化學(xué)元素的起源

胡維平

元素周期表上已經(jīng)列有超過110種不同的化學(xué)元素，各種元素所具有的各不相同的物理、化學(xué)性質(zhì)，造就了我們這個多姿多彩的、充滿生命力的世界。然而，這些化學(xué)元素是怎么來的呢？

在回答這個問題之前，我們要對原子的結(jié)構(gòu)做一個簡單的介紹?，F(xiàn)代的原子模型奠基于20世紀(jì)初盧瑟福的阿爾法粒子撞擊實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在我們知道，原子的質(zhì)量集中在一個很小的原子核當(dāng)中，原子核內(nèi)包含了帶正電的質(zhì)子與不帶電的中子。在原子核外通常環(huán)繞著一些帶負(fù)電的電子。在中性的原子內(nèi)，電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等，有時電子數(shù)會稍多于或少于質(zhì)子數(shù)，我們通常將其分別稱為負(fù)（陰）離子或正（陽）離子。各種元素原子的差異在于原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)不同，因而影響到電子組態(tài)乃至化學(xué)性質(zhì)的不同。比如說，碳原子核有6個質(zhì)子而氮原子核有7個質(zhì)子，造成這兩種元素在化學(xué)性質(zhì)上的極大差異。質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的原子稱為同位素，例如氫與氘（重氫）都含有一個質(zhì)子，但氘原子核還包含了一個中子。同位素原子的大部分化學(xué)性質(zhì)非常類似。

從天文觀測中我們知道，這些種類豐富的元素并不是地球上所獨(dú)有的，而分布在宇宙的各個角落。并且很明顯的，大部分的元素已經(jīng)存在非常久的時間了。因此，要了解這些元素的起源，我們必須從宇宙發(fā)展的歷史談起。

自1929年天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙持續(xù)膨脹的現(xiàn)象之后，科學(xué)家一般都認(rèn)為宇宙起源于一次大爆炸，時間大約在137億年前，一切的物質(zhì)、能量、時間都由此產(chǎn)生。一般認(rèn)為，大爆炸發(fā)生的那一瞬間，宇宙只有強(qiáng)烈的輻射能量而沒有任何物質(zhì)。在大爆炸之后約0.0001秒左右，宇宙溫度降至1012開，此時，宇宙中的質(zhì)子與中子脫離與宇宙射線的平衡而成形。到了大爆炸之后4秒左右，溫度降至1010開以下，宇宙中的電子也脫離與宇宙射線的平衡而成形。至此，構(gòu)成原子的基本粒子已經(jīng)出現(xiàn)，但由于溫度太高，宇宙中尚無重于氫的穩(wěn)定原子核，到處都是高速運(yùn)動的質(zhì)子、中子、電子，以及非常高能量的宇宙射線。

在宇宙形成大約3分鐘后，質(zhì)子與中子開始可以結(jié)合成重氫的原子核而不立刻被光子分解。接下來，一連串的核反應(yīng)將絕大部分重氫快速轉(zhuǎn)變成包含2個質(zhì)子及2個中子的穩(wěn)定氦原子核。不過，比氦更重的原子核此時不易形成，因?yàn)樽匀欢芍胁蝗菰S有原子量為5或8的穩(wěn)定原子核存在；缺乏這些作為橋梁的原子核，更重的原子核難以快速形成。

宇宙仍持續(xù)膨脹、冷卻，在宇宙生成大約30分鐘后，大爆炸產(chǎn)生的核反應(yīng)完全停止。此時，宇宙中的物質(zhì)以質(zhì)量而言，質(zhì)子約占75%、氦原子核約占25%，還有大量很輕的電子以及非常微量的重氫及鋰原子核。此時的宇宙溫度仍然非常高（108開左右），強(qiáng)大的宇宙射線使電子無法停留在固定的原子核上，物質(zhì)主要以單原子離子的狀態(tài)存在。由于自由運(yùn)動的電子很容易散射光線，此時的宇宙處于名副其實(shí)的混沌狀態(tài)，光子無法自由穿越，輻射場與物質(zhì)間不斷地進(jìn)行能量交換。這種情況一直持續(xù)到大爆炸發(fā)生大約40萬年后，當(dāng)宇宙的溫度降到了約1萬攝氏度以下，電子才開始能與原子核結(jié)合，形成中性的原子，宇宙也在此時變得透明，輻射場與物質(zhì)間的作用大幅降低，引力開始逐漸塑造新的宇宙結(jié)構(gòu)。

