锂、铍、硼｜大爆炸和恒星聚变不能产生的元素，它们从何而来？|丰度|大爆炸|太阳|夸克|恒星

环顾四周，放眼世界，你会惊讶地发现，无论是自然存在还是由人类的双手创造，我们世界的事物充满了复杂性和多样性。

所以从古希腊的哲学家到近代物理学，人类戴上思维的帽子去研究和透视世间万物，从土、水、气、火，四大元素到原子再到夸克，我们人类发现在基本层面上，一切都是由相对简单的基本粒子构成的。但基本粒子组合在一起的方式是如此的复杂和多样，以至于可能的组合可以产生看似无限的结果。今天我们就聊下三种元素：锂、铍、硼的身世之谜？大爆炸和恒星聚变都不能产生这三种元素，那我们地球上的锂、铍、硼从何而来？

万物的基本构成

在最小尺度上，物质主要由夸克和胶子组成，它们占我们这个世界上所有相互作用的物质质量的99.96%。但是夸克和胶子不能自由存在，我们目前只发现它们以两种形式结合在一起形成:质子和中子。

虽然单个自由中子不稳定（半衰期大约为10分钟11秒，衰变为一个质子，并释放一个电子和反电子中微子），但我们发现质子和中子结合在一起可以形成了大量稳定组合，这样就形成了我们熟知的庞大原子核群体。然后给每个原子核加入足够的电子，我们就得到了中性原子。

正是这些中性原子构成了我们所熟悉的宇宙中所有物质的组成元素。包括从单个原子到简单分子到复杂大分子和分子链的一切，一直到细胞器、细胞、特殊器官和整个功能生物体。

地球上发现的所有物质都是由上图中相对较少的元素构成的。事实证明，从元素1(氢)到包括元素92（铀）在内的大部分元素在地球上都是自然存在的，但有两个例外:元素43(锝)和元素61(钷)，因为这两种重元素具有各种形式的放射性，半衰期比地球的年龄要短得多。

宇宙中缺失的锂、铍、硼

当我们深入太空，深入星际气体云，深入恒星形成区域、深入恒星表面和超新星残骸的中心，我们就能了解在宇宙和星系中元素存在的普遍性。我们发现，在地壳上发现的元素并不能很好地反映宇宙中不同元素的真实丰度，但是我们在太阳中发现的元素丰度却非常接近。我们可以通过观察太阳的吸收光谱来判断，并确定存在哪些元素以及它们的比例。

如果我们绘制出太阳系中所有不同元素的丰度图，我们得到了以下的一个趋势，其中存在一些起伏，但是整体趋势呈现出一条曲线，最轻的元素是最丰富，而较重元素的丰度随着元素周期表越往下走，会逐渐减少。下图：

如果你仔细端详上图，你就会发现元素周期表上的三、四、五元素:锂、铍和硼的丰度有点诡异，它们的丰度似乎不符合普遍的规律。这三种元素在太阳(或任何恒星)中实际上很少存在甚至是不存在的，与其他轻元素相比显得含量很低。

从另一方面来说，锂和硼对人类有生物作用，硼是所有植物细胞壁中所必需的元素!这三种元素的起源不同于元素周期表中的其他元素。

宇宙中元素的起源，主要是氢和氦

大爆炸初，宇宙中没有元素，只是夸克、胶子、电子、中微子、辐射、不稳定粒子和反物质的热混合物。然而，随着宇宙的膨胀和冷却，不稳定的粒子逐渐衰变，反物质与物质一起湮灭(当时物质只多了十亿分之一)，夸克和胶子凝聚成质子和中子。这时宇宙的的温度还是过高，质子和中子无法融合，它们刚一发生作用会立即被热辐射炸开。下图：

随着宇宙的膨胀和冷却，辐射能量再也无法阻止原子核的形成，于是宇宙中最轻的元素（氢、氦、一些同位素和少量的锂）就诞生了。通过对宇宙早期元素的直接观测，对原子核光子比的了解(来自微波背景)，以及对核合成的理论理解，可以看到这和我们对宇宙早期元素形成的预测非常吻合。

宇宙一开始只为我们提供了前两种元素，那么剩下的元素呢?

剩下的元素都是在恒星的核心完成的，在恒星核心经历核聚变之后，宇宙有138亿年的时间来创造其他元素。在主序星的核心，氢聚变成氦，如果恒星的质量足够大(太阳也是)，氦将继续聚变成碳、氮和氧。

在质量更大的恒星中，碳可以继续融合成较重的元素（氧，硫和硅），最终会在恒星中留下铁，镍和钴的重元素核心，这时这颗恒星将在短时间内变成超新星，产生大量更重的元素并将这些物质抛洒到宇宙空间中，最终这些物质会在重力作用下形成行星。

随着时间的推移，不稳定的重元素会衰变成其他元素，而铀的半衰期和地球年龄相当，这就是为什么铀是当今地球上自然存在的最重元素。

细心的你肯定发现了一个问题，在恒星的核聚变中，我们直接说从氦到碳，跳过了三个中间元素。如果在一颗恒星中放入锂、铍或硼，恒星的高压和高温会破坏这些元素，把它们分解成氦、氢，和中子!

那么锂、铍、硼从何而来呢?

它们来自在宇宙中以接近光速飞行的自然加速粒子:宇宙射线!这些高能质子和原子核(偶尔还有电子)是由超新星、活跃的星系、可能还有中子星和黑洞产生。