宇宙氧元素（宇宙中氧元素丰度为何排第三位）

原创：鲁超

答案都写在这张图上

快，盯着这张图看3分钟。

看懂了吗？

看懂了就不用往下拉了，挺累人的~

没看懂？

那就对了，继续下拉吧。

倾情预告一下：以下是宇宙终极奥秘，不看遗憾终身，看完终身遗憾~

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首先，氧在宇宙中的排名确实是第三位，仅次于氢和氦这两种大爆炸元素。

银河系中的元素丰度排名。因为银河系比较“平庸”，所以我们相信这和全宇宙的元素丰度差不了多少。

众所周知，大爆炸“big bang”炸出了氢、氦和极少的锂。

38万年后，宇宙中开始发出缕缕星光，在这之后，制造更高级元素的工厂是恒星！

▲宇宙大爆炸

恒星靠核聚变反应将较轻的元素合成更重的元素，一直到铁，一般认为铁56原子核的比结合能最高，这首伟岸的舞曲在铁这里终于划上了一个休止符，无法再进行下去了。

铁之后的重元素主要来自超新星爆炸和双中子星合并。

此外，在二代、三代超级大恒星的内部，由于质量足够大，温度足够高，加上已有一些重元素，因此也可能会发生一些生成“超铁元素”的核反应，这被称为“S-过程”（慢过程）。

从名字就知道这种核反应是极其缓慢的，而且最高也只能生成到82号元素——铅。

宇宙中，这些重元素的丰度显然不可能太高，就不在我们今天讨论范围内了。

▲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。这就是慢中子俘获过程（S-过程）

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这样，要讨论铁之前元素丰度的问题，就变得简单了。

无非是两方面：

1，恒星内部核聚变的路线（确保生产出来）

2，各种元素同位素的稳定性（不衰变掉）

最早提出核聚变是恒星能量来源的是爱丁顿先生，不过他马上就被打脸了，其他科学家掐指一算，根据经典物理学，需要达到几百亿度的高温，氢原子核（质子）才能克服电荷排斥力发生聚变反应。

而当时了解到太阳中心温度大约为4000万度，这差距显然太大了。

▲爱丁顿

关键时候，伽莫夫来救场了，他在研究阿尔法衰变的时候发现了量子隧道效应。

两位科学家阿特金森和豪特曼斯把这个效应用在爱丁顿的问题上，成功帮他解了围。

有个有趣的故事，豪特曼斯和一个妹子夜间散步，妹子看到壮丽的星光，不禁感叹：星星一闪一闪多美啊！

豪特曼斯自鸣得意的说：“我刚刚知道它们为什么发光！”妹子不为所动继续欣赏星光。其实，这个妹子是阿特金森的夫人。

▲阿特金森（左）和豪特曼斯（右）最早证明恒星核聚变可行，私下里也有一段扯不清的情感纠葛？

阿特金森和豪特曼斯只是证明了恒星内部的核聚变可行，第一条恒星内部的核反应路径是1938年贝特和维兹泽克找到的——碳氮氧循环（CNO cycle）。

碳12原子核与一个质子（氢原子核）聚合生成氮13原子核，这是一种很不稳定的同位素，它很快发生β衰变，生成碳13原子核，碳13再碰到一个质子生成氮14原子核，这就是氮元素的主要由来。

但是在CNO循环中，氮14原子核还继续反应下去，和一个质子碰撞生成氧15原子核，氧15也很快发生β衰变，生成氮15原子核，氮15再跟一个质子碰撞，这次生成一个碳12原子核和一个α粒子（氦4原子核）。

