核聚變是指由質(zhì)量小的原子,主要是指氘或氚,在一定條件下(如超高溫和高壓),發(fā)生原子核互相聚合作用,生成新的質(zhì)量更重的原子核,并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量,原子核的變化(從一種原子核變化為另外一種原子核)往往伴隨著能量的釋放。 正午時(shí)分,當(dāng)我們?cè)趹敉鈺r(shí)會(huì)感受到熾熱的陽(yáng)光,炎熱而刺眼,甚至把生雞蛋打在陽(yáng)光照射后的金屬上,過(guò)不了多一會(huì)兒,雞蛋就熟了。這種光和熱的能量就是來(lái)自高懸頭頂?shù)奶?yáng)內(nèi)部所發(fā)生的核聚變,而這些能量卻是一千萬(wàn)年前從太陽(yáng)核心發(fā)出的,并經(jīng)過(guò)了8分鐘才到達(dá)地球。 不斷聚變的太陽(yáng) 太陽(yáng)中心溫度可達(dá)1500萬(wàn)攝氏度,壓力相當(dāng)于3000億個(gè)大氣壓,在巨大的壓力下,太陽(yáng)每秒鐘使用6億噸的氫原子參與聚變,其中有400萬(wàn)噸的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為能量,隨時(shí)都在進(jìn)行著四個(gè)氫核聚變成一個(gè)氦核的熱核反應(yīng)。 在核聚變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中,兩個(gè)氫原子核(質(zhì)子)聚合,放出一個(gè)中子和一個(gè)中微子,生成一個(gè)氦2核。氦2核再與一個(gè)氫原子核反應(yīng),放出一個(gè)γ光子,生成一個(gè)氦3核。兩個(gè)氦3核聚合,生成一個(gè)穩(wěn)定的氦4核,同時(shí)放出兩個(gè)質(zhì)子。整個(gè)過(guò)程中,四個(gè)氫核聚合,生成一個(gè)氦4核,同時(shí)放出兩個(gè)中子、兩個(gè)中微子和兩個(gè)γ光子。太陽(yáng)向外釋放的能量,絕大部分由γ光子攜帶。 在太陽(yáng)核心深處高能量下,氦-3可以與一個(gè)已經(jīng)存在的氦-4合并,生成鈹-7。本來(lái)鈹-7會(huì)找到一個(gè)質(zhì)子生成硼-8;然而,由于它不穩(wěn)定,還沒(méi)來(lái)得及反應(yīng),首先衰變?yōu)殇?7。在我們的太陽(yáng)中,通常先發(fā)生衰變,然后再加上一個(gè)質(zhì)子,產(chǎn)生鈹-8,鈹-8立即衰變?yōu)閮蓚€(gè)氦-4核,這個(gè)過(guò)程生成的氦-4大約占太陽(yáng)氦-4總量的14%。 但在質(zhì)量更大的恒星中(例如:O、B級(jí)恒星),質(zhì)子與鈹-7的聚變發(fā)生在衰變?yōu)殇囍埃膳?8,硼-8首先衰變?yōu)殁?8,然后衰變?yōu)閮蓚€(gè)氦-4原子核。這個(gè)過(guò)程在類太陽(yáng)恒星中并不重要——只占氦-4總量的0.1%,但在巨大的O類和B類恒星中,這是產(chǎn)生氦-4最重要的聚變反應(yīng)。 人工可控核聚變裝置 目前人類引發(fā)核聚變的手段,主要靠提高溫度,在所有核聚變當(dāng)中,氫元素的核聚變反應(yīng)所需溫度最低,其中又以氘-氚的聚變最容易實(shí)現(xiàn)。 元素初級(jí)“加工廠” 耐心看完上面大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么? “氫-氦-鋰-鈹-硼” 是的正是我們中學(xué)化學(xué)里的元素周期表的開(kāi)始順序! 當(dāng)恒星內(nèi)部溫度上升到1億度時(shí),氦元素將發(fā)生聚變,生成更重的元素,聚變過(guò)程也更加復(fù)雜,產(chǎn)物主要以碳和氧為主,還有一些氖元素等等。 