不同的化学元素从何而来?

我最近从我们的一位订阅者那里收到了以下问题:

各种元素是如何在恒星的帮助下形成的:从氢发展到重金属呢?

所有的重化学元素,不管怎样,都是在恒星的帮助下形成的,但不同化学元素的机制不同。

从氦气到铁

如果您查看元素周期表,从氦到铁的所有元素都是以相同的方式形成的。任何恒星诞生后,都会在高温高压下发生热核聚变反应,其中氢转化为氦。这种组合有多种机制,但由于它们中的每一个,4 个氢原子核被转化为 4 个氦原子核。最常见的机制如下图所示。

质子-质子循环及其所有可能的分支。百分比表示这种或那种反应进行的概率。

当恒星核心中的氢燃烧殆尽时,恒星会因此开始收缩和升温。如果恒星的质量不够,那么结果它只会甩掉外层的物质,只留下由氦(氦白矮星)组成的核心,如果恒星的质量足够大,然后下一个核反应循环中开始,氦气将变成碳和氧。

当氦气燃烧殆尽时,压缩将重复进行,根据质量的不同,恒星要么甩掉物质的外层,留下一颗白矮星,要么碳和碳开始燃烧。越来越多的元素会被点燃,直到核心变成铁,之后压缩不能再使铁燃烧,循环就会中断。在这种情况下,较重化学元素的燃烧将具有更多种类的化学反应,并且每个阶段都会进行得更快。所以氢的燃烧可能需要数十亿年,氦需要数亿年,而硅需要不到一天。

最终,白矮星或中子星将保留在恒星的位置。恒星壳的喷射,以及未来白矮星或中子星的毁灭,会将所形成的重元素喷射到太空中。

比铁还重

恒星中的热核反应恰好在铁上中断,因为在此之前,所有反应都伴随着热量的释放而进行,当形成较重的原子核时,热量将被吸收;恒星根本无法提供足够的热量来确保这种反应的大量发生,如果形成更重的原子核,那么在恒星的条件下,它们会迅速瓦解。那么宇宙中比铁重的元素在哪里呢?

现在这个问题没有明确的答案。科学家们正在考虑形成较重原子核的两种机制:超新星爆炸和中子星的碰撞(一些天体物理学家否认第一种机制有效)。在这些过程中,释放出大量的中子,这些中子被原子核大量捕获,因此原子核长成巨大的质量,主要包含中子。在那之后,中子过载的原子核会经历多次 β 衰变,这会增加它们的电荷并沿着元素周期表越走越远。

 

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