第2章 從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化課件

第二章、從何處來(lái)，向何處去？

——元素的起源與演化第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

人類居住的地球、賴以生存的環(huán)境（水、土壤、空氣等）以及人類自身都是由什么組成的？我們仰望星空，那熾熱的太陽(yáng)、閃爍的星斗、若隱若現(xiàn)的銀河、美麗的彗星，又是由什么組成的？如此豐富多彩的物質(zhì)世界盡管外表形形色色，變化無(wú)窮，但其內(nèi)部是統(tǒng)一的，一切物質(zhì)都含有相同的一些最簡(jiǎn)單的組成部分，這就是元素。那么元素是從哪里來(lái)的呢？第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

多少年來(lái)，人們從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面探討元素的起源。任何一個(gè)歷史悠久的民族，都必然會(huì)在其遠(yuǎn)古時(shí)期產(chǎn)生各種關(guān)于起源的學(xué)說。當(dāng)他們夜晚看到黑色的天穹鑲嵌著閃爍的星群時(shí)，不僅會(huì)問白天帶來(lái)光明和溫暖、夜晚美麗動(dòng)人的宇宙來(lái)自何處。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

元素起源的古代學(xué)說

《藝文類聚》：“天地混沌如雞子，盤古生其中，萬(wàn)八千歲，開天辟地，陽(yáng)清為天，陰濁為地，盤古在其中，一日九變，神于天，圣于地。天日高一丈，地日厚一丈，盤谷日長(zhǎng)一丈。如此萬(wàn)八千歲，天數(shù)極高，地?cái)?shù)極深，盤谷極長(zhǎng)?！绷餍杏诒睔W諸國(guó)的神話集《新埃達(dá)》“最初是一無(wú)所有的，既沒有地，也沒有天，只有一條縫隙，在這虛無(wú)混沌的世界里，北方冰雪覆蓋，南方則烈日炎炎，南方的火熔化北方的冰，在熔化的水滴里產(chǎn)生了一個(gè)巨人伊默?！?/p>

第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

東方思維體系的精髓——陰陽(yáng)五行就現(xiàn)存的史籍顯示，陰陽(yáng)五行觀念的產(chǎn)生可上溯到上古三代?！瓣庩?yáng)”的觀念產(chǎn)生似較“五行”的出現(xiàn)更為久遠(yuǎn)。摒去其后來(lái)衍生的玄奧表層，其核心應(yīng)是上古先民出于對(duì)大自然的天地百象、日月輪轉(zhuǎn)、晝夜交接、寒暑更替、水火相抵、陰晴變換、男女雌雄等等對(duì)立而和諧現(xiàn)象的最樸素、最直觀的認(rèn)知和體悟。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

有文字記載的“陰陽(yáng)”觀念的正式出現(xiàn)，約在西周末年。其后的史料顯示，至春秋時(shí)期，“陰陽(yáng)”觀念的實(shí)際運(yùn)用在當(dāng)時(shí)的各個(gè)領(lǐng)域已較為流行，但從嚴(yán)格意義來(lái)講，尚未進(jìn)入哲學(xué)的華堂。

黑白二色，

代表陰陽(yáng)兩方，天地兩部；

黑白兩方的的界限

就是劃分天地陰陽(yáng)界的人部。

白中黑點(diǎn)

表示陽(yáng)中有陰，

黑方白點(diǎn)

表示陰中有陽(yáng)。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

使得"陰陽(yáng)"這一樸素觀念升華為鮮明的哲學(xué)思想的，是春秋末期的老子。老子將前人的陰陽(yáng)觀念集其大成，凝其精髓，用以解釋天地萬(wàn)物的性質(zhì)與發(fā)展規(guī)律，明確地提出"道生一、一生二、二生三、三生萬(wàn)物。萬(wàn)物負(fù)陰而抱陽(yáng)，沖氣以為和"的宇宙觀。認(rèn)為宇宙間任何物質(zhì)中都存在陰陽(yáng)兩性，對(duì)立存在又和諧統(tǒng)一。老子闡述的陰陽(yáng)學(xué)說對(duì)整個(gè)中華民族思維體系的形成有著至關(guān)重要的影響和意義。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

