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2019-06-02元素從何來? 宇宙元素編年史 594 期

Author 作者 陳衍達/污毒鴨鴨,害怕與人打交道卻又放不下社會中的不公不義,熱愛環境和生物的化學系叛逃者。

元素的起源

物質的變化自古以來便吸引著人們,在元素概念尚未啟蒙的年代,人們看到物質型態的改變獲得啟發,並嘗試將常見的物質轉變成貴金屬或丹藥等,是為煉金術 (alchemy)。後續原子說與元素週期表等概念被提出後,化學(chemistry)漸漸自煉金術中獨立出來;而不同元素間的轉變則要至 20 世紀,人們開始有能力執行核反應後才化為可能。核反應分成核融合(nuclear fusion)與 核分裂(nuclear ssion),儘管兩者人類都已經做得到, 但目前只有核分裂能穩定地使用在核電廠、核子動力潛艇的電力∕動力設備及醫療用途等。

起點:大霹靂

把目光轉向宇宙,星體間進行核融合的歷史已超過 100 億年,幾乎等於宇宙歷史,而這一切都得從宇宙的起源 ──大霹靂(Big Bang)說起。在大爆炸發生的瞬間,極高的能量密度讓宇宙迅速膨脹,過程中產生物質及反物質,不過,此時元素的基本單位──原子尚未誕生。經過幾分鐘,基本粒子(夸克、膠子等)生成後才有質子(電 離的氫原子)和中子,然後是約占 25% 的氦及一點點氘, 外加很微量的鋰(lithium, Li)。

最初也最熱門的反應:質子-質子鏈

漫長的等待中,雖然物質組成單調,但它們並沒有閒著。 瀰漫於虛空中的部份氫和氦元素受重力吸引逐漸聚集成雲團,並收縮成星體。在收縮的過程中,重力位能一部分以輻射形式散失掉,另一部份轉為熱能讓星體的溫度大幅上升。最先被點燃的是氫,此時氫在先前的升溫中已游離成質子,接著經過一系列核融合反應形成氘、氦- 3 與氦-4。爾後,在反應溫度夠高的狀況下,氦-3 和氦- 4進一步透過反應形成少量的鋰- 7及非穩定態的鈹- 7 (beryllium-7, Be)、 鈹- 8 和 硼- 8(boron-8, B), 最後裂解為氦- 4,絕大部分穩定的鋰、鈹和硼元素,最主要是碳- 12 被帶有高能質子的宇宙射線撞擊生成。這 一系列反應由於最早由質子啟動,稱為「質子-質子鏈 (Proton-proton chain reaction,圖一)」。由於氦的每個核子平均結合能(Binding energy per nucleon)為 7.07 百萬電子伏特(MeV),所以質子-質子鏈透過將氫融合成氦- 4 的淨反應會產生大量的能量;除了能啟動更多核融合反應,也是讓大部分恆星持續發光的主因。

圖一:質子 - 質子鏈反應。首先由 2 個氫原子核融合為氘,1 個質 子釋放出 1 個正電子和一個微中子成為中子,氘再和另一個氫原子 合成氦同位素氦 - 3,最後再與另一氦 - 3 形成氦同位素氦 - 4。

核融合形成更重的元素

除了上述的質子-質子鏈,宇宙中大部份的恆星因為內部含有先代恆星所產生的其他較重元素,例如碳、氧和 氮等,可以透過多個複雜的質子捕捉過程,最後吐出一 個氦- 4 變回原狀,而放出能量。由於反應中,碳、氧和氮就如同催化劑重複參與反應,稱為碳氧氮循環(CNOcycle),當中除了將氫變成氦的淨反應可以產生大量的 能量,也會產生如氟等其他少量元素。

在氦元素形成後,因為氫燃料的耗盡,恆星經過一段收 縮及升溫過程而啟動氦融合反應,儘管2個氦- 4融合 成不穩定的鈹- 8,但仍有一定的機率在鈹- 8 裂解之前多捕捉幾個氦- 4 形成碳- 12,並進一步形成氧- 16 甚至氖 - 20(Neon-20, Ne), 即氦融合(helium fusion)反應。......【更多內容請閱讀科學月刊第594期】