第2章從何處來,向何處去？元素的起源與演化.ppt

1、第二章、從何處來，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、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單的組成部分，這就是元素。那么元素是從哪里來的呢？,多少年來，人們從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面探討元素的起源。 任何一個歷史悠久的民族，都必然會在其遠(yuǎn)古時期產(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，不僅會問白天帶來光明和溫暖、夜晚美麗動人的宇宙來自何處。,元素起源的古

2、代學(xué)說 藝文類聚：“天地混沌如雞子，盤古生其中，萬八千歲，開天辟地，陽清為天，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，盤谷日長一丈。如此萬八千歲，天數(shù)極高，地數(shù)極深，盤谷極長?！?流行于北歐諸國的神話集新埃達(dá) “最初是一無所有的，既沒有地，也沒有天，只有一條縫隙，在這虛無混沌的世界里，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)生了一個巨人伊默?！?東方思維體系的精髓陰 陽 五 行 就 現(xiàn) 存 的 史 籍 顯 示 ， 陰 陽 五 行 觀 念 的 產(chǎn) 生 可 上 溯 到 上 古 三 代 。“ 陰 陽 ” 的 觀 念 產(chǎn) 生 似 較 “ 五

3、行 ” 的 出 現(xiàn) 更 為 久 遠(yuǎn) 。 摒 去 其 后 來 衍 生 的 玄 奧 表 層 ， 其 核 心 應(yīng) 是 上 古 先 民 出 于 對 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 立 而 和 諧 現(xiàn) 象 的 最 樸 素 、 最 直 觀 的 認(rèn) 知 和 體 悟 。,有 文 字 記 載 的 “ 陰 陽 ” 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 期 ， “ 陰 陽 ” 觀 念 的 實(shí) 際 運(yùn) 用 在 當(dāng) 時

4、的 各 個 領(lǐng) 域 已 較 為 流 行 ， 但 從 嚴(yán) 格 意 義 來 講 ， 尚 未 進(jìn) 入 哲 學(xué) 的 華 堂 。,黑白二色，代表陰陽兩方，天地兩部；黑白兩方的的界限就是劃分天地陰陽界的人部。白中黑點(diǎn)表示陽中有陰，黑方白點(diǎn)表示陰中有陽。,使 得 陰 陽 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 觀 念 集 其 大 成 ， 凝 其 精 髓 ， 用 以 解 釋 天 地 萬 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 物 。

5、 萬 物 負(fù) 陰 而 抱 陽 ， 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 兩 性 ， 對 立 存 在 又 和 諧 統(tǒng) 一 。 老 子 闡 述 的 陰 陽 學(xué) 說 對 整 個 中 華 民 族 思 維 體 系 的 形 成 有 著 至 關(guān) 重 要 的 影 響 和 意 義 。,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 的 金 木 水 火 土

6、 已 不 再 是 構(gòu) 成 萬 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 ， 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 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 五 行 的 學(xué) 說 來 闡 示 一 切 。 簡 言 之 ： 自 然 界 陰 陽 相 互 作 用 ， 產(chǎn) 生 五 行 ； 五

7、 行 相 互 作 用 ， 則 產(chǎn) 生 宇 宙 萬 物 的 無 窮 變 化 。,五 行 之 妙 ， 一 妙 在 五 種 可 以 涵 蓋 萬 事 萬 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,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

8、“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”。,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命題：盡管中國的”五行說”或希臘的“四元素說”可以解釋部分客觀現(xiàn)象，但由此而帶來的新問題至少與它們所能解釋的問題一樣多。,中世紀(jì)煉金術(shù) 我國的煉金術(shù)與古埃及和阿拉伯的煉金術(shù)幾乎是同時獨(dú)立地發(fā)展起來的。實(shí)際上這類活動是人類歷史上最早試圖制造、合成和轉(zhuǎn)變元素的研究工作。在公元前4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古代高超冶煉技術(shù)的代表作。 當(dāng)時煉金術(shù)的主要興趣 是將“賤”金屬鉛或汞轉(zhuǎn)變?yōu)榈膶?/p>

9、貴的黃金，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。,西方的煉金術(shù)的動機(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！,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