目前所知有關(guān)“五行”最早的提法，是載于《尚書·

洪范》中商紂王之叔箕子所說的：“五行，一曰水，二曰火，三曰木，四曰金，五曰土”。此時(shí)的金木水火土已不再是構(gòu)成萬(wàn)物的五種基本元素，而被高度抽象化為物質(zhì)的五種基本形態(tài)，而五行則為這五種基本形態(tài)的代號(hào)，即：金為固態(tài)，水為液態(tài)，火為氣態(tài)，木為等離子態(tài)，而土則為包容一切的“第五態(tài)”。由此，因物質(zhì)運(yùn)動(dòng)所必然引發(fā)的物質(zhì)間的形態(tài)轉(zhuǎn)換，古人得以用陰陽(yáng)五行的學(xué)說來(lái)闡示一切。簡(jiǎn)言之：自然界陰陽(yáng)相互作用，產(chǎn)生五行；五行相互作用，則產(chǎn)生宇宙萬(wàn)物的無(wú)窮變化。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

五行之妙，一妙在五種可以涵蓋萬(wàn)事萬(wàn)物的"基本態(tài)"，二妙在其數(shù)為"五"，三妙在其關(guān)鍵態(tài)--"混生態(tài)"--"根本態(tài)"--土，為第五態(tài)。三大因素，缺一不可。河圖

洛書第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

西方古代元素起源說古希臘“四元素說”（公元前5世紀(jì)），自然界是由土、氣、水和火這4種元素組成的，他們都由不變的微小顆粒構(gòu)成，“愛”和“恨”是元素結(jié)合和分離的緣由。柏拉圖的學(xué)生亞里士多德，為“四元素說”增加了“精英元素”，冠名“以太”，認(rèn)為“元素能按任何比例結(jié)合，構(gòu)成各種各樣的微粒，從而組成世界”。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

然而這類古代的樸素學(xué)說并不能真正問答元素的起源，或者說只是繞開了元素起源這個(gè)命題：盡管中國(guó)的”五行說”或希臘的“四元素說”可以解釋部分客觀現(xiàn)象，但由此而帶來(lái)的新問題至少與它們所能解釋的問題一樣多。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

中世紀(jì)煉金術(shù)我國(guó)的煉金術(shù)與古埃及和阿拉伯的煉金術(shù)幾乎是同時(shí)獨(dú)立地發(fā)展起來(lái)的。實(shí)際上．這類活動(dòng)是人類歷史上最早試圖制造、合成和轉(zhuǎn)變?cè)氐难芯抗ぷ?。在公元?世紀(jì)左右，銅、金、銀以及其他重要金屬幾乎都已為人們知道，并可煉制成各種金屬化合物，著名的越王勾踐劍就是我國(guó)古代高超冶煉技術(shù)的代表作。當(dāng)時(shí)煉金術(shù)的主要興趣．—是將“賤”金屬鉛或汞轉(zhuǎn)變?yōu)榈膶氋F的黃金，甚至企圖實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)石成金”；二是煉制可延年益壽、長(zhǎng)生不老的仙丹。這些實(shí)踐有力地促進(jìn)了化學(xué)的發(fā)展。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

