小小年纪的你,体内的元素却已经几十亿岁了,这是怎么回事?
宇宙大爆炸
不知道你有没有想过一个问题,那就是元素到底是从哪里来的?
要知道,我们身体内的元素大部分都是宇宙诞生之初没有。元素的由来是和整个宇宙的演化息息相关的,其中就包括恒星的演化等等。
要了解元素,恒星这一系列的问题,实际上我们要从宇宙大爆炸说起。
按照如今的主流理论,我们知道宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸。大爆炸之后,宇宙中其实没有像如今这样的原子结构,而是一片混沌状态,其中主要遍布着高能电磁波。
此时的宇宙温度极其高,随着宇宙的膨胀,温度逐渐下降,随后各种粒子出现,再湮灭,每10亿对正反粒子湮灭都会留下一个正粒子,所以我们才是处在一个正粒子构成的宇宙,目前我们还不知道为什么会这样。
宇宙大爆炸之后的38万年,宇宙的温度下降到3000开尔文左右,原子结构开始形成。一开始,宇宙的元素主要就是氢元素和氦元素,这是元素周期表最靠前的两个元素。
也不是说没有形成其他元素,只是因为其他元素不稳定,会裂变回到氦元素。即便到了现在,宇宙中可见物质当中,氢元素和氦元素的占比都高达99%以上。
而我们要知道的是我们的体内还有许多其他不同的粒子,那他们是咋来的呢?
恒星:元素炼丹炉
大概在宇宙大爆炸之后的2亿年,宇宙中开始出现一些奇怪的大家伙,它们是星云在引力的作用下逐渐形成的。如今,我们管这些天体叫做恒星。恒星和其他天体最大的区别在于它能够发生核聚变反应。那为什么只有它可以发生核聚变反应呢?
这是因为恒星的质量够大。整个天体在引力的作用下,会被非常夸张的挤压。我们中国有句老话叫做物极必反。恒星在被强大的引力挤压后,也会反抗。
具体来说就是,由于引力的挤压,恒星内部的温度攀升,温度可以达到上千万度,甚至上亿度。在这个温度下,以及量子隧穿效应、弱相互作用的帮助下,就会点燃原子核的核聚变反应。正如上文所说的,起初宇宙中主要是氢元素和氦元素。因此,恒星其实主要也是由这两个元素构成的。首先促发的核反应是氢原子核的核聚变反应。主要有两条路径,分别是质子-质子反应链和碳氮氧循环。无论是哪条路径都是4个氢原子核生成1个氦-4原子核。
核聚变反应会产生对外的压力,这个压力会和引力形成动态平衡。使得恒星不会一下子炸开,也不会一下子被引力压缩成一个点。
但恒星内核的氢原子核的核聚变的差不多时,这时候恒星就会完成一次换挡。此时恒星内核主要是氦原子核。恒星引力作用下,继续促发氦原子核的核聚变反应。但这里要注意的是,有部分恒星的质量不足以促发氦原子核的核聚变反应,这是因为氦原子核的核反应条件要比氢原子核更苛刻。
因此,这些恒星就会停在烧完氢原子核后的状态,等着彻底凉透。而质量足够,引力足够就可以继续促发氦原子核的核聚变反应,生成碳原子核或者氧原子核。
太阳就到达到这一步,当氦原子核烧完后,太阳自身的质量没有办法继续促发核聚变反应,太阳就会成为一颗白矮星,等待着彻底地凉透。这时候太阳内核其实不是金属核心,而主要是碳元素和氧元素。
如果此时质量还足够大呢?
事实上,恒星就会一步步恒聚变反应下去,一直到铁原子核。铁原子核是最稳定的原子核,或者我们可以说是比结合能最大的元素核,想让铁原子核发生核聚变反应的难度很大,而且这个过程是要输入能量,而不是释放能量的。如果恒星还能够促发铁原子核进行反应,那就会发生超新星爆炸。
而恒星的内核要么形成一个中子星,要么形成一个黑洞。所以,我们可以看出,并不是所有的恒星都最终会形成一个金属内核,而是绝大多数的恒星都不会如此。
人体内的元素都有数十亿年的历史
元素的产生其实是要依赖恒星的核聚变反应。我们体内绝大多数的元素其实都是这样的。它们来自于上一代或者在上两代恒星的产物,年纪都是在45亿年以上。你的一生和这些元素的年纪比起来几乎是可以忽略不计的。