10、論的基本觀點(diǎn)是所有的元素形成于宇宙創(chuàng)生時的大爆炸過程中。 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。,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，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%這一檢測結(jié)果。 但這一學(xué)說并不能說明比氦重的元素的來源，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，便會立即分解為兩個氦核。 這種學(xué)說的另一個缺陷在于，發(fā)生連續(xù)中子俘獲反應(yīng)的中子源來自何處。,2、平衡理論 該模型假設(shè)，在宇

11、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)計分布。,要達(dá)到這種平衡，普通恒星，需要的時間無限長。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)計平衡，所需的溫度約為100億度以上，這時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)測得的以56Fe為中心的豐度特征相符合。,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)在觀測到的元素是出多中于塊分裂而形成的。然而這理論無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現(xiàn)象

12、，但同時也都存在著解釋不了的問題。,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，人們早就發(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，美國天文學(xué)家哈勃給出了著名的哈勃定律：,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)的觀測者都會看到完全一樣的膨脹，從任何一個星系來看，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。,大約150億年以前，宇宙大爆炸了，一場滔天大火！,現(xiàn)在我們看到的都是那時宇宙大火留下的灰燼、殘?jiān)蜔熁摇?元素的成長經(jīng)歷,時間過了3分鐘了。這是宇宙溫度已經(jīng)降到10億度

13、，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)。,上圖中一個重要參數(shù)使核合成開始時中子與質(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%。,難道在這段時間里，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)在讓我們來檢查下所有可能的反映通道。,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的，讓我們來看看恒星的成長路線。,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

14、子、分子、電子和離子等。觀測證實(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NGC 7293,恒星的誕生 星際間的云氣因?yàn)槿f有引力的關(guān)系而互相吸引，使得密度越來越大，而組成云氣的物質(zhì)速度也越來越快，彼此的碰撞也就愈趨頻繁。 如此一來，整個系統(tǒng)的溫度也就越來越高。這時熱能的來源是物質(zhì)之間的萬有引力。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,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

15、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源，同時也是維持恒星結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原因。,這三個PP鏈都只能合成4He，無法形成更重的元素。 氫燃燒是星際合成的第一步，所進(jìn)行的時間也最長，約占恒星整個壽命的90%。,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。這個時候，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)一步由于萬有引力的作用而收縮。 在此同時，核心的外圍仍然繼續(xù)進(jìn)行著氫融合成氦的反應(yīng)，形成一個殼層燃燒的現(xiàn)象。在這里我們借用燃燒一詞來指稱核融合反應(yīng)。,我們的太陽在這個時候會變成一個紅巨星。某些計算指出，太

16、陽可能會膨脹到像地球公轉(zhuǎn)軌道的范圍這么大，也就是直徑增大超過現(xiàn)在的100倍。 到時候假如我們還在的話(或者假如地球還在的話)，太陽將會占去相當(dāng)大的一部分天空。,紅巨星,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102104克/厘米3時，氦燃燒階段就開始了。這一階段主要是是“3反應(yīng)”。,一定會有人問：“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的高得多。,于氫燃燒相比，氦燃燒階段短的多，只有1千萬年至

17、1億年。,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，就像當(dāng)時離開主序列帶一樣，恒星的整個體積開始膨脹，而最中心的部分則是一個向內(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。太陽在這個階段有可能會膨脹到充滿整個火星繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道。這是太陽的第二次紅巨星階段。,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，會散失大量的物質(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

18、旋星云,當(dāng)人們第一次發(fā)現(xiàn)這樣的天體時，因?yàn)樗鼈冊谛⊥h(yuǎn)鏡里看起來就像木星一樣，有個圓盤模樣的影像，于是就把它們叫做行星狀星云，而這個名字也就沿用至今。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,白矮星 在這個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，所留下來的裸露核心。這殘留下來的星體可說是低質(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,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

19、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“簡并態(tài)”。簡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。,對單星系統(tǒng)而言，由于沒有熱核反應(yīng)來提供能量，白矮星在發(fā)出光熱的同時，也以同樣的速度冷卻著。經(jīng)過一百億年的漫長歲月，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，白矮星還會坍縮成密度更高的天體：中子星或黑洞。,而對于多星系統(tǒng)，白矮星的演化過程則有可能被改變。 在浩