西方的煉金術(shù)的動(dòng)機(jī)則比較單純，認(rèn)為按合適的比例加進(jìn)或取出某些元素，就可以把一種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)。例如他們認(rèn)為只要在鉛這種金屬中加進(jìn)適量的汞，就可將鉛煉成金，為了尋找出一種或幾種元素制造出另一些元素的方法，煉眾術(shù)師們摸索了好幾個(gè)世紀(jì)。今天，人們知道可用核反應(yīng)堆、加速器(尤其是高能重離子加速器)、甚至同位素中子源來(lái)實(shí)現(xiàn)元素的轉(zhuǎn)變和合成，尤其是在超重元素合成中，常被用做靶元素的恰恰是鉛！第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化近代元素起源學(xué)說早期的元素起源學(xué)說主要有大爆炸理論、平衡理論和多中子塊理論。1、大爆炸理論這種理論的基本觀點(diǎn)是所有的元素形成于宇宙創(chuàng)生時(shí)的大爆炸過程中。元素起源的寧宙大爆炸合成學(xué)說認(rèn)為，寧宙之初，全部物質(zhì)都以中子形式存在于溫度極高和密度也極高的“奇點(diǎn)”之中。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

根據(jù)大爆炸理論，當(dāng)宇宙的核合成能以有意義的速度開始時(shí)，其中子與質(zhì)子的比例約為0.12：0.88。由此核合成終結(jié)時(shí)的宇宙中約含24%的氦，其余為76%的氫，很好地解釋了宇宙中氦的豐度為24%這一檢測(cè)結(jié)果。但這一學(xué)說并不能說明比氦重的元素的來(lái)源，因?yàn)樗匈|(zhì)量數(shù)為5和8的核的基態(tài)都是不穩(wěn)定的。例如8Be一旦被合成，便會(huì)立即分解為兩個(gè)氦核。這種學(xué)說的另一個(gè)缺陷在于，發(fā)生連續(xù)中子俘獲反應(yīng)的中子源來(lái)自何處。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化2、平衡理論該模型假設(shè)，在宇宙之初，物質(zhì)以高溫和高密度的狀態(tài)存在，這種狀態(tài)使核轉(zhuǎn)變迅速發(fā)生，并導(dǎo)致一種真正的統(tǒng)計(jì)分布。

要達(dá)到這種平衡，普通恒星，需要的時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)。如果在大質(zhì)量恒星內(nèi)部，溫度可逾40億度，有可能在其壽命內(nèi)達(dá)到這種平衡。為了達(dá)到這種統(tǒng)計(jì)平衡，所需的溫度約為100億度以上，這時(shí)形成最多的以及最穩(wěn)定的就是鐵前后的元素了，這也與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的以56Fe為中心的豐度特征相符合。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化3、多中子塊理論為了解釋重元素合成的問題，有人提出了多中子塊模型。這種理論假定，宇宙物質(zhì)最初是由多中子塊組成的，現(xiàn)在觀測(cè)到的元素是出多中于塊分裂而形成的。然而這—理論無(wú)法解釋輕元素豐度比重元素高得多這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)。這些理論都部分地解釋了觀測(cè)現(xiàn)象，但同時(shí)也都存在著解釋不了的問題。

第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化宇宙的起源和演化

哈勃定律我們的宇宙正處于不斷膨脹之中，人們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)，大多數(shù)漩渦星云光譜中的譜線存在著不同程度的紅移，這表明星云正離我們而去。1924年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃給出了著名的哈勃定律：第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

哈勃定律揭示宇宙是在不斷膨脹的。這種膨脹是一種全空間的均勻膨脹。因此，在任何一點(diǎn)的觀測(cè)者都會(huì)看到完全一樣的膨脹，從任何一個(gè)星系來(lái)看，一切星系都以它為中心向四面散開，越遠(yuǎn)的星系間彼此散開的速度越大。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

大約150億年以前，宇宙大爆炸了，一場(chǎng)滔天大火！

現(xiàn)在我們看到的都是那時(shí)宇宙大火留下的灰燼、殘?jiān)蜔熁?。?章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

元素的成長(zhǎng)經(jīng)歷

第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

時(shí)間過了3分鐘了。這是宇宙溫度已經(jīng)降到10億度，宇宙的主要成分為光子、正電子、電子、中微子和反中微子，還有少量的中子和質(zhì)子。它們之間進(jìn)行各種各樣的核反應(yīng)。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

