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地球上众多类型元素是那来的?发生过核反应吗?

作者:admin 日期:2022-08-16 20:57 浏览:标签: 地球上 元素 发生 多类型

  地球上的元素来源有三:

  1.所有元素种类都是形成于宇宙大爆炸。宇宙大爆炸所释放的能量要比核反应高数千倍。

  2.部分区域的元素的量(例如铁、铜、金、银等)是来源于火山爆发,其温度也是几亿度,足以形成各种元素。

  3.部分区域的元素也是来源于陨石。

  地球上众多类型元素是那来的?发生过核反应吗?

  我们所在的地球,是由92种常见元素所构成,另外加上26种短时间内可以存在的放射性以及人工合成元素,将有118种元素,正是这些元素,共同构成了我们地球现在的岩石圈、水圈、大气圈,同时也支撑着生物圈中各种动物和植物的存在。据研究,这些元素在地球刚诞生时的46亿年前就已经出现,那么,这些元素是如何形成的呢?是通过地球自身内部的核反应而出现的吗?

  人们对物质组成的认知是一个逐步深入的过程,无论是古希腊的水、土、火、气四种元素说,还是我国古代的金、木、水、火、土五种元素说,都在试图揭示宏观世界的微观组成。到了近代,科学家们根据物质的性质不同,逐渐发现了30多种元素,而到了19世纪中叶以前,元素的种类已经拓展到50多种,而这些所发现越来越多的元素之间,到底是彼此孤立还是存在着某种联系,一直困扰着人们。直到19世纪60年代末,俄罗斯科学家门捷列夫在对已知元素的原子序数进行排列时,发现了不同元素之间在物理和化学特性方面具有的周期性变化规律,在此基础上绘制了最原始的元素周期表,从而为现代化学体系的建立打下了坚实的基础。

  但是,受于当时条件的限制,门捷列夫并未就元素为何出现这种周期性的变化规律做出解释,直到1911年,新西兰物理学家卢瑟福通过利用阿尔法粒子散射实验,发现了质子的存在,继而提出了原子核的结构模型,并提出了“中性粒子”的预言,人们才逐渐意识到具有不同原子序数的元素,其质子数的差异,决定了不同元素之间呈现出的不同理化性质。而到了20世纪30年代,英国物理学家查德威克又利用钋加铍作为放射源,去轰击氢、氦、氮等元素发现了卢瑟福所预言的“中性粒子”,即中子,使得人们对微观粒子的组成又有了新的认知,那就是质子决定元素的种类,中子决定着元素的同位素。

  通过天文学家们的长期观测和研究,普遍认为我们所在的地球包括太阳系,都形成于46亿年之前在此区域浓密的星云物质,在引力扰动的影响下,这些星际物质不断发生吸聚和坍缩作用下缓慢产生的,那么无论是太阳也好,太阳系的各大行星也好,其组成物质也应该来源于这些星际物质。而通过对太阳组成物质的研究,科学家发现,太阳是以氢和氦等轻物质为主要组成,而地球相对于太阳来说,无论是元素的种类还是“均衡”程度,都要远远大于太阳,那么这就表明地球的组成物质,并非来源于太阳的核聚变,更不可能来源于地球内部的核反应,因为地球内部,不论是温度还是压力都远不及太阳,不可能产生这么多的重元素,这些元素的来源必定另有出处。

  要分析这个问题,不得不追溯到宇宙大爆炸刚开始的阶段,在体积无限小、质量无限大的奇点发生爆发之后,在普朗克时间内推动空间大暴涨,在极短的时间内能量发生衰变,逐渐产生自由原子和电子,这个时期由于宇宙的整体温度还非常之高,这些基本粒子还无法结合形成原子核,光线也无法从这片等离子体中逃离出去。直到大爆炸之后的38万年之后,随着宇宙温度的冷却,质子和中子才得以结合成宇宙第一批中性原子,由于氢和氦的结合比较容易,因此这时的中性原子以氢居多,占据了90%以上,宇宙空间中充斥着由氢和氦所组成的浓密星云,为后来宇宙天体的演化提供了充足的物质来源。