20、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，它們之所以有時被誤認(rèn)為單個恒星，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，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。,天狼星主星天狼A的質(zhì)量為2.3個太陽質(zhì)量，其伴星天狼B是一顆質(zhì)量僅為0.98個太陽質(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)量小的則有著很長的壽命。而一顆質(zhì)量小于太陽的恒星從其誕生到白矮星至少要經(jīng)過長達(dá)一百億年的歷史；而天狼星A有2.3個太陽質(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

21、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，這些對雙星中都有一顆是白矮星或是中子星，甚至有可能是一個黑洞。,一生不離不棄的雙星,太陽，我們生命的守護(hù)神，最終將會變成這樣子的一顆白矮星。白矮星會漸漸冷卻，但是因?yàn)殡娮雍啿毫蜏囟葲]有關(guān)系，所以它并不會因?yàn)槿f有引力而塌縮下去。它只會一直冷卻下去，變得越來越暗、越來越暗。,黑矮星,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，因?yàn)橘|(zhì)量夠大，內(nèi)縮的萬有引力夠強(qiáng)，以致于電子簡并的壓力不足以抵擋萬有引力，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

22、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。,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。,在這些過程當(dāng)中，恒星的整個體積也是反復(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，它們接下來隨時可能會發(fā)生的，則是更壯烈的事件超新星爆炸。,手槍星,在恒星內(nèi)部

23、鐵核形成之后，并沒有進(jìn)一步的核融合反應(yīng)可以提供能量來抵擋萬有引力的收縮。因此核心密度一再升高，整個核心就像是一個超大的原子核一樣。在接下來的某一瞬間，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，而把更外圍較低密度的物質(zhì)整個向外炸了開來。這就是超新星的爆炸。,超新星爆炸,大質(zhì)量的超新星爆炸后的核心區(qū)元素分布,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。 這時有兩種可能的情況會發(fā)生。核心質(zhì)量很大的，一般認(rèn)為大約大于3到5個太陽質(zhì)量，會一直塌縮下去，變成一種很奇怪的物體：黑洞。 而質(zhì)量較小的

24、，因?yàn)槿f有引力相對地較小，當(dāng)核心縮小，密度大到中子的簡并壓力足以抵擋萬有引力時，一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)就可以形成。因?yàn)檫@樣一個星球是由中子簡并的壓力在支撐著，所以叫做中子星。,超新星爆炸,伴隨這整個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星系的亮度。,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，對于輕核，當(dāng)質(zhì)子數(shù)Z與中子數(shù)N之比接近和等于

25、1時，有較高的穩(wěn)定性，像前面提到的氫、氦、碳、氧等燃燒時，生成量最大的都是ZN為1的核。對于質(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，ZN比值為0.87，這種趨勢隨原子核質(zhì)量數(shù)的增加而增加，即要求加入越來越多的個子。,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放出中子。,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，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1

26、949年因發(fā)現(xiàn)幻數(shù)為2、8、20、28、50、82、126而獲諾貝爾獎。50多年來，物理學(xué)中這一幻數(shù)系列已成為一個定論。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。,中子星,中子星,中子星的密度為一億噸/立方厘米，對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)量就與太陽的質(zhì)量相當(dāng)了。,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

27、核。而在中子星里，壓力是如此之大，白矮星中的簡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，中子星就是一個巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。,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，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,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，無論是在宇宙大爆炸還是恒星演化過程中

28、，都不可能形成這些核素，應(yīng)為它們一旦形成，立即會被質(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到一二十個的子核。,問題：太陽系重元素的來源 既然太陽現(xiàn)在處于主序星階段，從核反應(yīng)的歷程來看，并沒有可能形成重元素，那我們周圍的碳、氧都是從哪里來的呢？,元素的豐度,為了觀察王國的這一高低不平的地勢，我們需要從氫、氦的高峰開始，向王國其余起伏不定的較低地勢掃視。 從氫的高度看，王國的地勢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。可是當(dāng)我們踏上鋰的領(lǐng)地，緩步向東行進(jìn)時，

29、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。,在恒星內(nèi)部發(fā)生熱騷動時，原子核穩(wěn)定性是一個極為重要的問題。只有提供足夠的不帶電的中子提供強(qiáng)力來源，而不致使電排斥導(dǎo)致原子核分裂時，原子核才能繼續(xù)存在。 當(dāng)我們慢慢走過王國這些地區(qū)時，我們就會注意到，雖然這里的地勢朝著鐵所在的低矮山丘逐漸上升，卻出現(xiàn)了地勢有規(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。,王國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