地球怎么产生的,为什么有这么多的元素?

宇宙大爆炸

关于地球的元素是咋来的,我们可以先了解一下地球上元素的含量:

我们会发现,地球有很多原子序数很高的元素,主要的是氧和硅。那这能说明什么呢?我们可以来举一些例子,太阳主要氢,大概占到了70%左右,其余的是氦,只有1%是其他元素。而太阳系中最大的行星木星也是和太阳类似的情况。实际上,太阳和木星这样的才是宇宙的常态,地球反倒是比较特殊的。

为什么会这样呢?我们要从宇宙大爆炸说起,按照现在的主流理论,宇宙诞生于奇点的大爆炸,奇点温度是无限高的,大爆炸之后,空间开始膨胀,温度逐渐下降。

最开始宇宙是我们常说的“纯能量”形式,但由于温度极其高,光子可以获得很高的能量状态,光子自身又是自己的反粒子。于是,光子和光子之间的对撞,就有一定概率会生成电子等粒子。

所以,早期的宇宙其实形成了许多粒子,温度降低到一定程度后。宇宙中主要有氢和氦,其中氢占大头,大概达到70%左右。

而氢和氦即使到了如今的宇宙,也是绝对的主导,占据了99%,剩余不到1%才是其他元素。那么,其他元素是从哪里的呢?

恒星演化

原子序数更大的元素其实要靠恒星的核聚变了。我们可以把恒星理解成是一个炉子,而里面的燃料就是氢核,(这里补充一点,恒星内部的高温高压状态,使得恒星内部呈现等离子态,这种状态使得,原本的原子结构都无法保留,原子核和电子各玩各的,到处乱撞)

而恒星进入主序星阶段之后,就开始少氢核,首先是因为氢核最多,其次需要的反应条件也是最容易的。这个过程大概是4个质子通过核聚变反应生成氦-4。

红矮星会停留在这个阶段,氢烧完,剩下一堆氦的炉渣,就进行不下去了。不过,质量更大的恒星,比如:太阳,就可以通过自身引力让氦也发生聚变,生成氧和碳。比太阳的质量还要大不少的恒星可以让氧和碳发生聚变,生成镁、硅、磷、硫。


不过,还存在一种超大质量恒星,它的质量一般是太阳的8倍以上,它们可以一直通过引力让内核不断进行反应。不仅如此,很多恒星只是内核在烧,而这类恒星是多层同时进行,一般到最后,最外层就是氢成,然后依次往下一直到铁核。


各层的反应物和生成物如下:

而铁是比结合能最大的元素,意思是让它发生核聚变是相当难的一件事情,但是由于这类恒星的质量超大,就会使得铁也发生核聚变反应,然后一下子炸开,这也就是超新星爆炸。


在超新星爆炸的过程中,就会生成很多比铁元素靠后的元素,但含量都比较少,尤其类似于金元素等40号以上的元素。那这类元素大部分是从哪里来的呢?

这些元素大部分来自于更可怕的天文现象,也就是中子星合并。这个过程是十分剧烈的,并且伴随着原子序数很大的元素的产生。

所以,我们可以来简单地总结一下,元素的产生,说白了就是恒星的演化,核聚变一步步合成出来,而40号以上的元素大多是通过超新星爆炸和中子星合并来合成。

地球上为什么会有这些元素?

上文我们讲完了各种元素的由来,但是地球上为什么会有这些元素呢?

按照目前的理论预测,可能在太阳之前有1~2代恒星,时间上靠近我们现在的那一代恒星发生了超新星爆炸,于是,产生了大量的原子序数高的元素,而超新星爆炸的冲击波导致了太阳附近区域的分子云坍塌。在引力的作用下,分子云与逐渐形成太阳。而其他的行星说白了就是太阳形成过程中的一些边角碎料。

大致的过程是这样的:太阳会向外吹太阳风,而这个时候,原子序数较大的原子,它们的质量要大一些,因此,它们被吹出去的距离就比较近,而原子序数较小的原子,由于质量小,所以被吹得被较远。靠近太阳的4个天体,水星,金星,地球,火星,就是由原子序数较大的原子构成,这也是为什么他们是固态的行星,而木星包括木星轨道之外的行星,就是由原子序数较小的原子构成,因此,就是气态的行星。由于氢氦含量远高于其他元素,因此气态行星都比较大,而固态行星都比较小。

所以,地球上之所以含有大量的原子序数高的元素,其实很大程度上是因为地球离太阳比较近。