元素周期表上的元素从何而来？|中子星|元素|宇宙|恒星|白矮星|粒子

元素的旅程始于大爆炸的最初时刻，当时我们的宇宙只有几秒钟到几分钟的历史。

大爆炸模型认为一场剧烈的爆炸产生了现在的宇宙。(Image credit: Getty images图片来源：盖蒂图片社)

我们都知道宇宙包含大量的元素，从很轻的气体（如氦气）到很重的金属（如铅）。但是所有的元素都是从哪里来的呢？

元素的旅程始于大爆炸的最初时刻，当时我们的宇宙只有几秒钟到几分钟的历史。当时，整个宇宙被塞进了一个比今天小数百万倍的体积中。由于密度高得令人难以置信，宇宙中所有物质的平均温度远远超过十亿度，这足以发生核反应。事实上，它是如此之热，以至于即使是质子和中子也无法作为稳定的实体存在。相反，宇宙只是一片更基本的粒子的海洋，称为夸克和胶子，在原始等离子体状态下沸腾。

但宇宙不会长期保持这种状态。它正在膨胀，这意味着它也在冷却。最终，夸克可以结合在一起形成第一个质子和中子，而不会立即被摧毁。质子比中子略轻，这使它们在粒子产生的初始阶段具有优势。宇宙诞生了几分钟后，它就由于温度较低而无法产生新的质子和中子。因此，这些重粒子是宇宙制造的唯一一批粒子（除了未来罕见的高能相互作用）

当重粒子最终形成后，大约每个中子会伴随有六个质子。这些中子本身并不稳定;它们的半衰期约为 880 秒。随即，一些中子开始衰变，而尚未衰变的中子开始与质子结合形成第一批原子核。在所有轻元素中，由两个质子和两个中子组成的氦-4具有最大的结合能，这意味着它最容易形成，最难分解。因此，几乎所有这些中子都用于生产氦-4。

通过这样的计算，宇宙学家可以预测，宇宙开始时大约有75%的氢（这只是一个裸露的质子）、25%的氦和少量锂的混合物——这正是天文学家观察到的。

恒星核聚变合成

元素出现的下一阶段必须等待第一代恒星，直到大爆炸后数亿年才开始发光。恒星通过核聚变为自己提供动力，将氢转化为氦。这个过程会留下一点点能量。但是恒星有如此多的氢气，它们可以燃烧数十亿年，有时甚至是数万亿年。

在生命的尽头，像太阳这样的恒星转而核聚变氦，在它们作为行星状星云死亡之前将其转化为碳和氧。这就是为什么碳和氧在宇宙中如此丰富的原因;继氢和氦之后，它们是最常见的元素。事实上，氧是地球上最常见的元素，尽管它大部分与硅酸盐结合形成你脚下的土地。

质量更大的恒星——那些质量至少是太阳八倍的恒星——在其核心中融合了更重的元素。特别是在它们生命周期的最后几周、几天甚至几个小时里，宇宙中质量最大的恒星会产生氮、氖、硅、硫、镁、镍、铬和铁。

这是恒星内元素形成的终点——它们强大的能量能够产生较重的元素，但要形成任何一种高于铁的元素会消耗能量，而不是产生能量，因此这些更重的元素很少出现在大质量恒星的核心中。

元素周期表中比铁重的元素是在恒星死亡时产生的，它们通过各种迷人、复杂和壮观的方式产生。较小的恒星慢慢地将它们核反应区中的物质向外喷射，这些物质将喷洒到它们的恒星系统中。较大的恒星将会产生超新星爆炸。这两种死亡都会留下残余——小恒星会留下白矮星，白矮星几乎完全由碳和氧组成；较大的恒星会留下令人难以置信的致密中子球，称为中子星。