太陽系還有什麼地球上沒有的金屬?

太陽系 地球 氫彈 宇宙 核技術 通閱事 2018-12-17

首先,我們需要知道的是元素週期表中的各種元素都是怎麼來的,以及如何才算做是穩定的元素能夠存在。

按照主流猜想,在宇宙大爆炸後極短的時間內,大量漿糊一般的基本粒子漸漸冷卻並形成了第一批原子。

而組成原子的第一批質子/中子和電子們可選的結合路徑並不多。

1、絕大多數都形成了一個質子和一個電子的氕,少數形成了氘、氚、氦3和氦4,還有極少量的鋰。

2、以當時宇宙的熱度,更重的元素無法形成。而遊離的質子/中子的熱運動速率也不足以突破原子外層。

3、遊離的質子一般都尋找到了一個電子形成了穩定的氫,所以這種最簡單需要能量最低的配對也最多。

4、遊離的中子半衰期只有15分鐘左右,根本撐不到現在。

太陽系還有什麼地球上沒有的金屬?

在此之後的130億年時間內,可以創造新元素的方式只有以下幾種:

1、恆星燃燒。主序星階段恆星自身內部的熱核聚變可以將四個氫合成為一個氦(注意,這裡說的都是原子核,在電漿狀態下電子與原子核是剝離的),這和氫彈中的反應是不同的,主要原因是氫彈無法提供這麼高的熱度,次要原因是氫彈所需的元素更稀有但反應條件更簡單。

在恆心內部的絕大多數氫耗盡後,以當時聚變產生的熱度無法繼續進行接下來的氦聚變,這時恆星就會因為自身引力相對聚變產生的熱運動更大而向內迅速坍縮。這巨大的引力勢能瞬間啟動了氦聚變,恆星再次被點亮(即氦閃),恆星正式走出主序星階段。(從這裡也可以看出,一開始宇宙元素形成階段的溫度遠不如恆星內部聚變溫度)

而在此之後這個過程將視恆星質量大小不斷循環,從氫H到氦He,再到碳C/氧O,再到硅Si等等,最後到鐵Fe。我們親愛的太陽只能到碳氧階段。(需要注意的是,並不是所有Fe之前的二十多個元素都是聚變形成的,恆星內部熱核聚變只形成其中一部分,而剩下的多數是之後過多中子的元素裂變形成的,比如氮N多數是由氧O裂變形成的。)而隨著時間推移,不穩定的元素(半衰期短的同位素)會漸漸衰變,剩下的就是穩定的了。而這些穩定的原子又會互相結合成穩定的分子等等。

這裡需要提到一個詞,比結合能。通俗的理解比結合能越小,聚變形成它就越容易。按照元素週期表的順序,由於原子核增大,中子也增多,各種元素的比結合能是越來越大的。

通俗的講給有高中化學基礎的人來說,就是恆星聚變能夠進行的前提是自身反應放熱,放出的熱量抵抗自身的引力。這一步一步的循環反應放出的熱量越來越少,所以小質量恆星只能到氦,很大質量恆星可以最後走到鐵。而鐵聚變開始是吸熱反應,所以恆星再大其自身引力坍縮也點燃不了鐵聚變。

2、但是!恆星太大的話,在鐵聚變之後的引力坍縮會壓爆原子結構,將電子壓進質子中,形成中子星。這個臨界點叫做“錢德拉塞卡極限”。在這時,突然爆炸般的能量釋放會吹散恆星的外層物質並點燃,形成超新星。吹散的物質中就會開始極其短暫的超過Fe元素的聚變反應。而我們遇到的所有超過Fe的元素都是這樣形成的。(當然,黑洞的形成也有這麼拋射的過程,還有其他的稀有天文現象)同樣,合成的同位素種類多種多樣,能活到我們能見到它的卻不多。

3、最後一種元素合成方式就是人類自己的探索了,元素週期表標紅的都是放射性元素,願往後一般來說半衰期越短。基本上從90多號100來號左右就都是人工合成的了。

所以總結來說,放眼太陽系都算小,放眼宇宙。

能夠合成的同位素數不勝數,地球不會都有;

能夠穩定存在的同位素全宇宙都是,地球理論上都不會缺,只是丰度不同;

地球上人工合成的元素,宇宙不見得沒有,但是基本上都活不到我們能看見它。

以上要是有大的理論錯誤基本上教科書就要重新寫了,要是有小錯誤基本上都是我知識掌握問題,歡迎指正。

補充:

1、為什麼越重的元素越不穩定:

