重金属元素是怎么形成 地球上是怎么产生重金属元素

这个问题分三步走吧!

01 我们都是群星之子

宇宙中的恒星可以按照元素的组成分为三种。

1、星族Ⅲ星，也称“欠金属星”。

这里的“金属”在天文学上指的是：氢和氦以外的其他元素。

星族Ⅲ星完全由氢、氦组成，推测它们诞生于大爆炸后不久，只存在于理论之中，但迄今为止仍未发现。按照理论，它们应该非常巨大，质量是太阳的数百倍，但寿命极短，迅速坍缩为黑洞，它们是宇宙中的焰火。

▲模拟的大爆炸之后4亿年的第一代恒星。

2、星族Ⅱ星，也称“贫金属星”。

这一类恒星里的“金属”元素含量较低，它们最早起源于宇宙大爆炸后的第一批恒星，年龄相对较大。

银河系内，它们主要分布在球状星团和银晕里。因为“金属”元素相对较少，绕它们旋转的行星较少。

▲银晕：银河系外围由星际物质和稀疏恒星组成的球状区域

3、星族Ⅰ星，也称为“富金属星”。

我们的太阳就是这样一颗星族Ⅰ星，来自上一代恒星超新星爆炸后行星状星云里的星际尘埃，它们的年龄相对较年轻。

银河系内，它们主要分布在旋臂上，因为“金属”元素相对较多，绕它们旋转的行星较多。

这里可以看到，更老的恒星却被叫做星族Ⅲ星，并没有按照时间顺序来，这是历史遗留问题，因为在早期对恒星观察的时侯，并不清楚一些恒星的“金属”含量会比其他恒星多的原因。

结论一：原始太阳系来自第一代或第二代恒星（星族Ⅱ星或更早的星族Ⅲ星）超新星爆发后抛出的气体尘埃，我们都是群星之子。

▲原始太阳系的星盘

02 铁以上的重元素来自s-过程和r-过程

在恒星内部，通过核反应最高只能聚变出铁元素。铁56的比结合能最大，再要合成更重的元素，就不是放热反应，而是吸热反应了，因此更重元素无法通过核聚变来产生，主要来自恒星的超新星爆炸或双中子星合并。

超新星爆炸和双中子星合并的时候，伴随着高密度的中子流，每秒每立方厘米高达100万亿亿个中子。

在如此之多的中子碰撞下，较轻的原子核如同沐浴在中子的“沙尘暴”里，各种各样的富中子原子核被制造出来，而又迅速发生β衰变，最终变成较稳定的原子核。

铱、锇、铂等贵金属、其他重元素以至放射性元素都可以通过这种“快中子俘获”过程（r-过程）制造出来。

▲超新星爆炸是重元素的制造工厂。

那是不是所有重元素都来自超新星或双中子星合并呢？也不尽然，在恒星内部，也有一条持续稳定的路径，让比铁重的元素逐一生成，这就是“慢中子俘获”。

第一代超新星爆炸出一些重元素的碎屑，有些飘荡在宇宙空间，凝结成行星，也有些被其他恒星吸引过去，成为进一步核反应的母核。

在恒星内部，有着各种各样的辐射，其中就有中子辐射。偶然的机会，“贪吃蛇”母核将中子俘获过去，“吃”进肚里，变成更大的原子核。

这个过程很漫长，可能要一年，甚至十年，才会发生一起俘获事件，所以称为“慢中子俘获”（s-过程）。

这些原子核就如同滚雪球一般，越来越大。然而雪球毕竟是有限度的，吃胀肚子的不稳定原子核会发生β衰变，吐出电子和中微子，变成了原子序数 1、原子量相同的其他元素。

▲原子核吃进中子，吃多了会“消化不良”，发生β衰变，中子变成质子。

相比较而言，r-过程效率较高，s-过程的贡献较低。

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03 地球上重元素比例为何如此之高？

我们相信，地球、木星和太阳都来自形成原始太阳系的星云，因此元素比例应该是一样多的，然而为何地球上氢、氦等较轻元素这么少呢？

简单点说就是较轻元素被吹光了。

罪魁祸首就是太阳，太阳在无时不刻向外“吹风”，其实吹的是“太阳风”——带电粒子，靠近的星球比较惨，大气每天受到冲击，较轻的元素（主要是氢、氦）就这样被“吹”跑了。

最近的水星根本形成不了大气。

没有磁场的星球尤其惨，比如金星转速太慢，形成不了磁场，太空探测器发现了一条向地球轨道延伸的彗星状尾巴。

地球比较好，有磁场保护，平常时候大部分带电粒子偏转，但太阳风力过强还是会“击穿”它，让我们看到美丽的极光。

火星比水星大，距离太阳的距离是水星的四倍，但人们认为太阳风已经将其原有大气的三分之一剥离，只留下了地球大气密度的百分之一。

据测定，火星大气剥离的速度约为每秒100克。

因此，靠近太阳的四颗类地行星表面很难找到大量的氢和氦，就好像几个被太阳风剥光氢氦衣服后，只剩下几个石质裸核。而较远处的类木行星受太阳风影响极小，因此还能披上厚厚的氢氦衣服。

总结一下：

1、我们都是群星之子，地球上的重元素来自几十亿年前的第一代或第二代恒星超新星爆炸或双中子星合并。地球自身产生不了重元素，只可能由更重的放射性元素衰变成不那么重的放射性元素，比如U238经过α衰变成钍234。

2、有两条路线可以生成重元素，r-过程（超新星爆炸或双中子星合并）和s-过程（恒星内部）。

3、地球上重元素之所以这么多，是因为较轻元素被太阳风吹光了。

作者：鲁超

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