碳氮氧循环在1500万度左右就开始启动反应，两位科学家因此而获得了1967年诺贝尔物理学家。

▲转了一圈，碳12还是碳12，但是这个循环相当于把4个质子（氢1原子核）变成了一个α粒子（氦4原子核）。碳

等一等，前面不是说了吗？

宇宙大爆炸只“轰”出了氢氦锂三种元素，最早的碳氮氧从哪里来的？

这不是先有鸡还是先有蛋的问题啊，这是根本没有鸡蛋也能生出小鸡的问题啊！

这问题科学家们早就想到了，就在1938年稍晚点，贝特和克里奇菲尔德就发现了另一条核反应路径：质子-质子链（p-p链）。

原来，在没有碳氮氧的情况下，氢核（质子）也可以聚变。

p-p链有好几种分支，主流的p-p链分三步走：

1，两个氢核（质子）碰撞生成一个氘核，释放出中微子和正电子

2，这个氘核与另一个氢核碰撞生成氦3，

3，两个氦3碰撞，生成一个氦4核和两个氢核。

p-p链在400万度就可以启动，我们的太阳中主要是p-p链反应，碳氮氧循环只占1.4%。

而在超过1.3倍太阳质量的恒星内部，碳氮氧循环才会占据主导作用。

▲质子-质子链（p-p链）

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从p-p链这个反应路径，可以看出来三个推论：

1，氘比氢更容易发生核聚变反应。大爆炸也生成了很多氘，对宇宙中氘含量的测定，表明宇宙并不是无限年龄，这从另一方面也印证了大爆炸理论的成立。

2，氦3也是理想的核聚变材料，为什么月球那么让人心驰神往啊？

3，锂在宇宙中的丰度却比氢和氦少的太多，不成比例，这被称为“宇宙学锂差异”。更让天文学家感到奇怪的是，老恒星里的锂很少，反而是一些年轻的恒星里的锂更多。

▲2009年的科幻片《月球》，主人公就是在月球上开采核燃料——氦3

研究了质子-质子链后，就容易理解：锂会和氢核反应结合生成两个氦原子，这种核反应只需要240万度就可以发生，而这是很多恒星都可以轻易达到的温度。

好了，锂元素第一个被排除了。

▲由于锂的这种核反应性能，太阳上锂的丰度甚至比地壳里还要少。

就这样，恒星中的氢以这些路径不断聚变成氦，由于氦比氢重，所以形成一个氦的核心。

然后呢？

当一颗恒星核心中的氢快耗尽时，它就会开始坍缩，直到中心温度上升到一亿度，氦核开始发生聚变，两个氦核聚合成铍8，可惜铍8半衰期太短，很快又衰变成两个氦核。

如果在“短命”铍8仅有的寿命时间内，又一个氦核撞上了它，就有机会发生核反应，变成碳12。

这个总反应相当于三个氦核（α粒子）聚变成一个碳核，因此这个过程叫做“3α过程”。

▲“3α过程”：第一步是可逆的，在正巧碰到第三个氦原子的时候，才会生成碳12

在《流浪地球》中，就是大刘的幻想，让太阳提前进入了这个阶段，太阳开始变成一颗红巨星，最终发生一次氦闪爆炸。

在这期间，“3α过程”极其迅速，恒星中心60-80%的氦在几秒钟内全部变成碳，产生的能量几乎在瞬间辐射出来，让这颗恒星的光度达到正常太阳的一千亿倍，几乎和银河系的亮度一样。

好了，回到化学元素。

通过“3α过程”元素制造生产序列直接从2号元素氦跳到了6号元素碳。

锂的问题之前说过了，铍的劣势在这个过程里也表露无遗，铍8半衰期太短，只是这个过程的中间产物，较稳定的铍9不在这条反应路线上。

硼更惨，根本就不在这条反应路线上。

那宇宙中的铍和硼是怎么来的呢？它们来自宇宙射线，也就是说，完全凭运气。

所以，虽然它们俩是较轻的元素，在宇宙中的丰度却极其低。

▲铍和硼的产生源于宇宙射线

然后呢？

在恒星内部，α粒子非常活跃，不仅参与“3α过程”，当恒心中心的碳积累到一定程度时，还会继续和高级原子核发生反应，和碳生成氧。

再一路反应下去，生成氖20、镁24、硅28、硫32、氩36、钙40、钛44、铬48、铁52和镍56。

相当于不断向原子核中“塞”阿尔法粒子。这个过程叫做“α过程”，也叫作“α阶梯”。

上面提到的这些偶数原子序数的元素也叫作“α元素”！

这条线路在镍56这里走到了头，但镍56并不稳定，发生电子俘获会衰变成铁56。

一般认为铁56是最稳定的同位素，其实不然，镍62才是比结合能最高的同位素。

但一方面镍62不在这条反应路线上，另一方面由于“光致蜕变”作用，高能伽马射线会切断原子核，所以宇宙中镍的丰度远远少于铁。

“α过程”在恒星内部发生的几率很低，且主要以生成氧、氖为主，对恒星的能量产生没有显著的贡献。

由于强大的库伦势垒，氖以后的反应更不容易发生。但这毕竟是偶数原子序数元素的一条生路，奇数原子序数的元素盼星星盼月亮都没这条路线呢……

所以宇宙中奇数元素都比较少。问题又简化了一步，奇数元素被排除，接下来只要比较碳到铁的偶数元素就可以了。

然后呢？

和太阳质量差不多的普通恒星走到“3α过程”就到头了，接下来它们会变成一颗白矮星，主要成分就是碳和氧，有人搞噱头说这是“钻石星球”，其实白矮星上的超固态和我们熟知的钻石是两种形态。

