第2章从何处来-向何处去？元素的起源与演化.ppt

第二章 从何处来 向何处去 元素的起源与演化 人类居住的地球 赖以生存的环境 水 土壤 空气等 以及人类自身都是由什么组成的 我们仰望星空 那炽热的太阳 闪烁的星斗 若隐若现的银河 美丽的彗星 又是由什么组成的 如此丰富多彩的物质世界尽管外表形形色色 变化无穷 但其内部是统一的 一切物质都含有相同的一些最简单的组成部分 这就是元素 那么元素是从哪里来的呢 多少年来 人们从理论和实验两方面探讨元素的起源 任何一个历史悠久的民族 都必然会在其远古时期产生各种关于起源的学说 当他们夜晚看到黑色的天穹镶嵌着闪烁的星群时 不仅会问白天带来光明和温暖 夜晚美丽动人的宇宙来自何处 元素起源的古代学说 艺文类聚 天地混沌如鸡子 盘古生其中 万八千岁 开天辟地 阳清为天 阴浊为地 盘古在其中 一日九变 神于天 圣于地 天日高一丈 地日厚一丈 盘谷日长一丈 如此万八千岁 天数极高 地数极深 盘谷极长 流行于北欧诸国的神话集 新埃达 最初是一无所有的 既没有地 也没有天 只有一条缝隙 在这虚无混沌的世界里 北方冰雪覆盖 南方则烈日炎炎 南方的火熔化北方的冰 在熔化的水滴里产生了一个巨人伊默 东方思维体系的精髓 阴阳五行就现存的史籍显示 阴阳五行观念的产生可上溯到上古三代 阴阳 的观念产生似较 五行 的出现更为久远 摒去其后来衍生的玄奥表层 其核心应是上古先民出于对大自然的天地百象 日月轮转 昼夜交接 寒暑更替 水火相抵 阴晴变换 男女雌雄等等对立而和谐现象的最朴素 最直观的认知和体悟 有文字记载的 阴阳 观念的正式出现 约在西周末年 其后的史料显示 至春秋时期 阴阳 观念的实际运用在当时的各个领域已较为流行 但从严格意义来讲 尚未进入哲学的华堂 黑白二色 代表阴阳两方 天地两部 黑白两方的的界限就是划分天地阴阳界的人部 白中黑点表示阳中有阴 黑方白点表示阴中有阳 使得 阴阳 这一朴素观念升华为鲜明的哲学思想的 是春秋末期的老子 老子将前人的阴阳观念集其大成 凝其精髓 用以解释天地万物的性质与发展规律 明确地提出 道生一 一生二 二生三 三生万物 万物负阴而抱阳 冲气以为和 的宇宙观 认为宇宙间任何物质中都存在阴阳两性 对立存在又和谐统一 老子阐述的阴阳学说对整个中华民族思维体系的形成有着至关重要的影响和意义 目前所知有关 五行 最早的提法 是载于 尚书 洪范 中商纣王之叔箕子所说的 五行 一曰水 二曰火 三曰木 四曰金 五曰土 此时的金木水火土已不再是构成万物的五种基本元素 而被高度抽象化为物质的五种基本形态 而五行则为这五种基本形态的代号 即 金为固态 水为液态 火为气态 木为等离子态 而土则为包容一切的 第五态 由此 因物质运动所必然引发的物质间的形态转换 古人得以用阴阳五行的学说来阐示一切 简言之 自然界阴阳相互作用 产生五行 五行相互作用 则产生宇宙万物的无穷变化 五行之妙 一妙在五种可以涵盖万事万物的 基本态 二妙在其数为 五 三妙在其关键态 混生态 根本态 土 为第五态 三大因素 缺一不可 河图 洛书 西方古代元素起源说古希腊 四元素说 公元前5世纪 自然界是由土 气 水和火这4种元素组成的 他们都由不变的微小颗粒构成 爱 和 恨 是元素结合和分离的缘由 柏拉图的学生亚里士多德 为 四元素说 增加了 精英元素 冠名 以太 认为 元素能按任何比例结合 构成各种各样的微粒 从而组成世界 然而这类古代的朴素学说并不能真正问答元素的起源 或者说只是绕开了元素起源这个命题 尽管中国的 五行说 或希腊的 四元素说 可以解释部分客观现象 但由此而带来的新问题至少与它们所能解释的问题一样多 中世纪炼金术我国的炼金术与古埃及和阿拉伯的炼金术几乎是同时独立地发展起来的 实际上 这类活动是人类历史上最早试图制造 合成和转变元素的研究工作 在公元前4世纪左右 铜 金 银以及其他重要金属几乎都已为人们知道 