上圖中一個(gè)重要參數(shù)使核合成開始時(shí)中子與質(zhì)子的比值為：12：88，因此當(dāng)4He合成階段結(jié)束，所有中子都被用于核合成，則氦的豐度將達(dá)最大值，其質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為24%，而氫為76%。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

難道在這段時(shí)間里，除了氫和氦核被合成外，難道就不可能合成更重的元素嗎？現(xiàn)在讓我們來(lái)檢查下所有可能的反映通道。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

由宇宙大爆炸播下的氫和氦這兩顆種子一直到約40億年后才開始發(fā)芽、結(jié)果。隨后的元素形成過程是伴隨著恒星的演化而來(lái)的，讓我們來(lái)看看恒星的成長(zhǎng)路線。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

星際物質(zhì)

星際物質(zhì)包括星際氣體和星際塵埃。星際氣體包括：氣態(tài)原子、分子、電子和離子等。觀測(cè)證實(shí)，星際氣體的元素中氫占多數(shù)，其次是氦。銀河系中的星云物質(zhì)，就形態(tài)來(lái)說，可以分為彌漫星云、行星狀星云和超新星剩余物質(zhì)云。

馬蹄星云M17

螺旋星云NGC7293第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

恒星的誕生

星際間的云氣因?yàn)槿f(wàn)有引力的關(guān)系而互相吸引，使得密度越來(lái)越大，而組成云氣的物質(zhì)速度也越來(lái)越快，彼此的碰撞也就愈趨頻繁。如此一來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)的溫度也就越來(lái)越高。這時(shí)熱能的來(lái)源是物質(zhì)之間的萬(wàn)有引力。當(dāng)這原型星的中心密度與溫度高到足以讓氫原子核(也就是質(zhì)子)克服彼此的靜電斥力，而聚合在一起產(chǎn)生核融合的反應(yīng)，一顆恒星就此誕生了。獵戶座大星云

第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

星際核合成的氫燃燒在波濤洶涌的最階段，氫原子之間猛烈撞擊，原始風(fēng)暴轟鳴咆哮。恒星內(nèi)部的兩組核反應(yīng)維持了恒星的主要能量來(lái)源，同時(shí)也是維持恒星結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原因。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

這三個(gè)PP鏈都只能合成4He，無(wú)法形成更重的元素。氫燃燒是星際合成的第一步，所進(jìn)行的時(shí)間也最長(zhǎng)，約占恒星整個(gè)壽命的90%。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

紅巨星第一階段

恒星中心部分的氫用盡了之后，在最中心就只剩下氦原子核了。這個(gè)時(shí)候，因?yàn)橹行臏囟冗€沒有高到可以讓氦原子核進(jìn)一步融合，于是恒星最內(nèi)部充滿了氦的核心部分就進(jìn)一步由于萬(wàn)有引力的作用而收縮。在此同時(shí)，核心的外圍仍然繼續(xù)進(jìn)行著氫融合成氦的反應(yīng)，形成一個(gè)「殼層燃燒」的現(xiàn)象。在這里我們借用「燃燒」一詞來(lái)指稱核融合反應(yīng)。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

我們的太陽(yáng)在這個(gè)時(shí)候會(huì)變成一個(gè)紅巨星。某些計(jì)算指出，太陽(yáng)可能會(huì)膨脹到像地球公轉(zhuǎn)軌道的范圍這么大，也就是直徑增大超過現(xiàn)在的100倍。到時(shí)候假如我們還在的話(或者假如地球還在的話)，太陽(yáng)將會(huì)占去相當(dāng)大的一部分天空。紅巨星第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

通向重元素的橋梁——氦燃燒當(dāng)恒星內(nèi)部溫度溫度達(dá)到2億度，且密度為102~104克/厘米3時(shí)，氦燃燒階段就開始了。這一階段主要是是“3α反應(yīng)”。

一定會(huì)有人問：“前面不是講道7Be的半衰期只有7x10-17秒，極不穩(wěn)定，這里怎么能作為種子核、繼續(xù)發(fā)生核俘獲反應(yīng)?”

