宇宙中的氫是從哪里來的?
構成氫需要哪些條件?
要了解這個問題,我們就得先從氫原子自身出發,仔細研究一下要構成一個氫原子需要具備哪些條件。目前來說,根據原子模型,我們知道,氫原子是由一個電子和一個原子核構成的,而原子核內有一個質子。
但這還沒完,根據粒子物理標準模型,質子還是可以再分的,質子是由夸克構成的。
一共是三個夸克,分別是2個上夸克和1個下夸克,其中上夸克帶2/3個電荷,下夸克帶-1/3個電荷。因此,質子的電荷為:2/3+2/3-1/3=1。
但其實這里還有一個問題,那就是夸克為什么可以構成質子,這就要提到強相互作用了。
傳遞強力的是膠子,用來把夸克束縛在一定范圍內。夸克只要距離越遠,強相互作用就會越強。因此,夸克其實有點類似于被關了監獄一樣,被困在之子中。這也被稱為夸克禁閉。
除此自外,我們在描述一個粒子時,常常會用到三個物理量,分別是電荷,自旋和質量。對于質子的自旋,目前還沒有完全搞清楚原理。而質子的質量,99%來自于強相互作用產生的能量(根據愛因斯坦質能方程E=MC^2,質能等價,可以換算成質量。),而1%來自于夸克的質量。而根據希格斯機制,夸克的質量來自于希格斯場,希格斯玻色子則是希格斯場的振動。所以,最后,我們可以來總結一下:構成一個氫原子需要:
夸克電子傳遞強相互作用的膠子希格斯場(希格斯玻色子)粒子的起源所以,其實科學家通過粒子物理標準模型將四大作用力中除了引力之外的三種力統一了起來。而傳遞這些里的是基本粒子,這一類粒子也被稱為玻色子。而構成物質的粒子則叫做費米子。
所以,產生氫元素的問題在這里轉換成了尋找基本粒子起源的問題。而這個問題,其實要從宇宙大爆炸說起。話說在138.2億年前,發生了宇宙大爆炸。
在大爆炸第一秒內發生了許許多多的事情。一開始宇宙開始降溫,空間距離膨脹,四大作用力逐漸分解開來。此時,宇宙出現了各種基本粒子,其中就有夸克和膠子、電子、希格斯玻色子。
后來各種基本粒子在希格斯場中獲得了質量,而在膠子的作用下,出現可“夸克禁閉”,也就是說形成了質子。質子中1%的質量來自于夸克和希格斯場的相互作用,99%的質量來自于強相互作用。
但是,此時的溫度還很高,還是等離子體。隨著溫度進一步的下降,大概在宇宙大爆炸之后的38萬年后,電子和原子核結合成為原子。
因此,其實宇宙開始初期,宇宙中主要的元素就是氫元素,占比達到了70%多,其次是氦,其他元素還不到1%
其他元素除了氫元素之外,其實其他的元素是在恒星內部合成的,所以恒星也叫做元素煉丹爐。具體來說,就是恒星的主要分成是氫元素和氦元素。然后恒星的核心發生著核聚變反應。這個核聚變反應有兩條路徑:質子-質子反應鏈和碳氮氧循環。
結果就是,4個氫融合成1個氦-4。發現沒有?這時候順位就提高了。所以,恒星其實一直都在煉“元素”,往原子序數高了反應。
但并不是說,可以一直反應下。由于鐵的比結合能很高,意思是核聚變產生所需要的能量比反應輸出的能量還要大,也就是入不敷出的,大多數的恒星都停在了鐵元素之前。如果,質量還特別大,有可能會產生超新星爆炸,這時候就可以合成鐵之后的元素。
我們地球上的元素就屬于順位很高的那種,就拿木星來說,它成分其實和太陽很像。所以,科學家認為,在太陽系周圍曾經發生了超新星爆發,而地球和地球上所有的東西,都是那一場超新星爆炸帶來的留下來的殘渣。
最后,總結一下,氫元素是宇宙大爆炸早期留下來的。而更高順位的元素需要依賴于恒星和超新星爆發。