并可炼制成各种金属化合物 著名的越王勾践剑就是我国古代高超冶炼技术的代表作 当时炼金术的主要兴趣 是将 贱 金属铅或汞转变为的宝贵的黄金 甚至企图实现 点石成金 二是炼制可延年益寿 长生不老的仙丹 这些实践有力地促进了化学的发展 西方的炼金术的动机则比较单纯 认为按合适的比例加进或取出某些元素 就可以把一种物质转变为另一种物质 例如他们认为只要在铅这种金属中加进适量的汞 就可将铅炼成金 为了寻找出一种或几种元素制造出另一些元素的方法 炼众术师们摸索了好几个世纪 今天 人们知道可用核反应堆 加速器 尤其是高能重离子加速器 甚至同位素中子源来实现元素的转变和合成 尤其是在超重元素合成中 常被用做靶元素的恰恰是铅 近代元素起源学说早期的元素起源学说主要有大爆炸理论 平衡理论和多中子块理论 1 大爆炸理论这种理论的基本观点是所有的元素形成于宇宙创生时的大爆炸过程中 元素起源的宁宙大爆炸合成学说认为 宁宙之初 全部物质都以中子形式存在于温度极高和密度也极高的 奇点 之中 根据大爆炸理论 当宇宙的核合成能以有意义的速度开始时 其中子与质子的比例约为0 12 0 88 由此核合成终结时的宇宙中约含24 的氦 其余为76 的氢 很好地解释了宇宙中氦的丰度为24 这一检测结果 但这一学说并不能说明比氦重的元素的来源 因为所有质量数为5和8的核的基态都是不稳定的 例如8Be一旦被合成 便会立即分解为两个氦核 这种学说的另一个缺陷在于 发生连续中子俘获反应的中子源来自何处 2 平衡理论该模型假设 在宇宙之初 物质以高温和高密度的状态存在 这种状态使核转变迅速发生 并导致一种真正的统计分布 要达到这种平衡 普通恒星 需要的时间无限长 如果在大质量恒星内部 温度可逾40亿度 有可能在其寿命内达到这种平衡 为了达到这种统计平衡 所需的温度约为100亿度以上 这时形成最多的以及最稳定的就是铁前后的元素了 这也与实验测得的以56Fe为中心的丰度特征相符合 3 多中子块理论为了解释重元素合成的问题 有人提出了多中子块模型 这种理论假定 宇宙物质最初是由多中子块组成的 现在观测到的元素是出多中于块分裂而形成的 然而这 理论无法解释轻元素丰度比重元素高得多这一实验事实 这些理论都部分地解释了观测现象 但同时也都存在着解释不了的问题 宇宙的起源和演化哈勃定律我们的宇宙正处于不断膨胀之中 人们早就发现 大多数漩涡星云光谱中的谱线存在着不同程度的红移 这表明星云正离我们而去 1924年 美国天文学家哈勃给出了著名的哈勃定律 哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的 这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀 因此 在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀 从任何一个星系来看 一切星系都以它为中心向四面散开 越远的星系间彼此散开的速度越大 大约150亿年以前 宇宙大爆炸了 一场滔天大火 现在我们看到的都是那时宇宙大火留下的灰烬 残渣和烟灰 元素的成长经历 时间过了3分钟了 这是宇宙温度已经降到10亿度 宇宙的主要成分为光子 正电子 电子 中微子和反中微子 还有少量的中子和质子 它们之间进行各种各样的核反应 上图中一个重要参数使核合成开始时中子与质子的比值为 12 88 因此当4He合成阶段结束 所有中子都被用于核合成 则氦的丰度将达最大值 其质量百分数为24 而氢为76 难道在这段时间里 除了氢和氦核被合成外 难道就不可能合成更重的元素吗 现在让我们来检查下所有可能的反映通道 由宇宙大爆炸播下的氢和氦这两颗种子一直到约40亿年后才开始发芽 结果 随后的元素形成过程是伴随着恒星的演化而来的 让我们来看看恒星的成长路线 星际物质星际物质包括星际气体和星际尘埃 