怎么理解氢元素占据宇宙质量的75%?

从小我们就被告知:这个世界是由物质构成的,组成物质的基本元素共有102种,其中地球上天然存在92种(现已刷新为118种,94种)

当时,因为读书太少,不敢反问:这些元素又是怎么来的?

即使像我这样的,问了也是白问,还遭来一顿白眼。

现在我们就来补上,弥补一下童年的创伤。

先来总体看一下,我们再熟悉不过的化学元素周期表——当然这不是普通版本,而是标注了最关键内容:每个元素都是从哪儿来的。

也就是说,这是一张化学元素出身表

下面分段说说这张化学元素出身表——

宇宙大爆炸开始的最初三分钟,少数幸运的质子抢先与中子搞在一起,结合成氦核,大多数质子因为没有那么多中子可以结合,只能生成氢核。

由此,氢氦两大轻元素,占据了宇宙基本元素的统治地位,几乎是100%。整个宇宙中,氢元素占75%,氦元素占25%,其他重元素(除两大轻元素以外)仅仅只占0.0000001%!

也称为宇宙射线散裂,宇宙射线是来自外太空的带电高能粒子,如质子、α粒子、电子,当宇宙射线与星际物质碰撞时,就会裂变成较轻的元素——锂、铍、硼原子核。

制造元素:原子数2~71

所谓低质量恒星,就是质量小于8倍太阳质量的原初恒星,当然包括我们太阳在内。

以太阳为例,等到演化末期,垂死挣扎阶段,即氢燃料耗尽,热核反应行将OVER之时,身体虚胖,已经膨胀成一颗硕大的红巨星,以至于吞噬掉水星、金星、地球……

与此同时,太阳内核温度无法持续升高,聚变出来的碳、氧等元素只好堆积起来,越来越多,密度越来越大,变成一个实心内核,这就是白矮星。

而外部虚胖到了极限的稀薄气体,随着内核冷却,温度逐渐下降,慢慢散开,扩散到宇宙空间中。

这就是我们看到的行星状星云——绝美的宇宙符号,宣告一代恒星的死亡。

行星状星云向宇宙输送的基本元素主要有:碳、钠、锶、锆、汞、铅、钨……

制造元素:原子数6~37

所谓大质量恒星,就是原初恒星质量至少是8倍太阳质量以上的。如果再细分下去,可以简单归结为:

①原恒星8~40倍太阳质量,在恒星演化末期,发生爆炸,即超新星爆发,内核变成中子星,同时,新生成一些重元素——钠、镁、硫、硅、磷等,随着超新星爆发向宇宙空间输送。

②原恒星25~40倍太阳质量,在超新星爆发时,会喷射非常多的重元素,比如镓、锗、砷、硒、氪……

③原恒星40倍太阳质量以上,在恒星演化末期,会塌缩成黑洞,宇宙元素基本上又被没收了。

▲著名的蟹状星云M1就是一个超新星爆发残骸。

  • 超新星爆发是从氧一直到锆元素的主要来源;

  • 我们太阳系就是从一场超新星爆发演化而来的;

  • 超新星爆发生成的重元素,最终使得地球演化出了地球生命,当然包括我们人类;

  • 我们本身也是从宇宙星尘演化而来,我们就是宇宙的一部分。尽管极其微小。

制造元素:原子数41~94

重金属元素的来源一直是宇宙的奥秘之一。

刚宣布不久的中子星合并事件——NGC4993星系中两个中子星,不仅探测到了首例由中子星合并生成的引力波,更重要的是,测定出了大量重金属向宇宙空间喷射,之前我曾写过:这次合并产生相当于100个地球质量的金、500个地球质量的铂、50个地球质量的银!

这再次印证了重金属元素来自于中子星的激情大合并。

当然,中子星合并生成不止有金、铂、银,还有很多,直到原子序数92铀、94钚。

制造元素:原子数12~30

刚才说了,白矮星是低质量恒星演化的终点,但并不是自身的终点。

一颗白矮星其实就是一颗超金属星球,它自身能够支撑的最大质量是1.4倍太阳质量,也就是钱德拉塞卡极限。

如果这时候,能够从身边的伴星吸积质量的话,内核逐渐达到碳融合的点火温度,从而引发碳引爆——白矮星爆发,成为一颗Ia超新星。

这一爆发过程,又会释放出来一些重元素——钾、钙、钛、钒、铬、锰……

需要说明一点,这张化学元素出身表,只罗列到第94钚,这是因为截止到2012年,总共有118种元素被发现,其中在地球自然界有94种。

原子数大于94的元素,多为人工核反应合成。随着技术发展,会发现/制造更多的新元素。

知道了基本元素都是从哪儿来的,再来看看,根据科学测定的宇宙、太阳系、人体基本元素的构成比例。

整个宇宙——氢元素占75%,氦元素占25%,其他重元素,如碳硅氧钠金银铜铁……仅仅只占0.0000001%!!!

事实上,我们人体构成元素跟地球相同,只是比例稍有不同。碳、氧、氢、磷组成了我们的DNA,钙则是我们生命的支撑。除了氢之外,这些元素全都诞生于恒星各种演化之中。

所以,我们人类其实都是星尘!

正因为探索宇宙,才让我们知晓——宇宙大爆炸诞生了一切,宇宙演化、恒星演化制造了宇宙的基本元素,一切物质的最初源头。

这就是说,我们也是宇宙的产物,不是最初也不是最终的产物,人类文明不过是宇宙万亿年演化中的一个量子涨落而已。

读懂了宇宙,就读懂了人生。

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氢与“氦”是宇宙中最多的两种元素。

氢是原子序数为1的化学元素,化学符号为H (Hydrogenium),在元素周期表中位于第一位。其原子质量为1.00794u,是最轻的元素,也是宇宙中含量最多的元素,大约占据宇宙质量的75%。主星序上恒星的主要成分都是等离子态的氢。而在地球上,自然条件形成的游离态的氢单质相对罕见。

氢在自然界中分布很广,水便是氢的“仓库”——氢在水中的质量分数为11%;泥土中约有1.5%的氢;石油、天然气、动植物体也含氢。在空气中,氢气倒不多,约占总体积的一千万分之五。

在整个宇宙中,按原子百分数来说,氢却是最多的元素。据研究,在太阳的大气中,按原子百分数计算,氢占81.75%。在宇宙空间中,氢原子的数目比其他所有元素原子的总和约大100倍。

氢元素具备的一些理化性质如下:

1、氢是原子序数为1的化学元素,化学符号为H,在元素周期表中位于第一位。其原子质量为1.00794u,是最轻的元素,也是宇宙中含量最多的元素,大约占据宇宙质量的75%。

2、主星序上恒星的主要成分都是等离子态的氢。而在地球上,自然条件形成的游离态的氢单质相对罕见。

3、氢最常见的同位素是氕,含1个质子,不含中子。

4、在离子化合物中,氢原子可以得一个电子成为氢阴离子构成氢化物,也可以失去一个电子成为氢阳离子,但氢离子实际上以更为复杂的形式存在。

5、氢与除稀有气体外的几乎所有元素都可形成化合物,存在于水和几乎所有的有机物中。它在酸碱化学中尤为重要,酸碱反应中常存在氢离子的交换。

6、氢原子则有极强的还原性。在高温下氢非常活泼。除稀有气体元素外,几乎所有的元素都能与氢生成化合物。

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