而当一颗恒星的质量超过8个太阳，其中心温度超过5亿度，密度超过300万吨/立方米，就会继续开启“碳燃烧”路线。

两个碳原子核聚变生成氖20、钠23、镁23、镁24和氧16。其中，前三者是主反应。

这个过程中，虽然氧的产出很少，但氧坐观“小弟”碳的“燃烧”，而最大限度保留了自己，所以“碳燃烧”的最终结果是产生一个氧，氖，钠和镁的内核。

你可能以为，这种燃烧的条件如此苛刻，应该持续很长时间吧？

其实不然！

基本上是越重的恒星反应速度越快，对一颗25倍太阳质量的恒星来说，仅仅600年，就足够“碳燃烧”殆尽了！

然后呢？

你可能以为，按照座次，应该轮到“氧燃烧”了吧？

其实不然！氖元素说：“氧小弟别急，先等等，我先上！”

当“碳燃烧”结束形成一个氧，氖，钠和镁的内核后，恒星中心的温度和压力继续升高，达到12亿度，密度超过400万吨/立方米后，就会启动“氖燃烧”，这个条件并不比“碳燃烧”难很多。

和之前的核聚变反应不一样，“氖燃烧”并非氖核和氖核的反应，而是在强烈的伽马射线辐射下的“光致蜕变”反应。

氖核在受伽马射线激发后，变成氧16和一个α粒子；也有一部分氖核继续发生α阶梯反应，和α粒子结合变成镁24。

因此“氖燃烧”的结果是生成更多的氧和镁，你开始理解为什么氧比碳多了吧？

“氖燃烧”的另一个结果是：镁是宇宙中最多的金属元素。

▲链接请点击阅读原文

“氖燃烧”大约持续数年，留下了一个氧和镁的内核，如果恒星足够大，让中心的温度达到15-26亿度以上，密度达到260-670万吨/立方米的时候，氧元素：“终于等到要出场了吗？我要燃烧！”

▲宇宙第三大元素——牧绅一：终于轮到我出场了吗？

氧燃烧是两个氧原子发生聚变，生成硅28（34%），磷31（56%），硫32，硫31，硅30和磷30。根据不同恒星的大小，这一过程最长持续5年，最短3天就结束了。

氧燃烧完以后，留下一个硅和硫的内核，如果恒星足够重，中心温度达到27-35亿度，就会启动恒星的终极燃烧——“硅燃烧”。

一个个α粒子被“塞”进原子核，依次生成硫、氩、钙、钛、铬、铁、镍。这个过程很快，一天就结束了，这时候，恒星的中心已经达到了50亿度。

由于没有额外的热能可以通过新的聚变反应产生，恒星只能以崩溃的方式结束，发生壮丽的超新星爆炸，恒星的中心部分现在要么被压成中子星，要么变成黑洞。

恒星外层被喷射出，在中子流中产生铁以后的重元素。

这一段也不能说跟氧完全没有关系，喷射出的外层里面就有氧。

▲宇宙中元素的来源图

总结一下

1，其他元素先天不足，要么不在主流的反应路线上，比如铍、硼和大多数奇数元素；要么反应太容易，成为反应原料，比如锂。

2，大多数恒星都是屌丝恒星，最终的结局是碳和氧。高富帅恒星中心的最终结局是中子星、黑洞，这已经超越元素周期表了。

3，碳燃烧、α过程和氖燃烧都会生成氧，产量太大，挡不住！

现在你懂得下面这张图的意思了吗？

原来，碳燃烧完之后并不是氧燃烧，而是氖燃烧，即使是氖燃烧，也会生成氧。C、Ne、O三个圈层里面，都有氧的存在。

经过各种因素的排列组合，氧终于成功登上宇宙元素排行榜的季军！不容易啊！

正是因为宇宙中有如此多的氧元素，才有了我们人类在地球上的幸福生活。

地球上，氧是地壳中丰度最高的元素，竟然占到49.2%的质量。各种各样的矿物，大多数都是以氧化物或者盐的形式存在着。

就是再深入一点，到了地幔，氧的丰度仍然是最多的，占到44.8%，可以说，氧帮助把众多的元素固定在地球上。

在大气中，我们都知道，氧气占有21%，这些活跃的气体支持着生物的生长，氧气真是生命的气息。

至于在海洋中，氧元素就更多了，占到了88.9%，我们知道这就是氧在水分子中的比例。

水是由氢和氧组成的，我们幸运的地球上有足够多的氧气，将氢元素固定在海洋里，否则，原子量最小的氢元素将在太阳风的吹拂下散逸到太空中，地球上也就无法有这么多水，更难以产生生命。

地球上，除了最深处的地核，在大气、地壳和地幔中，氧元素的含量都是最高的。

总之，感恩氧元素吧！感恩宇宙吧！

看了这么多，你要是还不相信人择原理，我睡着了都会被你气醒！

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