  后来,在引力扰动的影响下,这些星云物质开始发生聚集,无数星云团开始形成,在这些星云团中又逐步形成了诸多物质分布更加密集的区域,并逐渐向其中的中心点发生坍缩,使得中心区域的质量不断增大,同时在被吸聚星云气体不断碰撞和引力势能转化的条件下,使得中心区域的温度不断提升,最后在量子隧穿作用下,温度达到1000万摄氏度以后,氢原子中的质子就会突破原子间的库仑力进入其它氢原子中,从而引发质子与质子的链式核聚变反应,宇宙中最原始的一批恒星就此登上了历史舞台。

  而这些恒星所吸聚原始星云的数量,决定了恒星的原始“尺寸”,这个质量的大小,决定了恒星内部核聚变所依赖的温度和压力环境。当恒星质量较小时,通过质子与质子的链式核聚变反应所生成的氦,没有足够的环境来支撑后续氦的核聚变反应,最后当氢消耗完毕之后就会形成红矮星。而当恒星质量较大,因核聚变而产生的氦,可以在更高的温度之下完成接下来的核聚变,从而产生碳,并且随着质量的继续增大,依次将会在核聚变后形成氧、氖、镁、硅、磷、硫、铁这些元素,从而形成恒星从外到内原子序数逐渐增大的层级结构。

  对于恒星内部的核聚变来说,能够维持其稳定的关键因素就在于温度要足够高,也就是说核聚变所释放的能量要大于反应所需要的能量输入。而铁作为比结合能最高的元素,它要发生核聚变,所需要输入的能量要大于释放的能量,因此一旦恒星内部核聚变产生了铁元素,那么就意味着恒星的生命快走到了尽头。那么,宇宙中比铁元素原子序数要大的元素是怎么来的呢?这得归功于超新星爆发了。

  当大质量恒星完成主序期使命之后,内部核聚变的减弱,使得向外的辐射压降低,从而恒星外部物质的重力作用将占据上峰,将会出现急速地向内坍缩现象,恒星内部电子简并气体的电子将会被原子核所捕获,使得间并压进一步降低,坍缩现象会变得越来越剧烈。在此过程中,因电子俘获反应所释放的能量,将在恒星内部激发重启核聚变,使恒星产生不可控的核聚变,于是在坍缩作用的加持下,会产生剧烈的激波向外反弹,从而将除恒星内核以外大部分的组成物质从恒星中剥离出去,引发超新星爆发,有时爆发的能量十分巨大,甚至可以将恒星的核心也炸毁。由于超新星爆发的能量极高,温度可以达到上千亿摄氏度,在这种高温下,所释放的大量高能中子,将会与之前恒星核聚变形成的铁及以下元素进行结合,形成其它更多的重金属元素,从而飘散在宇宙空间中。如果剩余的恒星核心部分没有被炸毁的话,则继续发生着物质坍缩,根据剩余核心的质量不同,将会演化为中子星或者黑洞。

  因此,太阳系所在区域的前身,应该是由上一任大质量恒星在完成超新星爆发之后所形成的星云物质所组成。在漫长的引力扰动作用之下,重复着恒星的诞生历程,太阳吸聚了这片星云绝大部分的氢氦等物质,剩余的物质则继续在距离太阳较远的轨道处聚集,逐渐演化成了固态行星和气态行星。我们地球上所看到的这些常见元素,实际上都见证着奇点大爆炸之后宇宙无比漫长的发展演化历史。

  地球上众多类型元素是那来的?发生过核反应吗?

  元素周期表中常见的元素总共有92种,如果加上短期存在的放射性元素和人造元素外,总共有118种,它们的同位素的数量则是元素种类的几十倍,如果加上化合物那可能就难以计数了!那么地球上那么多元素到底是怎么来的呢?

  人类最早认识的元素是铜,它促使人类进入了青铜时代,然后再是金,这种稀有的金属人类很久以前就认识了它的价值,此后则是铅、银和铁等等,铁是人类历史上最重要的元素,因为一直到现在我们所有的制造业、重工业以及宇航工业,都有铁或者铁合金的参与。

  越王勾践剑,春秋晚期越国青铜器,国家一级文物

  从原子到原子的结构

  到了十八世纪,法国的大化学家拉瓦锡的发现否定了燃素说,发现燃烧其实是一个氧化化合过程,因此提出了化合之前的单体元素一说!人类完成了从单体到化合物元素的了解过程!此后道尔顿提出了原子理论,认为物质都由最小的原子构成!