星际气体包括 气态原子 分子 电子和离子等 观测证实 星际气体的元素中氢占多数 其次是氦 银河系中的星云物质 就形态来说 可以分为弥漫星云 行星状星云和超新星剩余物质云 马蹄星云M17 螺旋星云NGC7293 恒星的诞生星际间的云气因为万有引力的关系而互相吸引 使得密度越来越大 而组成云气的物质速度也越来越快 彼此的碰撞也就愈趋频繁 如此一来 整个系统的温度也就越来越高 这时热能的来源是物质之间的万有引力 当这原型星的中心密度与温度高到足以让氢原子核 也就是质子 克服彼此的静电斥力 而聚合在一起产生核融合的反应 一颗恒星就此诞生了 猎户座大星云 星际核合成的氢燃烧在波涛汹涌的最阶段 氢原子之间猛烈撞击 原始风暴轰鸣咆哮 恒星内部的两组核反应维持了恒星的主要能量来源 同时也是维持恒星结构稳定的原因 这三个PP链都只能合成4He 无法形成更重的元素 氢燃烧是星际合成的第一步 所进行的时间也最长 约占恒星整个寿命的90 红巨星第一阶段恒星中心部分的氢用尽了之后 在最中心就只剩下氦原子核了 这个时候 因为中心温度还没有高到可以让氦原子核进一步融合 于是恒星最内部充满了氦的核心部分就进一步由于万有引力的作用而收缩 在此同时 核心的外围仍然继续进行着氢融合成氦的反应 形成一个 壳层燃烧 的现象 在这里我们借用 燃烧 一词来指称核融合反应 我们的太阳在这个时候会变成一个红巨星 某些计算指出 太阳可能会膨胀到像地球公转轨道的范围这么大 也就是直径增大超过现在的100倍 到时候假如我们还在的话 或者假如地球还在的话 太阳将会占去相当大的一部分天空 红巨星 通向重元素的桥梁 氦燃烧当恒星内部温度温度达到2亿度 且密度为102 104克 厘米3时 氦燃烧阶段就开始了 这一阶段主要是是 3 反应 一定会有人问 前面不是讲道7Be的半衰期只有7x10 17秒 极不稳定 这里怎么能作为种子核 继续发生核俘获反应 答案是在红巨星阶段 不仅温度高 更主要的是氦的浓度极高 因此发生 粒子俘获反应的几率亦比宇宙大爆炸和恒星氢燃烧阶段时的高得多 于氢燃烧相比 氦燃烧阶段短的多 只有1千万年至1亿年 第二次红巨星阶段恒星核心的氦终究也有用完的一天 通常这一段核心氦融合的阶段持续不到十分之一的主序星生命期 这时 就像当时离开主序列带一样 恒星的整个体积开始膨胀 而最中心的部分则是一个向内塌缩的碳氧核心 加上外围两圈 氦壳层燃烧 以及 氢壳层燃烧 太阳在这个阶段有可能会膨胀到充满整个火星绕太阳的公转轨道 这是太阳的第二次红巨星阶段 行星状星云低质量的恒星在演化到第二次红巨星阶段时 会散失大量的物质到它四周的空间去 而渐渐裸露出内部的核心 这时的核心主要是高温高密度的碳和氧所组成的 恒星四周的物质被高温的恒星所释放出的恒星风向外推 又接着被高温的热辐射持续照射 因此仍然闪闪发亮 螺旋星云 当人们第一次发现这样的天体时 因为它们在小望远镜里看起来就像木星一样 有个圆盘模样的影像 于是就把它们叫做 行星状星云 而这个名字也就沿用至今 其实它们和 行星 是一点关系也没有的 爱斯基摩星云 白矮星在这个行星状星云的中央位置 我们可以看到有一颗星星 这就是恒星散失外层物质之后 所留下来的裸露核心 这残留下来的星体可说是低质量恒星演化到最后的残骸 这样的星球 因为温度高但体积小 所以叫做白矮星 猫眼星云 天狼星伴星 它是最早被发现的白矮星 密度在10吨 立方厘米左右 是什么力量可以抵挡万有引力让它维持稳定的结构呢 在巨大的压力之下 电子将脱离原子核 成自由电子 这种自由电子气体将尽可能地占据原子核之间的空隙 从而使单位空间内包含的物质也将大大增多 密度大大提高了 形象地说 这时原子核是 沉浸于 电子中 一般把物质的这种状态叫做 简并态 简并电子气体压力与白矮星强大的重力平衡 维持着白矮星的稳定 对单星系统而言 由于没有热核反应来提供能量 白矮星在发出光热的同时 