元素周期表的化学元素是怎么来的?

地球无法产生新元素

我们地球上的元素都是先于地球形成之前就存在的。地球的内核温度只有6000度,这个温度不足以促发核聚变来产生新元素。因此,从某种角度上看,地球上元素的年纪都要比地球大得多。

那元素到底是咋来的呢?

这其实一个非常复杂的问题,我们需要一步步来说。

氢和氦的起源

我们现在知道,宇宙起源于138亿年前的一场大爆炸。

大爆炸之后,宇宙中主要以光和热的形式存在,起初的温度非常非常高,还没有实物粒子的存在。而光子自身的反粒子就是光子,在极其高温(这里是几十亿度,甚至是上百亿度,这个温度也被称为阈值温度)的环境下,高能的光子对撞就会产生实物粒子,比如:一对正负电子等。

在宇宙的早期,粒子逐渐形成,一直到宇宙大爆炸之后的38万年,宇宙的温度降到3000度,原子结构得以形成。这时候主要的原子就是氢原子和氦原子,这两个正好就是元素周期表最靠前的两个元素,也相对容易形成。可能你要问了,为什么没有更高顺位的元素?

其实并不是没有,而是因为更高顺位的不够稳定,最后又裂变成了更稳定的氦元素。

所以,我们的宇宙最多的元素是氢,其次是氦,它们占据了99%以上。而且它们也是年纪最大的元素,都达到了138亿岁。

铁之前的元素

后来,宇宙逐渐出现了恒星。恒星被称为元素的炼丹炉。我们都知道恒星之所以会发光,是因为核聚变反应,会释放出大量的光和热。

就像上文说到的,宇宙最丰富的元素就是氢元素和氦元素。因此,恒星基本上都是这两种元素构成的。有些天体可以成为恒星,而有些不能,他们的本质在于质量。能够成为恒星的最低门槛是太阳质量的7%~8%左右。只要迈过这个门槛,恒星就可以点亮自己,发生核聚变反应,我们可以把恒星看成是一个炉子,最开始的原料是氢原子核,炉渣就是氦原子核。也就是说,氢原子核通过核聚变反应生成了氦原子核。

当氢原子核被烧得差不多后,只要恒星的质量足够大,就可以点燃氦原子核的核聚变反应,这时候的原料就是氦原子核,炉渣就是氧原子核和碳原子核。

而当氦原子核也被烧完后,只要恒星的质量足够大,还可以继续引发碳原子核和氧原子核的核聚变反应。

所以,你看这其实是沿着元素周期表从原子序数低,往原子序数高的方向发生核聚变。这会一直到内核生成铁原子核。铁原子核是最稳定的原子核,也是一个分界线。在铁元素之前的元素基本上是依靠恒星的核聚变反应,而铁元素之后,情况就会完全不一样的。

铁之后的元素

想要让铁原子核发生核聚变反应需要大量的能量,这个反应是一个赔本的反应,输入的能量要远远大于输出的能量。但是一些大质量的天体还是可以做到这一点,在这个过程中,就发生超新星爆炸,超新星爆炸的过程就会产生大量的比铁元素高的元素。

但是这种方式只是产生一部分铁元素之后的元素。在超新星爆炸的同时,恒星有可能会演化成中子星或者黑洞。

而科学家最近发现,许多原子序数大于铁元素的元素,是依靠中子星的合并而生成的。其中,我们熟悉的金元素和银元素,主要就是依靠这个方法制造出来的。

而我们知道,其实形成中子星非常不容易,更不要说,发生中子星的合并了,这也解释了为什么金和银的含量非常少。

总结

以上,就是各种元素的起源的主要内容。

地球上之所以会有这些元素,主要是因为,在地球形成之前,在太阳系附近曾经有上一代的恒星,这个恒星发生了超新星爆炸,引发了太阳系附近长达2光年的分子云发生引力坍缩,形成了太阳,其他的边角碎料形成如今的太阳系各个天体。而在形成地球的过程中,这些元素在引力的作用下聚合到了一起,这才使得地球上有非常丰富的元素。

事实上,科学家如今发现了100多种元素。但是在自然界中,人类目前只发现了92号元素,而剩余的元素则是科学家利用各种方法进行合成的。因此,元素周期表的元素中,还有一部分实际上是人类合成出来的。