此時，宇宙中的主要元素只有氫和氦，實(shí)在沒有多少化學(xué)可言，任何人都可以把此時的化學(xué)學(xué)得非常透徹，只不過在這種宇宙中是不會有任何生物存在的。地球生命所需的其他元素大都是數(shù)十億年后在銀河系恒星的演化過程中產(chǎn)生的。至于宇宙是如何從早期物質(zhì)均勻分布的狀態(tài)迅速形成星系及恒星的，目前仍然不是非常清楚。一般認(rèn)為，很可能是由于一些量子效應(yīng)使得早期的宇宙在能量分布上有一些不均勻。這些微的不均勻經(jīng)過引力效應(yīng)的放大，使得物質(zhì)迅速向密度高的地方聚集，形成星系以及恒星。目前的證據(jù)顯示，第一顆恒星可能在宇宙誕生后的數(shù)億年就開始形成，在其內(nèi)部的熱核反應(yīng)中開始了宇宙中下一步的元素合成。

地球上一切生物所需的能量幾乎都直接或間接地來自太陽。太陽的能量又從何而來呢？在20世紀(jì)以前，這一直是個令科學(xué)界感到困惑的謎題?，F(xiàn)在我們知道，太陽以及所有恒星主要的能量來自其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)。一個星體發(fā)生核聚變反應(yīng)的最低條件是質(zhì)量達(dá)到太陽質(zhì)量的8%，當(dāng)其內(nèi)部的溫度由于引力收縮達(dá)到1000萬攝氏度以上時，核聚變反應(yīng)開始發(fā)生，4個氫原子核經(jīng)過3個質(zhì)子加成的步驟（質(zhì)子—質(zhì)子鏈）聚合成一個氦原子核并放出巨大的能量。這種能量釋放與恒星本身的引力作用達(dá)成平衡狀態(tài)，使得恒星在一段長久的時間內(nèi)穩(wěn)定地存在、發(fā)光。在比太陽重一些的恒星中，當(dāng)核心的溫度達(dá)到2000萬攝氏度以上時，能量釋放的主要機(jī)制是另外一種由碳、氮、氧原子核作為催化劑的氫聚變反應(yīng)（碳氮氧循環(huán)）。在此機(jī)制中會累積不少氮元素，這也是宇宙中氮元素的主要來源。

雖然核聚變反應(yīng)能很有效率地產(chǎn)生能量，但核聚變的原料——?dú)湓雍恕傆杏帽M的時候。對質(zhì)量只有太陽一半的恒星而言，生命就到此為止了，核聚變形成的氦核心從此逐漸暗淡冷卻。然而，質(zhì)量較大的恒星在引力的持續(xù)作用下，核心的溫度可達(dá)到1億攝氏度以上。此時，氦原子核可聚變成碳原子核及一些氧原子核。同時，由于恒星的外層仍然含有未聚變的氫原子，在引力收縮的過程中，外層的溫度升高，使得氫的聚變反應(yīng)再次進(jìn)行。

太陽大小的恒星在核心的氦用盡后將受引力的壓迫形成一顆白矮星，并逐漸冷卻。若恒星的核心在氦即將燃燒完之前仍有3倍以上的太陽質(zhì)量，核心可以進(jìn)一步壓縮，使得溫度達(dá)到6億攝氏度，在這種高溫下，碳將聚合成氖、硅、鎂等原子核。此時，在核心的外層，氦的聚變反應(yīng)也開始進(jìn)行，而更外層則依然有氫的聚變反應(yīng)在發(fā)生。這種階段性的層狀核聚變反應(yīng)在質(zhì)量很大的星球內(nèi)持續(xù)進(jìn)行，每一階段都需要更高的溫度與密度，并產(chǎn)生更復(fù)雜的化學(xué)元素。在恒星的演化過程中，它們會不斷將表面的物質(zhì)送到太空中，恒星內(nèi)制造出的各種原子核也隨之散布到宇宙的各個角落。