也以同样的速度冷却着 经过一百亿年的漫长岁月 年老的白矮星将渐渐停止辐射而死去 它的躯体变成一个比钻石还硬的巨大晶体 黑矮星而永存 当白矮星质量进一步增大 简并电子气体压力就有可能抵抗不住自身的引力收缩 白矮星还会坍缩成密度更高的天体 中子星或黑洞 而对于多星系统 白矮星的演化过程则有可能被改变 在浩瀚的银河系中 我们发现的半数以上的恒星都是双星体 它们之所以有时被误认为单个恒星 是因为构成双星的两颗恒星相距得太近了 它们绕共同的质量中心作圆形轨迹运动 以至于我们很难分辨它们 这其中包括著名的第一亮星天狼星 天狼星主星天狼A的质量为2 3个太阳质量 其伴星天狼B是一颗质量仅为0 98个太阳质量的白矮星 按照恒星的演化理论 质量大的恒星将很快演化 将首先耗尽其氢燃料 质量小的则有着很长的寿命 而一颗质量小于太阳的恒星从其诞生到白矮星至少要经过长达一百亿年的历史 而天狼星A有2 3个太阳质量 应该比其伴星更快演化 但事实上此星明显正在进行氢燃烧 是一颗完全正常的恒星 质量大的恒星还没有耗尽氢燃料 而质量小的相反却已经耗尽了氢而处于寿命的后期 这种情况不是唯一的 英仙座的大陵五双星及其他很多恒星也有类似情况 这些对双星中都有一颗是白矮星或是中子星 甚至有可能是一个黑洞 一生不离不弃的双星 太阳 我们生命的守护神 最终将会变成这样子的一颗白矮星 白矮星会渐渐冷却 但是因为电子简并压力和温度没有关系 所以它并不会因为万有引力而塌缩下去 它只会一直冷却下去 变得越来越暗 越来越暗 黑矮星 铁核的形成大质量的恒星演化后期 中心的碳氧核心向内收缩时 因为质量够大 内缩的万有引力够强 以致于电子简并的压力不足以抵挡万有引力 核心于是持续收缩 温度升高 直到碳和氧可以进行更进一步的融合反应 形成更重的元素 例如氖和镁 在核心部分 这样的收缩融合 再收缩融合 的过程一直接续发生 直到合成铁为止 该图为很宽质量数范围内的平均核子结合能 清楚地表明 结合能最高的位于Fe Ni区 尤其是56Fe这个偶偶核 56Fe的质子数为26 中子数为30 均为偶数 是最稳定的核 因此 合成Fe Ni区附近的核 56Fe 56Ni等结合能已达最大值的核 再也不能与氦核发生反应了 在这些过程当中 恒星的整个体积也是反复地膨胀与收缩 也因此有很剧烈的质量散失 它们喷发散失了大量的物质 造成这样特殊的景像 而事实上 它们接下来随时可能会发生的 则是更壮烈的事件 超新星爆炸 手枪星 在恒星内部铁核形成之后 并没有进一步的核融合反应可以提供能量来抵挡万有引力的收缩 因此核心密度一再升高 整个核心就像是一个超大的原子核一样 在接下来的某一瞬间 许多电子被质子捕捉 转变成中子 在这一瞬间 核心物质的性质顿时改变 变得坚硬了些 原先在这核心外围一起向内收缩的物质一下子反弹子出来 而把更外围较低密度的物质整个向外炸了开来 这就是超新星的爆炸 超新星爆炸 大质量的超新星爆炸后的核心区元素分布 超新星爆炸除了往外炸开的残骸之外 原先核心部分仍继续向内塌缩 这时有两种可能的情况会发生 核心质量很大的 一般认为大约大于3到5个太阳质量 会一直塌缩下去 变成一种很奇怪的物体 黑洞 而质量较小的 因为万有引力相对地较小 当核心缩小 密度大到中子的简并压力足以抵挡万有引力时 一个稳定的结构就可以形成 因为这样一个星球是由中子简并的压力在支撑着 所以叫做中子星 超新星爆炸 伴随这整个过程的是极大的能量释放 首先是许多微中子带走了绝大部分的能量 而后向外炸开的物质 本身也具有很大的能量 使得这整个星球外围炸开的物质温度增高 且放出大量的光 之所以叫做 超新星 是因为它突然变得很亮 像一颗新出现的星星 并且常常有可能亮到几乎是一整个星系的亮度 在爆炸的那一瞬间 巨大的能量也使得许多比铁更重的元素得以形成 包括许多放射性元素 核结构理论告诉我们 对于轻核 当质子数Z与中子数N之比接近和等于1时 