答案是在紅巨星階段，不僅溫度高，更主要的是氦的濃度極高，因此發(fā)生。粒子俘獲反應(yīng)的幾率亦比宇宙大爆炸和恒星氫燃燒階段時(shí)的高得多。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

于氫燃燒相比，氦燃燒階段短的多，只有1千萬(wàn)年至1億年。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

第二次紅巨星階段恒星核心的氦終究也有用完的一天。通常這一段核心氦融合的階段持續(xù)不到十分之一的主序星生命期。這時(shí)，就像當(dāng)時(shí)離開主序列帶一樣，恒星的整個(gè)體積開始膨脹，而最中心的部分則是一個(gè)向內(nèi)塌縮的碳氧核心，加上外圍兩圈「氦殼層燃燒」以及「氫殼層燃燒」。太陽(yáng)在這個(gè)階段有可能會(huì)膨脹到充滿整個(gè)火星繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軌道。這是太陽(yáng)的第二次紅巨星階段。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

行星狀星云低質(zhì)量的恒星在演化到第二次紅巨星階段時(shí)，會(huì)散失大量的物質(zhì)到它四周的空間去，而漸漸裸露出內(nèi)部的核心。這時(shí)的核心主要是高溫高密度的碳和氧所組成的。恒星四周的物質(zhì)被高溫的恒星所釋放出的恒星風(fēng)向外推，又接著被高溫的熱輻射持續(xù)照射，因此仍然閃閃發(fā)亮。

螺旋星云第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

當(dāng)人們第一次發(fā)現(xiàn)這樣的天體時(shí)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谛⊥h(yuǎn)鏡里看起來(lái)就像木星一樣，有個(gè)圓盤模樣的影像，于是就把它們叫做「行星狀星云」，而這個(gè)名字也就沿用至今。其實(shí)它們和「行星」是一點(diǎn)關(guān)系也沒有的。愛斯基摩星云第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

白矮星

在這個(gè)行星狀星云的中央位置，我們可以看到有一顆星星。這就是恒星散失外層物質(zhì)之后，所留下來(lái)的裸露核心。這殘留下來(lái)的星體可說是低質(zhì)量恒星演化到最后的殘骸。這樣的星球，因?yàn)闇囟雀叩w積小，所以叫做白矮星。貓眼星云第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

天狼星伴星（它是最早被發(fā)現(xiàn)的白矮星），密度在10噸/立方厘米左右，是什么力量可以抵擋萬(wàn)有引力讓它維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)呢?

在巨大的壓力之下，電子將脫離原子核，成自由電子。這種自由電子氣體將盡可能地占據(jù)原子核之間的空隙，從而使單位空間內(nèi)包含的物質(zhì)也將大大增多，密度大大提高了。形象地說，這時(shí)原子核是“沉浸于”電子中。

一般把物質(zhì)的這種狀態(tài)叫做“簡(jiǎn)并態(tài)”。簡(jiǎn)并電子氣體壓力與白矮星強(qiáng)大的重力平衡，維持著白矮星的穩(wěn)定。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

對(duì)單星系統(tǒng)而言，由于沒有熱核反應(yīng)來(lái)提供能量，白矮星在發(fā)出光熱的同時(shí)，也以同樣的速度冷卻著。經(jīng)過一百億年的漫長(zhǎng)歲月，年老的白矮星將漸漸停止輻射而死去。它的軀體變成一個(gè)比鉆石還硬的巨大晶體——黑矮星而永存。當(dāng)白矮星質(zhì)量進(jìn)一步增大，簡(jiǎn)并電子氣體壓力就有可能抵抗不住自身的引力收縮，白矮星還會(huì)坍縮成密度更高的天體：中子星或黑洞。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