  再往后就是汤姆逊发现电子,卢瑟福发现了原子核和更小的质子,查德威克发现了中子,至此关于元素的组成架构已经完全准备好了!

  元素和元素之间到底以什么为差别标准?

  其实元素之间的差异早在19世纪就有人发现了,尽管门捷列夫的元素周期表朦胧的表达出了这个差异,但真正的差别是在卢瑟福发现质子以后,大家彻底知道了元素之间的差异其实就只是质子数的差别而已,而到了上世纪三十年代的中子发现后,也就知道了同位素的存在!

  氢的三种同位素

  元素的差别就是质子数量的差异,它和中子数量的配合构成了元素稳定的关键,但总得来说数量越大,稳定性越差,比如92号元素以上,极不稳定,到了118号元素,简直只能以毫秒级别存在。

  118号元素的电子层排布

  从元素到元素

  1920年英国物理学家爱丁顿提出了恒星从轻元素的聚变中获得能量的早期核聚变理论,十几年后才美国科学家汉斯贝特发现并完善了质子链反应和碳氮氧循环,马克欧力峰则完成核聚变程序,至此从元素到元素的转变!

  质子-质子反应链

  但核聚变并不是随便就能发生,它需要超高的温度,而这个条件则只在恒星内部才能发生,而不同质量的恒星温度不一样,达到的元素层级也有差别!核聚变从最初是从氢元素中的氕开始的,吸收能量后经过β衰变成氘,然后和氕开始质子链反应,一直到氦,再经过氦核作用,核聚变反应生成从碳到镍之间的所有元素。

  通过氦核作用产生的除碳以外的元素

  铁镍后的重元素则在恒星红巨星时代的慢中子捕获和超新星爆发的快中子捕获中完成。而中子星合并过程中则会产生大量的重元素,包括黄金以及和铀这些放射性元素,都会在这个过程中产生!

  中子捕获过程

  所有这些条件在地球上并不具备,即使在地球内核将近6000度的条件下,最多也只能产生一种比较奇特的压缩高温的坚硬流体状物质,但元素的特性并没有改变,唯一能产生新元素的途径是宇宙射线轰击大气分子产生新元素,比如宇宙射线所带的高能量中子击氘核,其氘核与中子结合为氚核!其实人造元素也是用类似的方法获取,只不过是在加速器中得到而已。

  各位会发现一个问题,也就是我们地球上所有元素的源头都是氢的同位素氕,无论如何千变万化,都是不同质子数的堆积,或者就是质子变成中子后结合,那么最初的元素氢(氕)是怎么来的呢?

  现代宇宙诞生的大爆炸论认为这是在大爆炸过程中产生的,在大爆炸温度达到形成重子时,元素开始萌芽了,宇宙再扩张,温度到再降低就到了太初融合的时代,宇宙中的氕(绝大部分)、氘(微量),氦(少量),锂(痕量)就在太初融合时代产生了!

  说起来令人难以置信,但大爆炸的余晖宇宙微波背景辐射,以及大爆炸合成元素比例的也已经得到验证,还有大爆炸产生的宇宙膨胀,三个最关键的证据得已经发现,这宇宙还不是一般的神奇,大爆炸产生最初的元素,恒星的不同发展过程接力产生了不同元素,然后爆炸将这些元素抛洒到了宇宙中!

  大爆炸的证据

  最后新的恒星形成过程中又诞生了行星,而有的行星机缘巧合又诞生了生命,而地球上的各种化学物理过程又诞生了很多化合物(其实又很多化合物在地球诞生时就存在了),经过数十亿年的演化,最终变成了现代地球!

  小行星撞击产生金属氢金属氢聚合形成地壳的元素。

  46亿年前,当地球在宇宙中诞生时,构成目前地球上绝大多数物质的元素,就已经存在了。在此之后的46亿年里,虽然也有小行星或者陨石、陨铁等带来大气层外的物质,但地球上的各种元素基本保持着当初的含量。

  正因为有接近一百种天然元素的存在,地球才能具有如此多样的地形地貌和生态系统,形成能量和物质循环。那么,地球上种类繁多的元素是何时形成的?这些元素是同时形成还是存在先后次序?