原子核是由質子和中子構成,質子帶正電中子不帶電。把兩個質子粘到一起很不簡單,他們倆互相的斥力會很輕鬆把互相崩飛。這時候需要中子在其中做黏合劑,強相互作用力的力程只夠作用到貼臉的質子/中子,以此形成穩定的原子核。而元素越重,需要的中子就越多,原子核就越冗雜,就越容易裂變。

2、關於地球上的元素丰度。

主要有兩點,地球引力有限,過輕的分子其熱運動就能逃脫地球引力,比如遊離的氫。所以地球上氫氣很少,木星上就挺多。基本上兩倍以上地球質量就可以富集氫了。

還有就是太陽系周圍的元素丰度,這個就沒法細說了,都是太陽系形成之前的事。

3、前邊說的稍微有些文不切題,這裡說一下太陽系中的元素丰度。

太陽,我們親愛的恆星,被認為是宇宙中第三代(也有說第二代的)恆星。按照我之前說的宇宙中元素的形成那裡,可以知道第一代恆星基本全都是氫,而且不乏有很多很多超大質量恆星,這些恆星燃燒極為迅速,幾百萬年上千萬年時間就能迅速走完主序星階段,而這種恆星通常也會最終形成黑洞,同樣也是這種恆星為我們提供了諸如金銀銅這些超鐵元素。

而在太陽系形成之前,太陽系的地方也是一堆漿糊,主要是氫,也有不少其他的元素,不過這裡需要注意的是,這時候的各類元素就不再是單個原子之類的了。各類非氫氦元素就會傾向於與周圍最富集的元素(氫)形成較穩定的化合物。比如碳C會大量形成甲烷CH4,氮會大量形成氨NH3,當然氮氣N2這種雙原子分子也很穩定所以也會有不少,氧由於其活性多形成冰H2O或者各種含氧鹽類化合物(比如岩石中的二氧化硅SiO2,以及各類硅酸鹽)

這時候可能是太陽系中的這些星際塵埃一點點靠引力聚集,也可能是周圍有個超新星爆發造成的引力波動,或者路過了個大恆星什麼的。太陽系這些星際塵埃開始聚集,中心形成了太陽,周邊形成了行星。

和各類勢能的作用一樣,重一些的化合物會更快地墜入引力勢阱,輕一些的化合物在外圍比較多,但是由於到處都是大量的氫,所以氫在哪都不會少。所以岩石為基礎的類地行星在內側,巨星氣態行星和冰巨星在外側。要說太陽剛形成的時候全是氫沒有其他金屬,那是不可能的,但是太陽一旦開始燃燒,其內部就都是等離子態了,有些什麼其實也無所謂了的,雖然從太陽光譜中也是能看出來的。(這裡再補充一下,可以更直觀地瞭解星際塵埃引力坍縮出一個太陽有多難。大概一個大體育場的內部空間那麼多的一個大氣壓的氫氣,差不多應該都彙集到一個乒乓球那麼大,就能靠自身引力啟動氫核聚變了)

也正是太陽在自身引力作用下啟動了氫核聚變,這第一股太陽風把周圍的星際塵埃直接吹散了,所以也就造成了類地行星氫不多的現象,而巨行星由於其自身巨大的引力能夠清理自身軌道同時也能富集氫。

所以出現了以鐵鎳為核心、輕一些的硅酸鹽為外殼的四大類地行星(水星由於各種原因可能外殼被剝離所以鐵核很大很大,而硅酸鹽地殼幾乎沒有)。以氫為主的木星土星,還有甲烷和氨為主的天王星海王星。

後來太陽燃燒穩定了,太陽風也穩定了,就出現了現在這種太陽系內基本上海王星以內“晴空萬里”沒有星際塵埃的狀態。而太陽風吹不太走的基本都留在了太陽系邊緣的奧爾特雲。而太陽風作用的盡頭就是兩個“旅行者號”探測器剛剛越過的太陽系邊界。

所以如果說在太陽系內元素丰度的話,其實最好從化合物角度說,內部的類地行星中相對分子量大的化合物應該會多一些,但是這些行星質量也不大,所以也不見得會有多麼多。外側巨行星由於巨大的質量,同時也會富集各種他能碰到的東西。還有就是類地行星沒有氫其實更主要的是自己吸引不住......╮(╯▽╰)╭

以上第三條補充的部分可能會有一些錯誤,因為關於太陽系剛形成10億年內的所謂“後期重轟炸期”的歷史我不是很瞭解,這段時間由於木星土星的引力共振可能導致了一系列的行星軌道位移現象。

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