大爆炸,宇宙开始了它的膨胀步伐,在极端的高温高压环境中,第一批构成粒子最基本的单位夸克、电子等产生了。

但这时候,因为高温高压,粒子们都纷纷处于游离的状态,我们可以称之为“夸克汤”。

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随着温度的下降,高能夸克们开始冷却下来,并开始出现“夸克禁闭”的现象,它们互相结合,形成了质子。

在质子诞生的那一刻起,我们就可以说,氢元素已经诞生了,因为一种元素的属性是由其原子核中的质子数决定的。这时候宇宙刚刚诞生0.00001秒;

但这时候宇宙仍然处于等离子体状态,直到38万年之后,宇宙终于凉了一点,此时终于有一个质子成功俘获了一个电子,电荷中和,形成了不带电的氢原子。

之后,通过聚变,氢生氦,氦生碳,粒子们互相聚集,最终形成了物质的宇宙。

为什么氢是万物之源,只因为它足够简单。

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有部书名叫《最初的三分钟》,作者史蒂文.温伯格。基本可以回答你的问题。


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