地球上是怎麼產生重金屬元素?


地球上是怎麼產生重金屬元素?

這個問題分三步走吧!


地球上是怎麼產生重金屬元素?

地球上是怎麼產生重金屬元素?

01 我們都是群星之子

宇宙中的恆星可以按照元素的組成分為三種。

1、星族Ⅲ星,也稱“欠金屬星”。

這裡的“金屬”在天文學上指的是:氫和氦以外的其他元素。

星族Ⅲ星完全由氫、氦組成,推測它們誕生於大爆炸後不久,只存在於理論之中,但迄今為止仍未發現。按照理論,它們應該非常巨大,質量是太陽的數百倍,但壽命極短,迅速坍縮為黑洞,它們是宇宙中的焰火。

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▲模擬的大爆炸之後4億年的第一代恆星。

2、星族Ⅱ星,也稱“貧金屬星”。

這一類恆星裡的“金屬”元素含量較低,它們最早起源於宇宙大爆炸後的第一批恆星,年齡相對較大。

銀河系內,它們主要分佈在球狀星團和銀暈裡。因為“金屬”元素相對較少,繞它們旋轉的行星較少。

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▲銀暈:銀河系外圍由星際物質和稀疏恆星組成的球狀區域

3、星族Ⅰ星,也稱為“富金屬星”。

我們的太陽就是這樣一顆星族Ⅰ星,來自上一代恆星超新星爆炸後行星狀星雲裡的星際塵埃,它們的年齡相對較年輕。

銀河系內,它們主要分佈在旋臂上,因為“金屬”元素相對較多,繞它們旋轉的行星較多。

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這裡可以看到,更老的恆星卻被叫做星族Ⅲ星,並沒有按照時間順序來,這是歷史遺留問題,因為在早期對恆星觀察的時侯,並不清楚一些恆星的“金屬”含量會比其他恆星多的原因。

結論一:原始太陽系來自第一代或第二代恆星(星族Ⅱ星或更早的星族Ⅲ星)超新星爆發後拋出的氣體塵埃,我們都是群星之子。

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▲原始太陽系的星盤

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02 鐵以上的重元素來自s-過程和r-過程

在恆星內部,通過核反應最高只能聚變出鐵元素。鐵56的比結合能最大,再要合成更重的元素,就不是放熱反應,而是吸熱反應了,因此更重元素無法通過核聚變來產生,主要來自恆星的超新星爆炸或雙中子星合併。

超新星爆炸和雙中子星合併的時候,伴隨著高密度的中子流,每秒每立方厘米高達100萬億億個中子。

在如此之多的中子碰撞下,較輕的原子核如同沐浴在中子的“沙塵暴”裡,各種各樣的富中子原子核被製造出來,而又迅速發生β衰變,最終變成較穩定的原子核。

銥、鋨、鉑等貴金屬、其他重元素以至放射性元素都可以通過這種“快中子俘獲”過程(r-過程)製造出來。

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▲超新星爆炸是重元素的製造工廠。

那是不是所有重元素都來自超新星或雙中子星合併呢?也不盡然,在恆星內部,也有一條持續穩定的路徑,讓比鐵重的元素逐一生成,這就是“慢中子俘獲”。

第一代超新星爆炸出一些重元素的碎屑,有些飄蕩在宇宙空間,凝結成行星,也有些被其他恆星吸引過去,成為進一步核反應的母核。

在恆星內部,有著各種各樣的輻射,其中就有中子輻射。偶然的機會,“貪吃蛇”母核將中子俘獲過去,“吃”進肚裡,變成更大的原子核。

這個過程很漫長,可能要一年,甚至十年,才會發生一起俘獲事件,所以稱為“慢中子俘獲”(s-過程)。

這些原子核就如同滾雪球一般,越來越大。然而雪球畢竟是有限度的,吃脹肚子的不穩定原子核會發生β衰變,吐出電子和中微子,變成了原子序數+1、原子量相同的其他元素。

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▲原子核吃進中子,吃多了會“消化不良”,發生β衰變,中子變成質子。

相比較而言,r-過程效率較高,s-過程的貢獻較低。

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03 地球上重元素比例為何如此之高?

我們相信,地球、木星和太陽都來自形成原始太陽系的星雲,因此元素比例應該是一樣多的,然而為何地球上氫、氦等較輕元素這麼少呢?

簡單點說就是較輕元素被吹光了。

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罪魁禍首就是太陽,太陽在無時不刻向外“吹風”,其實吹的是“太陽風”——帶電粒子,靠近的星球比較慘,大氣每天受到衝擊,較輕的元素(主要是氫、氦)就這樣被“吹”跑了。

最近的水星根本形成不了大氣。

沒有磁場的星球尤其慘,比如金星轉速太慢,形成不了磁場,太空探測器發現了一條向地球軌道延伸的彗星狀尾巴。

地球比較好,有磁場保護,平常時候大部分帶電粒子偏轉,但太陽風力過強還是會“擊穿”它,讓我們看到美麗的極光。

火星比水星大,距離太陽的距離是水星的四倍,但人們認為太陽風已經將其原有大氣的三分之一剝離,只留下了地球大氣密度的百分之一。

據測定,火星大氣剝離的速度約為每秒100克。

因此,靠近太陽的四顆類地行星表面很難找到大量的氫和氦,就好像幾個被太陽風剝光氫氦衣服後,只剩下幾個石質裸核。而較遠處的類木行星受太陽風影響極小,因此還能披上厚厚的氫氦衣服。

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總結一下:

1、我們都是群星之子,地球上的重元素來自幾十億年前的第一代或第二代恆星超新星爆炸或雙中子星合併。地球自身產生不了重元素,只可能由更重的放射性元素衰變成不那麼重的放射性元素,比如U238經過α衰變成釷234。

2、有兩條路線可以生成重元素,r-過程(超新星爆炸或雙中子星合併)和s-過程(恆星內部)。

3、地球上重元素之所以這麼多,是因為較輕元素被太陽風吹光了。


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