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  [图文]元素的诞生和年龄         ★★★ 【字体:
元素的诞生和年龄
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:3716    更新时间:2011-7-20    
  一、混沌初开
  几乎各民族都有古老的关于宇宙万物起源和产生的神话。在我国就有盘古氏开天辟地的神话,我国古代的蒙学读本《幼学琼林》一开始就说:“混沌初开,乾坤始奠,气之轻清上升者为天,气之重浊下凝者为地。”这些都是关于宇宙起源的朴素观点。 
  正如上面所介绍的,人类对宇宙的认识不断拓宽,从肉眼到光学望远镜,从光学望远镜到射电望远镜,由于地球大气的阻碍,我们在地球上还是不可能收到全方位的信息。到了宇航已成为现实的时代,人们理所当然的把望远镜搬到地球之外,这就是世界上最新的望远镜——哈勃望远镜。这是1990年4月24日送到离地球613公里轨道上的最先进的望远镜。从而摘掉了地球大气层这个遮眼罩。 
  根据现在的观测和理论,认为我们所在的宇宙起源于约150亿年前的一次大爆炸。在那时也可以说是混沌初开。而这大爆炸的起点的状态是当今天文学、物理学研究的热点。现代科学家认为在最原始状态下电磁作用、弱相互作用、重力作用都是统一的,在大爆炸的一瞬间开始,重力场、电磁场相继独立出来,此后才由原物质形成质子和中子,随着宇宙物质的进一步演变生成现有的原子核和原子。我们的银河系大约在100亿年前形成。关于以后宇宙物质的演化,下面我们将较详细地介绍。 
  现在我们已经知道我们的宇宙是一个阶梯式的宇宙,恒星组成星系,一些星系组成星系团,各星系团又组成我们观测到的宇宙——总星系。这种阶梯式的宇宙曾经解决了前面提出的奥伯斯的光度佯谬。而如今膨胀的大爆炸宇宙模型更好地解释了天空为什么是黑的。而奥伯斯问题的提出是建立在均匀的恒稳态的宇宙模型上的,这与实际观测的结果不符。 
  现在的问题是在大爆炸前宇宙是什么形态,如果在大爆炸的那一瞬间把时间作为0的话,那负时间宇宙会处于什么状态?再就是我们所处的宇宙膨胀有没有尽头。这就有两种模型,一是无限膨胀,终于完全散开了去;一是膨胀到了极限又会收缩,也许会又缩回到原始的致密状态。这一切还有待天文学家们进一步观察研究。 
  宇宙是有限还是无限的呢?是无限的。我们目前用哈勃望远镜已经观测到120亿光年远的天体!但这只是我们目前认识的前缘,并不是宇宙的极限。在我们的宇宙体系外肯定还有别的宇宙体系。正像古代哲学家说的:宇宙是大小相含,无穷无尽,宇宙之外还会有更大的体系。只是目前我们的认识暂时还难以达到而已。
  二、地球为什么有这么多种元素?
  打开元素周期表,可以看到,我们居住的地球上现已发现有110种化学元素;而且科学家们还在研制人造重元素。可是,大家也都知道,太阳主要是由氢这种元素组成的。为什么地球有这么多的元素呢? 
  原来,万物都在运动、变化,都有自己的起源和演化规律,构成宇宙万物的各种元素也不例外。的确,在地球现今的条件下,我们还没有看到铁演化成金的过程。但是,一些放射性元素如铀、钍等,确实正在不断蜕变为铅。人们不禁要问:再经过一段长时间,铀、钍等放射性元素既然都会变成铅而消失,那在此以前,这些重元素又是如何产生的呢?这就是元素的起源和演化问题。这个问题和天体的起源和演化密切相关,同样是科学家们探索的重大问题。 
  早在1886年,英国著名科学家克鲁克斯曾发表了一篇论文《元素的产生》,提出:所有的元素都是由一种原始物质逐渐凝聚成的,这种在元素产生以前就存在的物质名叫“Protyl”。此后,人们关于放射性、核反应、核能的发现,使得人们对元素的认识更深了一步。但真要解决问题,只有跳出地球,到大宇宙去研究才有可能。也就是说,先要解答宇宙间的元素是从哪里来的。    
  三、宇宙大爆炸

 
  现代宇宙学认为:原始宇宙是完全由中子组成的非常炽热、非常稠密的大火球。后来,宇宙开始膨胀并变冷,这时中子蜕变为质子和电子。这种由中子、质子和电子组成的原始物质名叫“太素”(Yelm)。 
  当原始宇宙温度下降到109~1010K时,原始物质开始结合成氖和氦(当然绝大部分还是氢),这是原始的星际物质。根据B2FH理论,原始的星际物质靠引力收缩形成一些团块——原始恒星,同时内部温度逐渐升高,当恒星内部温度升到7×106K以上时,氢的核聚变开始,核反应的辐射膨胀与恒星的引力收缩相抵制,恒星发光并进人相对稳定状态,这时恒星内部的核聚变有质子-质子循环和碳-氮循环两种。这是恒星氢燃烧阶段,一般可稳定进行100万~100亿年。我们的太阳已进行了约46亿年,估计还将继续50亿年。这一阶段在恒星核心生成氦,同时还有一些碳、氮、氧等元素的形成。 
  当恒星核心的氢全部转为氦(约占恒星总质量10%~15%)时核反应停止,引力收缩占优势,结果使核心温度上升,恒星外壳膨胀,变成红巨星。当核心温度升高到108K,密度也骤增,开始了新的核反应——氦燃烧。这时恒星变成脉动变星(这类恒星有规律的膨胀和收缩像脉搏一样)。氦燃烧主要是三个氦原子核结合成碳核的聚变反应,然后再生成氧。 
  如果恒星足够大,那么还将继续收缩升温,发生碳和氧燃烧(聚变)过程,生成硅、钙等元素。更进一步则是硅燃烧(又名α过程),其核反应机理是硅核光解生成高能α粒子,α粒子又与别的核结合生成铁族元素。当恒星演化到这个阶段,核心的温度可以增高到4×109K,这就使核达到统计平均状态,生成元素周期表上铁附近的多种元素。这个过程是e过程(平衡过程),结果是生成铁质核心。到这时,恒星就进人风烛残年了。 
  据B2FH理论,比镍更重的元素不能靠聚变反应生成,而是由一些重元素核在恒星中连续俘获中子形成的。在大质量恒星(质量达到8~20个太阳质量)演化的末期,核心温度可以高达4×109K,铁会转为氦和中子,大量吸热,使核心处于爆缩状态,随之是超新星爆发。这时强密度中子流会陆续击人元素核中生成铀、钍,甚至超铀元素和超重元素。    
  四、元素的

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