而對(duì)于多星系統(tǒng)，白矮星的演化過程則有可能被改變。在浩瀚的銀河系中，我們發(fā)現(xiàn)的半數(shù)以上的恒星都是雙星體，它們之所以有時(shí)被誤認(rèn)為單個(gè)恒星，是因?yàn)闃?gòu)成雙星的兩顆恒星相距得太近了，它們繞共同的質(zhì)量中心作圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，以至于我們很難分辨它們，這其中包括著名的第一亮星天狼星。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

天狼星主星天狼A的質(zhì)量為2.3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，其伴星天狼B是一顆質(zhì)量?jī)H為0.98個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的白矮星。按照恒星的演化理論，質(zhì)量大的恒星將很快演化，將首先耗盡其氫燃料；質(zhì)量小的則有著很長(zhǎng)的壽命。而一顆質(zhì)量小于太陽(yáng)的恒星從其誕生到白矮星至少要經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)一百億年的歷史；而天狼星A有2.3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，應(yīng)該比其伴星更快演化，但事實(shí)上此星明顯正在進(jìn)行氫燃燒，是一顆完全正常的恒星。質(zhì)量大的恒星還沒有耗盡氫燃料，而質(zhì)量小的相反卻已經(jīng)耗盡了氫而處于壽命的后期。這種情況不是唯一的，英仙座的大陵五雙星及其他很多恒星也有類似情況，這些對(duì)雙星中都有一顆是白矮星或是中子星，甚至有可能是一個(gè)黑洞。

第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化一生不離不棄的雙星第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

太陽(yáng)，我們生命的守護(hù)神，最終將會(huì)變成這樣子的一顆白矮星。白矮星會(huì)漸漸冷卻，但是因?yàn)殡娮雍?jiǎn)并壓力和溫度沒有關(guān)系，所以它并不會(huì)因?yàn)槿f(wàn)有引力而塌縮下去。它只會(huì)一直冷卻下去，變得越來(lái)越暗、越來(lái)越暗。黑矮星第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

鐵核的形成大質(zhì)量的恒星演化后期，中心的碳氧核心向內(nèi)收縮時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量夠大，內(nèi)縮的萬(wàn)有引力夠強(qiáng)，以致于電子簡(jiǎn)并的壓力不足以抵擋萬(wàn)有引力，核心于是持續(xù)收縮，溫度升高，直到碳和氧可以進(jìn)行更進(jìn)一步的融合反應(yīng)，形成更重的元素，例如氖和鎂。在核心部分，這樣的收縮融合，再收縮融合，的過程一直接續(xù)發(fā)生，直到合成鐵為止。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

該圖為很寬質(zhì)量數(shù)范圍內(nèi)的平均核子結(jié)合能，清楚地表明，結(jié)合能最高的位于Fe-Ni區(qū)，尤其是56Fe這個(gè)偶偶核。56Fe的質(zhì)子數(shù)為26，中子數(shù)為30，均為偶數(shù))，是最穩(wěn)定的核。

因此，合成Fe-Ni區(qū)附近的核，56Fe、56Ni等結(jié)合能已達(dá)最大值的核,再也不能與氦核發(fā)生反應(yīng)了。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

在這些過程當(dāng)中，恒星的整個(gè)體積也是反復(fù)地膨脹與收縮，也因此有很劇烈的質(zhì)量散失。它們噴發(fā)散失了大量的物質(zhì)，造成這樣特殊的景像。而事實(shí)上，它們接下來(lái)隨時(shí)可能會(huì)發(fā)生的，則是更壯烈的事件——超新星爆炸。手槍星第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

在恒星內(nèi)部鐵核形成之后，并沒有進(jìn)一步的核融合反應(yīng)可以提供能量來(lái)抵擋萬(wàn)有引力的收縮。因此核心密度一再升高，整個(gè)核心就像是一個(gè)超大的原子核一樣。在接下來(lái)的某一瞬間，許多電子被質(zhì)子捕捉，轉(zhuǎn)變成中子。在這一瞬間，核心物質(zhì)的性質(zhì)頓時(shí)改變，變得堅(jiān)硬了些。原先在這核心外圍一起向內(nèi)收縮的物質(zhì)一下子反彈子出來(lái)，而把更外圍較低密度的物質(zhì)整個(gè)向外炸了開來(lái)。這就是超新星的爆炸。超新星爆炸第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化大質(zhì)量的超新星爆炸后的核心區(qū)元素分布第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