  科学家认为,宇宙是在距今138亿年前的一次“大爆炸”后形成的,在那之前宇宙处于一种密度极大,温度极高的状态。这就是众所周知的宇宙大爆炸理论,根据大爆炸理论,宇宙形成之初,存有的元素种类极为有限。构成地球上的各种元素,并非是在138亿年前与宇宙一起诞生,而是经由了上亿年的演化才开始由轻到重(原子序数从小到大)依次生成。

  在大爆炸发生后的约万分之一秒,宇宙的温度高达一亿摄氏度,此时质子(氢原子核)和中子开始生成。之后,质子和中子相互撞击,形成重氢。重氢再继续捕获中子形成超重氢,超重氢又可经由β衰变生成氦-3,而氦-3吸收中子后又可以转化为氦-4。

  在以上各种原子核中,氢原子核和氦原子核最稳定,因此会在反应过程中得以集聚。接下来,由于质量数(质子数+中子数)为5的稳定原子核不存在,宇宙早期的元素合成过程到此趋于停滞。虽然也有极少数的锂-7和铍-7得以生成,但上述二者皆不稳定,最终未能在宇宙中大量留存。

  氢元素合成过程持续了约一亿年之久,在此期间,氢元素团块们在引力作用下相互集聚,并形成了早期恒星的雏形。当集聚而来的氢元素们数量累积到足够程度,恒星核心就将在重力作用下发生氢核聚变反应,由氢生成氦,并在此过程中产生巨大的能量,向星际空间释放灼热的光芒。

  随着氢核聚变的进行,大量氦-4随之生成。在恒星内部这样的高温高压高密度环境下,原本发生几率非常低的两个氦-4聚变为铍-8的过程,几率也得以大大提高。虽然铍-8并不稳定,但在其衰变之前,若能与周遭大量存在的氦-4再发生一次聚变,就能形成可以稳定存在的碳-12。

  碳-12的生成是元素生成的最重要的事件之一,碳-12与氦-4反应生成的氧-16同样是稳定核。而两个氧-16结合后又可以生成一个硅-28和一个氦-4,前者仍然是稳定核。各种稳定核的不断生成令元素合成冲破了氢核聚变的桎梏,各种较重的元素被不断地合成。然而,这一元素合成过程在进行到铁-56后出现了一些小插曲——在恒星中心的大多数质量都变成铁后,中心部分所产生的压力将非常巨大,这将导致电子被压入原子核,与原子核中的质子转变为中子,最后整个恒星核心都将变成中子。

  由于该中子核心极端致密,铁元素无法继续进入,进一步的聚变反应也将被迫中止。此时,恒星的寿命也就即将走向尽头了。因此,恒星内部的聚变反应无法形成大量比铁更重的元素。大质量恒星在生成铁元素核心后,该核心将进一步形成密度极大的中子内核。伴随这一过程,温度、密度的剧烈升高,核心遭受突然的引力坍缩,引发超新星爆发。

  在超新星爆发过程中,原有大质量恒星将抛出几乎全部的外层物质,只留下一颗体积极小的中子星核心。同时,爆发过程还将伴随少量重元素的生成,从28号元素铁到94号元素钚(甚至更重的元素)都可能在此过程中生成。

  太阳通过集聚这些散落于空间中的大量物质,在开启自身轻核聚变反应的同时,也继承了少量的较重元素。与太阳同时期诞生的地球,也因此而拥有了直到94号元素钚的各种天然元素。

  超新星爆发,曾经一度被认为是宇宙中铁之后重元素产生的主要途径。一般来说,铁之后的重元素主要通过原子核吸收中子并发生β衰变来产生更重的元素。超新星爆发的确可以在较短时期内制造出大量重元素,但超新星爆发过程中缺乏足量的中子供给,很可能并非是重元素生成的主要途径。

  科学家发现宇宙中中子星的撞击和合并会释放大量的中子。当质量大约为太阳8到20倍的两颗相近恒星相继发生超新星爆发并遗留下中子星核心后,这两颗中子星将相互围绕公转。然而,由于两者相互作用过程中引力波的释放,二者间距离逐渐接近。最终将不可避免的走向撞击或者合并,这一过程将释放出巨大的能量和大量的中子,同时在极短时间内制造大量包括金、铂等贵金属元素在内的重元素。

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  地球上众多类型元素是那来的?发生过核反应吗?

  现在的理论上来说,来自于恒星,但不是太阳。

  可以百度具体看一下。

  

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