當(dāng)恒星內(nèi)部溫度達(dá)到8億度后,碳元素開(kāi)始聚變;達(dá)到15億度后,氖元素開(kāi)始聚變,達(dá)到18億度后,氧開(kāi)始聚變;其產(chǎn)物主要是硅元素,其他還有鈣、硫等等元素。 太陽(yáng)光球?qū)?/p> 對(duì)于大質(zhì)量的恒星,在演化末期溫度會(huì)變得極高,最終將引發(fā)硅元素的聚變反應(yīng),其產(chǎn)物主要是鐵,一旦恒星內(nèi)部有鐵元素生成,就意味著恒星的末期快到了,此時(shí)恒星變得極不穩(wěn)定。 恒星的一生 例如我們太陽(yáng)系“隔壁”的比鄰星,其實(shí)就是一顆質(zhì)量很低的紅矮星,這種恒星就只能將氫聚變成氦,而像太陽(yáng)這種黃矮星,也好不到哪里去,終其太陽(yáng)的一生,它最多也就只能聚變出原子序數(shù)為8的氧元素。 聚變與裂變的分界點(diǎn)-鐵元素 每一次生成新的物質(zhì),都伴隨著恒星形態(tài)的一種變化。一直到核聚變生成鐵元素之后,核聚變就會(huì)停止。這是因?yàn)殍F-56的比結(jié)合能是原子當(dāng)中最高的,這也讓鐵失去了發(fā)生核聚變的可能性。 只有那些質(zhì)量足夠大的恒星(10倍太陽(yáng)質(zhì)量),其核心才有能力啟動(dòng)一輪又一輪的核聚變反應(yīng),進(jìn)而制造出越來(lái)越重的元素,然而就算是這樣的恒星,也不可能聚變出宇宙中已知的所有元素,因?yàn)楹阈堑暮司圩兊搅嗽有驍?shù)為26的鐵元素就會(huì)終止了。 鐵元素 這是因?yàn)?,鐵原子核特別穩(wěn)定。意思是說(shuō):如果你想掰開(kāi)一個(gè)鐵原子核,是需要能量的,我們管這個(gè)叫做比結(jié)合能,而在整個(gè)元素周期表中,想要掰開(kāi)鐵原子核是最難的,因?yàn)殍F原子核是比結(jié)合能最高的原子核。 科學(xué)家發(fā)現(xiàn),在大自然中,原子序數(shù)在鐵之前的元素原子核都可以聚變成原子序數(shù)更高的元素原子核,并且釋放出大量能量,這就是核聚變反應(yīng),氫彈就是這個(gè)原理。而比鐵原子序數(shù)更高的元素原子核有裂變的傾向,更容易通過(guò)核裂變使得自身的原子序數(shù)降低,并釋放能量,原子彈就是這個(gè)原理。 鐵元素是比結(jié)合能分界點(diǎn) 唯獨(dú)鐵原子核,你要讓鐵原子核再發(fā)生核聚變反應(yīng),條件是十分苛刻的,而且最后發(fā)生反應(yīng)所需要的能量,比核聚變后產(chǎn)生的能量還多得多。核聚變是在釋放能量,只有到了鐵原子核這里,如果要發(fā)生聚變需要吸收非常大的能量,變成了一個(gè)入不敷出的過(guò)程,這就使鐵原子核成為了最穩(wěn)定的元素原子核。 不僅如此,那些最終可以走到鐵元素原子核的核聚變反應(yīng)的恒星,一般都是質(zhì)量大于10倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星。這時(shí)候的恒星叫做:巨型洋蔥頭恒星。 其實(shí)是這樣的,由于原子序數(shù)的上升,元素發(fā)生核聚變反應(yīng)的條件就會(huì)變得艱難,氫核聚變反應(yīng)只需要1000萬(wàn)度,而到了氦核的核聚變反應(yīng)需要2億度,而生成鐵原子核的核聚變呢?則需要30億度!這和宇宙大爆炸時(shí)的溫度相當(dāng)。 重元素生產(chǎn)線“中子俘獲” 鐵元素是核聚變的終點(diǎn),那鐵以后的元素是如何產(chǎn)生的?反正想通過(guò)核聚變是不可能了。另一條實(shí)現(xiàn)路徑叫做“中子俘獲”。 