超新星爆炸除了往外炸開的殘骸之外，原先核心部分仍繼續(xù)向內(nèi)塌縮。這時(shí)有兩種可能的情況會(huì)發(fā)生。核心質(zhì)量很大的，一般認(rèn)為大約大于3到5個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，會(huì)一直塌縮下去，變成一種很奇怪的物體：黑洞。而質(zhì)量較小的，因?yàn)槿f(wàn)有引力相對(duì)地較小，當(dāng)核心縮小，密度大到中子的簡(jiǎn)并壓力足以抵擋萬(wàn)有引力時(shí)，一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)就可以形成。因?yàn)檫@樣一個(gè)星球是由中子簡(jiǎn)并的壓力在支撐著，所以叫做中子星。超新星爆炸第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

伴隨這整個(gè)過程的是極大的能量釋放。首先是許多微中子帶走了絕大部分的能量，而后向外炸開的物質(zhì)，本身也具有很大的能量，使得這整個(gè)星球外圍炸開的物質(zhì)溫度增高，且放出大量的光。之所以叫做「超新星」是因?yàn)樗蝗蛔兊煤芰?，像一顆新出現(xiàn)的星星，并且常常有可能亮到幾乎是一整個(gè)星系的亮度。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

在爆炸的那一瞬間，巨大的能量也使得許多比鐵更重的元素得以形成，包括許多放射性元素。核結(jié)構(gòu)理論告訴我們，對(duì)于輕核，當(dāng)質(zhì)子數(shù)Z與中子數(shù)N之比接近和等于1時(shí)，有較高的穩(wěn)定性，像前面提到的氫、氦、碳、氧等燃燒時(shí)，生成量最大的都是Z／N為1的核。對(duì)于質(zhì)量數(shù)中等的核，因?yàn)楹藘?nèi)含較多帶正電荷的質(zhì)子，為了保持核的穩(wěn)定，需要多增加一些中子，以56Fe為例，Z／N比值為0.87，這種趨勢(shì)隨原子核質(zhì)量數(shù)的增加而增加，即要求加入越來(lái)越多的個(gè)子。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

重元素的合成是通過中子俘獲而得到的。那么紅巨星爆炸以前有沒有合適的中子源呢？在第二代或后代恒星中，會(huì)含有一定量的比氦重的核素，例如碳、氖、鎂等，他們都有可能俘獲氦核并同時(shí)放出中子。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

幻數(shù)原子核由質(zhì)子和中子組成，只有當(dāng)質(zhì)子和中子為一組特定數(shù)時(shí)，原子核才能穩(wěn)定。這組特定數(shù)在物理學(xué)上稱為"幻數(shù)"。物理學(xué)家M·邁耶和J·詹森1949年因發(fā)現(xiàn)幻數(shù)為2、8、20、28、50、82、126而獲諾貝爾獎(jiǎng)。50多年來(lái)，物理學(xué)中這一幻數(shù)系列已成為一個(gè)定論。直到兩年前，日本理化學(xué)研究所的主任研究員谷勇夫發(fā)現(xiàn)了新的幻數(shù)16，這種定論才被打破。

第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化中子星中子星

中子星的密度為一億噸/立方厘米，對(duì)比起白矮星的幾十噸/立方厘米，后者似乎又不值一提了。事實(shí)上，中子星的質(zhì)量是如此之大，半徑十公里的中子星的質(zhì)量就與太陽(yáng)的質(zhì)量相當(dāng)了。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

同白矮星一樣，中子星是處于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成的。但它們的物質(zhì)存在狀態(tài)是完全不同的。

