为什么第3、4和5号元素在宇宙中非常罕见？

TejUKCJa

如果把元素周期表上的每一个元素按照它们在宇宙中的丰度来排序，结果会出人意料。最常见的元素是氢，其质量大约占了整个宇宙质量的75%。另外大约25%是氦，它们主要产生于热大爆炸的早期阶段，但也产生于包括太阳在内的大多数恒星的氢核聚变。

氧的丰度位列第三，碳位列第四，紧随其后的是氖、氮、铁、镁和硅，这些都是在大质量恒星内部合成出来的。一般而言，重元素很稀少，轻元素很丰富。但有三个例外：分别是3号元素锂、4号元素铍和5号元素硼。这三种元素是元素周期表中第三、第四和第五轻的元素，只比氢和氦更重一些，那么，为什么这些元素在宇宙中非常罕见呢？

原初核合成

在早期宇宙中，由夸克、轻子、光子、胶子和反物质粒子组成的早期宇宙合成出了第一批原子核。在早期宇宙中，光子的能量太高，以至于无法合成出哪怕是最简单的重原子核——氘，由一个质子和一个中子组成。在宇宙大爆炸之后三分钟，随着宇宙膨胀冷却，反粒子湮灭，质子和中子开始融合在一起，光子的能量不足以把原子核撞开，宇宙开始了原初核合成过程。

原初核合成只持续了十几分钟，这奠定了宇宙的物质基础。宇宙的组成包括大约75%的氢，25%的氦-4，大约0.01%的氘和氦-3，以及大约0.0000001%的锂。少量的锂元素早在恒星形成之前就已经存在的，这对我们来说是一件非常非常好的事情，因为锂是地球上许多应用、技术，甚至是人体所需要的重要元素。

恒星的核聚变

然而，一旦宇宙中开始形成恒星，一切都被改变了。一旦温度升高到400万度以上，氢元素就能聚变成氦，我们的太阳目前正经历这样的过程。恒星的核聚变反应改变了宇宙，它们把事情朝着意想不到的方向改变。

恒星从宇宙大爆炸所产生的气体云中形成，它们的核心温度非常高，从几百万度到几亿度。在这种温度下，对于氢元素而言，它们会发生核聚变反应。但对于锂元素而言，这种极高的温度足以使它们爆炸。锂元素一直是宇宙中最难以测量的元素之一，主要是因为当我们现在能够可靠地提取锂元素信号时，宇宙开始时的许多环境已经被破坏了。

宇宙中充满了诸多重元素：碳、氮、氧、磷，以及地球生命所必需的元素，一直到元素周期表中的铀，甚至是更重的钚。那么，为什么就没有方法合成出锂元素呢？

当恒星燃烧完核心中的氢原子核时，氢核聚变就会减慢并停止，从而导致辐射压力降低，无法对抗引力坍缩，使得核心区域会不断收缩。在此期间，恒星内部的温度将会进一步升高。

由氦组成的核心可以达到十分极端的温度，使得氦可以通过3氦过程发生核聚变反应，合成出更重的元素。在像太阳这样的恒星中，最终被合成出来的是6号元素碳。合成更重元素的唯一途径是产生中子，这可以非常缓慢地使元素周期表中的重元素变多。

对于中低质量恒星，一旦氦聚变完全结束，它们的外层就会脱离，形成行星状星云，而核心则会坍缩成白矮星。

但对于大质量恒星，它们核心还能进一步坍缩和升温，从而启动碳核聚变。碳会聚变成氧，氧聚变成氖，氖又聚变成镁，不停地合成下去，硅、硫、氩、钙、钛和铬等元素会相继产生，一直到铁、镍和钴。铁核聚变会吸收能量，导致大质量恒星的平衡被打破，它们将会发生猛烈的超新星爆发。

在超新星爆发的过程中，还会进一步合成出比铁更重的元素。另外，白矮星-白矮星合并或中子星-中子星合并也会制造出重元素。要是没有这些过程，就没有元素周期表中的各种元素，地球生命就不可能会进化出来。

特殊的锂、铍和硼

我们几乎可以解释在宇宙中发现的每一种元素，但锂、铍和硼是个例外。我们所知道的元素合成机制都不能产生铍和硼元素，而且我们所探测到的锂元素丰度不能仅仅用原初核合成来解释。

氢聚变生成氦，氦是2号元素。氦需要三个氦核聚变成碳，碳是6号元素。但如何解释锂、铍和硼的存在呢？

事实证明，没有一种恒星过程能在不摧毁这些元素的情况下，产生足够数量的它们。如果把氢与氦结合在一起，结果会得到锂-5，但它极为不稳定，很快就会衰变。如果把两个氦-4核融合在一起，可以合成出铍-8，但铍-8也十分不稳定，马上就会衰变。事实上，所有质量数为5或8的原子核都是不稳定的。

从与恒星有关的过程中，无法得到这三种元素。然而，锂、铍和硼不仅都存在于宇宙中，而且它们对地球上的生命进化也是至关重要。

锂、铍和硼究竟来自于哪里？

根据目前的推测，这三种元素的存在要归功于宇宙中最高能的粒子来源——脉冲星、超大质量黑洞、超新星、千新星和活跃星系。这些都是宇宙中天然存在的超级粒子加速器，它们会向整个星系的各个方向喷射宇宙粒子，这些粒子甚至有足够的能量来跨越浩瀚的星系际空间。

宇宙粒子加速器发射出去的高能粒子朝着四面八方运动，它们有可能会与其他粒子发生碰撞。如果被撞击的粒子是碳或者更重的原子核，那么，碰撞产生的巨大能量将会引发另一个核反应，重原子核分裂开来，产生一系列低质量粒子。这就像核裂变反应能把重原子分裂成轻原子一样，宇宙射线也会撞开重原子核。

当高能粒子撞击重原子核时，巨大的原子核会分裂成各种各样的粒子。这种过程被称为散裂，它是锂、铍和硼的主要形成来源。锂、铍和硼是宇宙中仅有主要依靠散裂过程形成的元素，它们不像其他重元素那样依赖于与恒星有关的过程。

由于锂、铍和硼的产生依赖于高能粒子在宇宙中的偶然碰撞，这使得它们的丰度非常低，只有碳、氧和氦的十亿分之一。虽然这些元素在宇宙中非常稀少，但它们是地球生命不可或缺的元素。

原文地址：今日头条

彭832

氢和氦就占了100％了？

笑看人生458

里皮被国足气死了

eMzRsGiW

所以硅基生命可能性小

王建新1

歪个楼，很好奇诸如“在宇宙大爆炸之后三分钟”和“原初核合成只持续了十几分钟”等关于宇宙大爆炸初期时间点的描述依据是怎么来的，相对论条件下相对于高速膨胀的宇宙这个时间是基于什么条件定的呢？T0时时间空间都为0，大爆炸后不同维度空间的时间还是相等的吗？