元素的奥秘大全（元素的形成之旅）

地球的表面就是宇宙汪洋之滨。我们的本能告诉我们，我们是在这个大海里诞生的。我们还乡心切。我们也会。因为宇宙也在我们之中。我们都是星尘。

——卡尔·萨根

△ 太阳的可见光光谱，我们能从中了解的不仅是其温度和电离，还有元素的丰度。（图片来源：Nigel Sharp/NOAO)

元素周期表中有100多种元素，其中有91种是在地球上被自然发现的。

在下图中我们可以看到每一种元素都有着不同的起源方式，比如氢和氦起源于宇宙大爆炸。

△ 每种元素的主要来源。橙色（比如氢和氦）代表元素起源于宇宙大爆炸，绿色的三个元素则源自于宇宙射线，粉色的元素主要来自小恒星或大恒星（“小恒星”是指质量不足以大到成为超巨星并成为超新星的恒星），黄色元素起源于大恒星，红色元素来自大恒星或超新星，浅蓝元素主要在超新星爆发中被创造，白色为人造元素。（图片来源：Mark R. Leach/FigShare）

但是，在宇宙大爆炸的那一刻，所有的这些元素都不存在。早期的宇宙充满了物质和辐射，并处于极度炙热和致密的状态，导致了当时已经存在的夸克和胶子无法形成质子和中子，而是处于夸克-胶子等离子体的状态之中。

△ 夸克胶子等离子体（图片来源：RHIC，Brookhaven）

大爆炸一秒过后，宇宙的温度慢慢冷却，夸克和胶子开始形成稳定的质子和中子。

△ 物质和反物质在宇宙初期湮灭消失，剩下的夸克和胶子冷却后可以形成温度的质子和中子。（图片来源：Ethan Siegel）

三分钟后，这些核子融合成氦和少量的锂，但没有更进一步的元素产生。根据太初核合成（BBN），科学家得以预测氦-4、氘、氦-3和锂-7的丰度。下图红色圆圈标注的是WMAP卫星对微波背景辐射的观测得出的结果。观测与理论符合的相当完美，这是宇宙大爆炸模型的一个重大胜利。

△ 纵轴为氦-4, 氘, 氦-3和锂-7相对于氢的预测丰度，横轴为相对于质子的物质密度。（图片来源：NASA）

经历了数千万年后，宇宙中终于形成了第一批恒星，制造出更多的氦气。

△ 艺术想象图：最早的几万亿颗恒星的形成、存在和死亡的宇宙初期环境，锂不再是第三大元素。（图片来源：NASA/ESA/ESO）

质量足够大的恒星会演变成巨星，在核心的氦经由3氦过程（即3个氦原子核转换成碳原子核的过程）聚变为碳，同时也产生氮，氧，氖和镁。

△ 一些知名恒星的赫罗图（又称颜色-星等图）。最亮的红超巨星参宿四(Betelgeuse)显示在右上方。（图片来源：ESO）

质量最大的恒星会变成超巨星，会在核心聚变形成更重的元素，如碳，氧，硅和硫等。

△元素在超大质量恒星中聚变呈洋葱层状，可在短时间内形成碳、氧、硅、硫、和铁等。（图片来源：Nicolle Rager Fuller)

巨星和超巨星会创造出更多的自由中子，这就允许建立更重的原子核，直到元素铅/铋。

△ 在恒星核心的高能阶段制造的自由中子允许元素通过中子吸收和放射性衰变一次建立元素周期表。超新星和进入行星状星云阶段的巨星都被证明可以通过s过程（或称为慢中子捕获过程）来实现。（图片来源：Chuck Magee）

大多数的超巨星都会形成超新星，其中快中子（能量为1 - 20MeV的中子）被吸收，就会形成铀及以上的元素。

△ 超新星遗迹（左）和行星状星云（右）都是恒星回收他们被烧毁的重元素回到星际介质和下一代恒星和行星的方式。（图片来源：ESO）

中子星的合并是创造宇宙中最重的元素（包括金，汞和铂）的主要来源。

△ 两颗中子星碰撞，大约3-5％的质量在这样的碰撞中被排出。（图片来源：Dana Berry）

此外，锂，铍和硼是三个元素特别有意思的元素。它们既不能通过聚合更轻的元素来制造，也不可能从碳和更重的元素中制造出来。它们的形成之谜来自于像黑洞、中子等高能天体物理源产生的宇宙射线，当宇宙射线与重原子核碰撞时，会发生散裂——即产生更轻的元素。宇宙射线散裂是这三个元素的主要来源。

△ 宇宙射线。（图片来源：ASPERA）

最后，比刚才提到的都要更重、不稳定的元素都是在地面上的实验室中制造出来的。

△ 更新元素周期表：Albert Ghiorso在周期表中的103号空格写下“Lw”（lawrencium）；其它三个人为共同发现者Robert Latimer、Torbjorn Sikkeland和Almon Larsh。这是第一个完全通过核途径制造的元素。（图片来源：Wikipedia）

结果就是我们今天看到的丰富多样的宇宙。

目前，最新的元素起源的周期表是由Johnson绘制的，她用六种颜色代表不同的宇宙事件：大爆炸，宇宙射线，合并的中子星，以及三种不同类型恒星的爆炸。颜色的比例则代表了元素由不同事件产生的量。

△ 太阳系内的元素起源周期表，六个颜色代表了不同宇宙事件。蓝色：大爆炸；橙色：合并的中子星；黄色：低质量恒星的死亡；粉色：宇宙射线；绿色：爆炸的大质量恒星（超新星）；浅蓝色：爆炸的白矮星。（图片来源：Johnson）

该周期表中包含了所有组成我们身体的关键元素，例如，由超新星爆发产生的氧(O)、磷(P)和硫(S)，低质量恒星死亡产生的碳(C)和氮(N)。同时，宇宙中含量最丰富的氢(H)则是在一百多亿年前的大爆炸中产生的。

在该周期表中有两个用灰色表示的元素：锝(Tc)和钷(Pm)，以及所有超过铀(U)的元素都没有被包括进来，这是因为这些元素并没有稳定的同位素。我们只有在对撞机或核弹中制造中才会看到它们。

但这张元素起源的周期表仅限于太阳系。Johnson表示之后会制作在早期宇宙时，这张周期表会是怎么样的。她也会给出更多关于她制作该周期表的来源和假设。

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