從聚變到爆發,為了締造我們的身體,宇宙都做了什麼?

科學信仰 發佈 2024-03-02T16:55:42.719770+00:00

#頭條創作挑戰賽#請愛惜你的身體,因為它是宇宙間的至寶,為了締造這軀「肉眼凡胎」,你知道宇宙都付出了哪些努力嗎?

請愛惜你的身體,因為它是宇宙間的至寶,為了締造這軀「肉眼凡胎」,你知道宇宙都付出了哪些努力嗎?

人體無疑是複雜的,但其實它比我們想像的還要複雜,構成人體的元素一共有40多種,其中有包括氧、碳、氫、氮、鈣在內的11種主要元素,還有鋅、鐵、銅、鈷等微量元素,少了哪一種都不行,而要想製造出這些元素,還真不是一件容易的事情。在宇宙誕生之初,宇宙間只有氫元素和少量的氦元素,為了能夠產生更為複雜的物質,一種「元素製造機」出現了,它就是恆星。


我們的太陽就是一顆恆星,每時每刻它的內部都在發生著核聚變反應。

所謂核聚變就是兩種較輕的元素合併成為一種更重的元素的過程,在這個過程中,原子會發生質量損失,而損失的質量就會以能量的形式被釋放出來。要促成這樣的反應並不容易,需要極高的溫度和壓力,只有在恆星的內部才擁有這樣的條件。在太陽的中心,溫度高達1500萬攝氏度,壓力更是達到了3000億個大氣壓以上,在這樣的環境下,氫原子核會發生聚合,並釋放出一個中子以及一個中微子。


兩個氫原子合併之後會產生一個氦2,氦2再與一個氫原子反應會生成一個氦3並釋放出一個γ光子,最後兩個氦3聚合,生成氦4的同時又釋放出兩個質子。

這就是一個完整的氫核聚變過程,整個過程中有4個氫原子核參與,最後生成了一個氦4並釋放出兩個中子、兩個中微子以及兩個γ光子。這看起來好像沒有什麼大不了的,但在太陽內部,每秒鐘參與反應的氫原子就達到了6億噸,其中有約400萬噸的質量都會以能量的形式被釋放出來,所以即便相隔1個天文單位,太陽能量仍足以哺育整個地球。


氫核聚變可以產生氦,而隨著溫度和壓力的進一步升高,氦核聚變又會被點燃,於是鋰也被締造了出來。

鋰並不是在氦核聚變過程中直接產生的,氦3會與氦4聚合直接生成鈹7,而鈹7是一種極不穩定的元素,它很快就會發生衰變,產物就是鋰7。就這樣,在恆星的聚變過程中,更重的元素一個個出現了,這些都是締造我們身體所不可或缺的物質。


可惜恆星不是萬能的,它的元素製造過程到鐵就會終止。

鐵原子核的比結合能很高,所以極其穩定,要想破開鐵原子核需要極其巨大的能量,這股能量遠遠超過了鐵原子聚變所能夠產生的能量,這使得鐵原子核成為了最穩定的原子核,無論是聚變反應,還是裂變反應,都與它無關。鐵的原子序數為26,在它上面還有很多元素,怎麼產生呢?這需要一種更為強烈的天體活動,那就是超新星爆發。超新星爆發的過程能夠締造更重的元素,並不是因為超新星爆發所產生的能量可以破開鐵原子核,而是因為超新星爆發的過程中會產生極強的中子輻射環境。


超新星爆發會締造出一個中子密度極高的環境,於是就會發生「快中子俘獲」現象。

以鐵元素為例,當一個鐵56俘獲了3個中子後,它就會變為鐵59,而鐵59很不穩定,很快就會通過β衰變形成鈷59,於是一種新的更重的元素就產生了。按照類似的形式,大量的重元素都能夠在超新星爆發的過程中產生,比如黃金就是其中之一。如此看來,我們的身體就是宇宙歷史的縮影,這也許就是人們常說的「生命貫穿始終」。

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