有较高的稳定性 像前面提到的氢 氦 碳 氧等燃烧时 生成量最大的都是Z N为1的核 对于质量数中等的核 因为核内含较多带正电荷的质子 为了保持核的稳定 需要多增加一些中子 以56Fe为例 Z N比值为0 87 这种趋势随原子核质量数的增加而增加 即要求加入越来越多的个子 重元素的合成是通过中子俘获而得到的 那么红巨星爆炸以前有没有合适的中子源呢 在第二代或后代恒星中 会含有一定量的比氦重的核素 例如碳 氖 镁等 他们都有可能俘获氦核并同时放出中子 幻数原子核由质子和中子组成 只有当质子和中子为一组特定数时 原子核才能稳定 这组特定数在物理学上称为 幻数 物理学家M 迈耶和J 詹森1949年因发现幻数为2 8 20 28 50 82 126而获诺贝尔奖 50多年来 物理学中这一幻数系列已成为一个定论 直到两年前 日本理化学研究所的主任研究员谷勇夫发现了新的幻数16 这种定论才被打破 中子星 中子星 中子星的密度为一亿吨 立方厘米 对比起白矮星的几十吨 立方厘米 后者似乎又不值一提了 事实上 中子星的质量是如此之大 半径十公里的中子星的质量就与太阳的质量相当了 同白矮星一样 中子星是处于演化后期的恒星 它也是在老年恒星的中心形成的 但它们的物质存在状态是完全不同的 简单地说 白矮星的密度虽然大 但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内 电子还是电子 原子核还是原子核 而在中子星里 压力是如此之大 白矮星中的简并电子压再也承受不起了 电子被压缩到原子核中 同质子中和为中子 使原子变得仅由中子组成 而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的 可以这样说 中子星就是一个巨大的原子核 中子星的密度就是原子核的密度 狐狸脉冲星 脉冲星脉冲星是在1967年首次被发现的 当时 还是一名女研究生的贝尔 发现狐狸星座有一颗星发出一种周期性的电波 经过几位天文学家一年的努力 终于证实 脉冲星就是正在快速自转的中子星 而且 正是由于它的快速自转而发出射电脉冲 脉冲星 轻元素锂 铍和硼的起源 这三种元素是早期理论面临的一大难题 无论是在宇宙大爆炸还是恒星演化过程中 都不可能形成这些核素 应为它们一旦形成 立即会被质子或氦核触发的核反应所破坏 核散裂反应 X过程 高能质子和氦核撞击星际气体中丰度较高的重元素 例如碳 氮 氧和氖等 将母核打碎 形成一批比母核小几个到一二十个的子核 问题 太阳系重元素的来源既然太阳现在处于主序星阶段 从核反应的历程来看 并没有可能形成重元素 那我们周围的碳 氧都是从哪里来的呢 元素的丰度 为了观察王国的这一高低不平的地势 我们需要从氢 氦的高峰开始 向王国其余起伏不定的较低地势扫视 从氢的高度看 王国的地势几乎是由北向下倾斜的平原 随后朝着铁上升 又向下倾斜直到南部海岸地面 可是当我们踏上锂的领地 缓步向东行进时 地面却极不平坦 那里起伏明显 锂 铍和硼处于低地 然后地势有朝着碳 氮和氧急剧上升 事实上 这3种元素在丰度上仅次于氢和海 再后是稍低一些的山峰 铁 在恒星内部发生热骚动时 原子核稳定性是一个极为重要的问题 只有提供足够的不带电的中子提供强力来源 而不致使电排斥导致原子核分裂时 原子核才能继续存在 当我们慢慢走过王国这些地区时 我们就会注意到 虽然这里的地势朝着铁所在的低矮山丘逐渐上升 却出现了地势有规律的交替现象 例如 在北部海岸 碳 氧和氖是山峰 而氮和氟却是凹陷的地槽 王国地表之所以向沙浪一样起伏 可以从原子核结构的详细情况 特别是从质子和中子的在原子核中堆积的方式来加以说明 如果原子核中的质子与中子都是偶数 那么就能形成特别稳定的堆积模式 其稳定性一定程度上比相邻元素的原子核强 生命是宇宙物质演化高级阶段的产物 这首先就提出了构成生命的基本元素 生命的元素的分布情况 碳