簡(jiǎn)單地說，白矮星的密度雖然大，但還在正常物質(zhì)結(jié)構(gòu)能達(dá)到的最大密度范圍內(nèi)：電子還是電子，原子核還是原子核。而在中子星里，壓力是如此之大，白矮星中的簡(jiǎn)并電子壓再也承受不起了：電子被壓縮到原子核中，同質(zhì)子中和為中子，使原子變得僅由中子組成。而整個(gè)中子星就是由這樣的原子核緊挨在一起形成的?？梢赃@樣說，中子星就是一個(gè)巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化狐貍脈沖星

脈沖星脈沖星是在1967年首次被發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，還是一名女研究生的貝爾，發(fā)現(xiàn)狐貍星座有一顆星發(fā)出一種周期性的電波。經(jīng)過幾位天文學(xué)家一年的努力，終于證實(shí)，脈沖星就是正在快速自轉(zhuǎn)的中子星。而且，正是由于它的快速自轉(zhuǎn)而發(fā)出射電脈沖。脈沖星第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

輕元素鋰、鈹和硼的起源

這三種元素是早期理論面臨的一大難題，無(wú)論是在宇宙大爆炸還是恒星演化過程中，都不可能形成這些核素，應(yīng)為它們一旦形成，立即會(huì)被質(zhì)子或氦核觸發(fā)的核反應(yīng)所破壞。核散裂反應(yīng)—X過程，高能質(zhì)子和氦核撞擊星際氣體中豐度較高的重元素（例如碳、氮、氧和氖等），將母核打碎，形成一批比母核小幾個(gè)到一二十個(gè)的子核。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

問題：太陽(yáng)系重元素的來(lái)源既然太陽(yáng)現(xiàn)在處于主序星階段，從核反應(yīng)的歷程來(lái)看，并沒有可能形成重元素，那我們周圍的碳、氧都是從哪里來(lái)的呢？第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

元素的豐度

第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

為了觀察王國(guó)的這一高低不平的地勢(shì)，我們需要從氫、氦的高峰開始，向王國(guó)其余起伏不定的較低地勢(shì)掃視。從氫的高度看，王國(guó)的地勢(shì)幾乎是由北向下傾斜的平原，隨后朝著鐵上升，又向下傾斜直到南部海岸地面?？墒钱?dāng)我們踏上鋰的領(lǐng)地，緩步向東行進(jìn)時(shí)，地面卻極不平坦。那里起伏明顯，鋰、鈹和硼處于低地，然后地勢(shì)有朝著碳、氮和氧急劇上升，事實(shí)上，這3種元素在豐度上僅次于氫和海；再后是稍低一些的山峰----鐵。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

在恒星內(nèi)部發(fā)生熱騷動(dòng)時(shí)，原子核穩(wěn)定性是一個(gè)極為重要的問題。只有提供足夠的不帶電的中子提供強(qiáng)力來(lái)源，而不致使電排斥導(dǎo)致原子核分裂時(shí)，原子核才能繼續(xù)存在。當(dāng)我們慢慢走過王國(guó)這些地區(qū)時(shí)，我們就會(huì)注意到，雖然這里的地勢(shì)朝著鐵所在的低矮山丘逐漸上升，卻出現(xiàn)了地勢(shì)有規(guī)律的交替現(xiàn)象。例如，在北部海岸，碳、氧和氖是山峰，而氮和氟卻是凹陷的地槽。第2章從何處來(lái),向何處去？元素的起源與演化

王國(guó)地表之所以向沙浪一樣起伏，可以從原子核結(jié)構(gòu)的詳細(xì)情況，特別是從質(zhì)子和中子的在原子核中堆積的方式來(lái)加以說明。如果原子核中的質(zhì)子與中子都是偶數(shù)，那么就能形成特別穩(wěn)定的堆積模式，其穩(wěn)定性一定程度上比相鄰元素的原子核強(qiáng)。第2章從何處