顧名思義,“中子俘獲”就是原子核俘獲了中子,為了方便理解,我們可以把原子核想象成一個(gè)“貪食蛇”游戲,在有中子輻射的環(huán)境中,這些貪食蛇就有可能會(huì)“吃掉”一些送上門(mén)來(lái)的中子,不過(guò)它們的“消化能力”有大有小,有的可以連“吃”好幾個(gè)中子都無(wú)所謂,而有些只“吃掉”一個(gè)中子就會(huì)“消化不良”。 貪食蛇”游戲 舉例說(shuō)明,比如說(shuō)一個(gè)鐵-56原子核“吃掉”了一個(gè)中子,它就變成了鐵-57,由于鐵-57是穩(wěn)定同位素,因此它就沒(méi)事,在接下來(lái)的時(shí)間里,如果它再“吃掉”一個(gè)中子,它就變成了鐵-58,這還是穩(wěn)定同位素,所以它仍然無(wú)所謂。 如果它再“吃掉”一個(gè)中子的話,它就變成了不穩(wěn)定的鐵-59,于是它就“消化不良”了,在這種情況下,鐵-59的原子核就會(huì)發(fā)生β衰變,在這個(gè)過(guò)程中,其原子核內(nèi)的一個(gè)中子會(huì)衰變成一個(gè)質(zhì)子,并釋放出一個(gè)電子和一個(gè)反中微子,其原子序數(shù)就會(huì)加1,然后就變成了鈷-59原子核。 以上所述的這種“中子俘獲”通常發(fā)生在恒星的內(nèi)部,由于恒星內(nèi)部的中子輻射相對(duì)很弱,其產(chǎn)生重元素的效率就相對(duì)很低,所以這也被稱為“慢中子俘獲”。 宇宙中有“慢中子俘獲”,當(dāng)然也有“快中子俘獲”,實(shí)際上,在宇宙中已知的所有比鐵更重的元素中,“慢中子俘獲”的貢獻(xiàn)其實(shí)并不大,而真正大量產(chǎn)生這類元素的,正是“快中子俘獲”。 宇宙極端事件 宇宙極端事件包括超新星爆發(fā)、中子星碰撞等。當(dāng)宇宙中發(fā)生超新星爆發(fā)、中子星碰撞這樣的高能事件時(shí),會(huì)在短時(shí)間內(nèi)形成中子輻射極強(qiáng)的環(huán)境,其數(shù)量級(jí)可以高達(dá)每秒每立方厘米100萬(wàn)億億個(gè)中子之多。 在中子密度如此之高的環(huán)境中,就會(huì)發(fā)生“快中子俘獲”,較輕的原子核會(huì)“大吃特吃”,然后就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“消化不良”,于是它們就發(fā)生各式各樣的衰變,當(dāng)一切平息之后,大量的比鐵更重的元素也就在宇宙中出現(xiàn)了。比如我們佩戴的銀飾,黃金等。都可能來(lái)自某次高能宇宙事件。 黃金在地球上的分布并不算少 超新星爆發(fā)是人類已知可以產(chǎn)生重元素的唯一方式,但宇宙中的重元素資源卻非常豐富,比如我們地球上的銅、鋅、鉛等,因此科學(xué)家懷疑宇宙中還有其他方式產(chǎn)生重元素,或者在宇宙大爆炸時(shí)期,這些重元素就已經(jīng)形成了。 超新星爆發(fā)示意圖 人體元素構(gòu)成 人體內(nèi)化學(xué)元素的排序由高到低:氧、碳、氫、氮、鈣、磷、硫、鉀、鈉、氯、鎂、鐵、銅、碘、錳等。根據(jù)含量,習(xí)慣上分為常量元素和微量元素兩大類。 有11種主要元素。它們的名稱和含量分別是:氧65.00%、鈣2.00%、鈉0.15%、碳18.00%、磷1.00%、氯0.15%、氫10.00%、硫0.25%、鎂0.05%、氮3.00%、鉀0.35%。 此外,構(gòu)成人體的元素有40多種,其總量不到人體質(zhì)量的0.05%。因此,這些元素被稱為人體內(nèi)的微量元素。人體所需的微量元素 人體必需的微量元素有八種,包括碘、鋅、硒、銅、鉬、鉻、鈷、鐵。 梵觀點(diǎn):在我們身體里流淌的血液中,和我們身體里,都有這個(gè)宇宙所發(fā)生的極端事件所產(chǎn)生的元素存在,某種意義上,我們的生命透過(guò)這些物質(zhì)穿越了宇宙開(kāi)始的時(shí)候。 |
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