然而，就算在質(zhì)量更大的星球內(nèi)，這種核聚變反應(yīng)也不會無窮盡地進(jìn)行下去。這是因?yàn)楹司圩兯艹掷m(xù)的時間愈來愈短，所放出的總熱量也愈來愈少；到了形成鐵原子核（原子序數(shù)26，原子量56）后，核聚變已經(jīng)不再是放熱反應(yīng)，因而無法阻止星球進(jìn)一步的引力崩塌。在鐵核心高速崩塌壓縮的過程中，許多電子被迫與原子核內(nèi)的質(zhì)子結(jié)合而形成中子，同時向外放出大量的中微子。當(dāng)這些中子被壓縮到密度達(dá)到水的10的14次方倍時，一種僅能由量子力學(xué)描述的巨大的中子簡并壓力突然開始發(fā)生作用，從而阻止核心進(jìn)一步收縮。但這種核心崩塌的瞬間停止會產(chǎn)生強(qiáng)大的反彈震波，當(dāng)震波與恒星外層物質(zhì)相撞時，釋放出極大的能量，許多新的核聚變反應(yīng)也在這一過程中發(fā)生。一般認(rèn)為，元素周期表上大部分比鐵重的元素就是在此時產(chǎn)生的。這種強(qiáng)大的反彈震波以及極大量的中微子會將恒星外層整個炸掉，這就是所謂的超新星爆發(fā)。由于超新星爆發(fā)所釋放的能量極大，有時超新星爆發(fā)時的亮度甚至?xí)^整個星系數(shù)十億顆恒星亮度的總和。

經(jīng)過這一系列核聚變反應(yīng)生成的元素有一大部分隨著超新星的爆發(fā)而散布到宇宙中。超新星爆發(fā)后留下的中子核心的質(zhì)量若小于約3倍的太陽質(zhì)量，這個核心將成為一個穩(wěn)定的中子星；其質(zhì)量若大于3倍的太陽質(zhì)量，連中子簡并壓力也無法抵抗重力的壓縮，核心將進(jìn)一步塌陷形成一個黑洞。

這種超新星一般被稱為Ⅱ型超新星。還有一種叫Ⅰa型超新星，這是發(fā)生在雙星系統(tǒng)中的特殊現(xiàn)象。在雙星系統(tǒng)中，比較大的那顆恒星演化得比較快，最后可能成為一顆白矮星。等到另一顆恒星開始老化膨脹時，白矮星可能會逐漸將同伴的外層物質(zhì)吸收過來。當(dāng)白矮星達(dá)到約等于1.4倍太陽質(zhì)量的臨界質(zhì)量時，大規(guī)模的核聚變反應(yīng)會突然劇烈地發(fā)生，將整顆星球炸掉，在這一過程中產(chǎn)生大量的鐵原子核。我們血液及地殼中的鐵應(yīng)該都是來自遠(yuǎn)古時的Ⅰa型超新星爆發(fā)。近年來，Ⅰa型超新星被用來測定宇宙膨脹速度和星系間的距離。

此外，在一些恒星內(nèi)部也會持續(xù)進(jìn)行一種所謂的慢中子捕獲過程，也就是以持續(xù)的中子捕獲與β衰變產(chǎn)生一些重元素如锝、鉍等。同時，高能的宇宙射線也持續(xù)和星際物質(zhì)作用產(chǎn)生如鋰、鈹、硼等元素。以上所描述的是宇宙中各種元素生成的一個大略的過程，至于詳細(xì)的流程仍有不少爭論。比如，前不久有科學(xué)家提出，金元素的形成可能與非常罕見的中子星相撞有關(guān)。我們的太陽系除了氫與氦外還擁有各種重元素，使得太陽系能夠擁有如地球般的固體行星，并且包含了生命所必需的碳、氧、氮、硫、鐵等元素。endprint