宇宙中的氫元素是怎麼產生的?

中華萬年無期


氫是這個宇宙中最簡單的元素,它由一個質子和一個電子構成。原子量為1.00794u(u為統一原子質量單位,1u為碳原子質量的十二分之一)。它是宇宙中最為常見的元素,佔重子數量的75%。它有三種同位素,分別是:氕、氘和氚。氕的丰度為99.9885%。其他兩種較為稀有。


圖:氫原子

氫原子是恆星的主要燃料,它在恆星中發生核聚變反應,生成了其他的重元素,並在這個過程中降低質量,轉換成能量釋放出來。

那麼,氫又是從何而來呢?

在138億年前,一個“奇點”突然發生了“爆炸”,為什麼爆炸,目前所有的理論都無法解釋。目前,科學只能瞭解普朗克時間以後的事情。



10∧−36秒開始發生了暴漲,暴漲大約只持續到10∧−33~10∧−32秒之間。暴脹結束後,宇宙繼續膨脹,但速度就低得多了。這時宇宙中的物質包括了夸克-膠子等離子體和其他的基本粒子。此時的宇宙非常的炙熱,所有的粒子都在以接近光速的速度運動著。

此時的物質和反物質數量是相等的,但是,某一種破壞這種平衡的的反應出現,它使得物質的數量超過了反物質的數量,超過的數量大約只有3000萬分之一。

宇宙誕生10∧-6秒之後,夸克和膠子開始結合成質子(反質子)和中子(反中子)。此時的溫度已經不足以形成質子~反質子對、中子和反中子對,物質和反物質之間發生湮滅,最後只剩下了大約十億分之一的物質。

宇宙誕生1秒以後,電子和正電子也經歷了這一切,湮滅反應後,只剩下了電子。

大約在宇宙大爆炸後的第三分鐘,隨著宇宙的進一步膨脹,溫度降低到大約10多億度,物質密度大約降低到海面大氣的密度。一小部分質子和中子開始結合形成了氘(氫的同位素),其他的質子形成了氫,氫進一步的聚變形成了氦,並且還生成了極微量的鋰和鈹。這個過程大約進行了17分鐘,即宇宙誕生的第20分鐘。這就是太初核融合。



隨著宇宙的膨脹並冷卻,核融合就停止了下來,也幸好宇宙能夠以極高速進行膨脹,晚一點這個宇宙的核融合就可能進行到後面的較重元素,這樣的宇宙就不大可能會誕生出生命來了。


講科學堂


氫是所有宇宙中存在元素的“祖宗”,元素週期表上的所有元素,在最開始,都是氫。

而氫是宇宙中最多的元素,雖然氫原子是最輕的原子,但是它的總重量卻佔到了宇宙總質量的75%,而從數量上來說,它更是佔整個宇宙的90%。

那麼,宇宙中的氫元素是如何產生的呢?

這要從宇宙的誕生說起,137億年前的一次大爆炸,宇宙開始了它的膨脹步伐,在極端的高溫高壓環境中,第一批構成粒子最基本的單位夸克、電子等產生了。

但這時候,因為高溫高壓,粒子們都紛紛處於遊離的狀態,我們可以稱之為“夸克湯”。

<strong>

隨著溫度的下降,高能夸克們開始冷卻下來,並開始出現“夸克禁閉”的現象,它們互相結合,形成了質子。

在質子誕生的那一刻起,我們就可以說,氫元素已經誕生了,因為一種元素的屬性是由其原子核中的質子數決定的。這時候宇宙剛剛誕生0.00001秒;

但這時候宇宙仍然處於等離子體狀態,直到38萬年之後,宇宙終於涼了一點,此時終於有一個質子成功俘獲了一個電子,電荷中和,形成了不帶電的氫原子。

之後,通過聚變,氫生氦,氦生碳,粒子們互相聚集,最終形成了物質的宇宙。

為什麼氫是萬物之源,只因為它足夠簡單。

好玩又有趣的科普知識,歡迎關注本姑娘!


科學重口味



大約140億年前,在所謂的宇宙“大爆炸”形成期間,只形成了最輕的元素——氫和氦以及微量的鋰和鈹。隨著宇宙塵埃雲和來自大爆炸的氣體冷卻,恆星形成,然後它們聚集在一起形成星系。

自然界中發現的其他86種元素是在這些恆星的核反應和被稱為超新星的巨大恆星爆炸中產生的。

在恆星生命的大部分時間裡,恆星融合元素氫在它們的核心變成氦。兩個氫原子結合成一個系列製造氦- 4的步驟。這些反應占太陽能量的85 %。剩下的15 %來自產生鈹和鋰元素的反應。

這些核反應產生的能量以各種輻射形式發射,如紫外線、x光、可見光、紅外線、微波和無線電波。此外,中微子和質子等帶電粒子被釋放出來,正是這些粒子構成了太陽風。



地球正處在這股能量流的路徑上,這股能量流溫暖著地球,驅動著天氣,為生命提供能量。地球大氣層能夠屏蔽掉大部分有害輻射,地球磁場能夠偏轉太陽風的有害影響。

當恆星的核心耗盡氫時,恆星就開始消失。垂死的恆星膨脹成紅巨星,現在開始通過融合氦原子製造碳原子。


更多的大質量恆星開始了更遠的距離系列核燃燒或反應階段。這些階段形成的元素從氧到鐵不等。

超新星爆發時,恆星釋放出大量的能量和中子,從而產生比鐵重的元素,如鈾和金。在超新星爆炸中,所有這些元素都被排入太空。

我們的世界實際上是由恆星核心深處形成的元素組成的,這些元素早已死亡。正如英國皇家天文學家馬丁·里斯爵士所說,“我們實際上是逝去的恆星灰燼。”當你買一個氣球時,氣球裡充滿了氦氣——其中大部分是在宇宙只有3分鐘大的時候產生的!

以下是氦元素參與反應制造新元素的例子:

3個氦原子融合成一個碳原子

碳原子+氦原子融合產生氧原子

氧原子+氦原子融合形成氖原子

氖原子+氦原子熔合生成鎂原子

116種已知元素中只有90種是自然產生的,那麼另外26種來自哪裡?

答案可以在被稱為粒子加速器的核電廠和機器的發展中找到:

科學家發現,通過讓快中子在核反應堆中與鈾的常見同位素鈾- 238碰撞,產生了“新”元素鈈。通過在被稱為粒子加速器的機器中將原子粉碎在一起,人們發現可以製造新的元素。例如,用氖原子轟擊鋦元素的原子,形成元素106——釒喜(Sg)。

106號元素,是一種人工放射性元素,化學符號106或Unh,屬週期系VIB族。半衰期最長的同位素是質量數為263的106號元素。已發現質量數為259、260、261和263的四種同位素。



1974年蘇聯杜布納聯合核子研究所的弗廖羅夫和奧加涅相等用加速器加速的鉻離子轟擊鉛靶,反應合成了質量數為259的106號元素的同位素。他們鑑定259以自發裂變的方式衰變,半衰期為千分之七秒。幾乎同時,美國加利福尼亞大學勞倫斯—伯克利實驗室的吉奧索等用加速器加速的氧離子轟擊259微克的鐦靶,反應合成了263,並用測量263衰變鏈子體的方法進行了鑑定。


 

 


分享到:


相關文章: