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《研炭翁说碳》(五):碳从哪里来?

时间:2020-06-30   作者:王茂章/文;郭晓倩/编辑   

世间万物都在运动变化,都有各自的起源和演化规律,碳元素也不例外,也在不断演变和进化,也有其起源和演化的规律。

那么碳是从哪里来的呢?


早在1886年,英国著名科学家克鲁克斯曾发表了一篇论文《元素的产生》,提出所有的元素都是由一种原始物质逐渐凝聚而成的。1932年匈牙利天文学家勒梅特首次提出宇宙大爆炸概念。他根据任何事物都是从简单到复杂的规律,认为整个宇宙最初是聚集在一个原始原子中,后来发生了大爆炸,碎片向四面八方散开,形成了现代的宇宙。1956年,美国科学家尤里首先发表了在宇宙间元素分布的数据,发现氢最多,氦次之,再次为碳、氮、氧,并且某一元素随其原子量的增加而迅速减少,但到了铁时又会突然增多,而比铁原子量更重的元素则又逐渐减少。1948年,美籍俄国天体物理学家伽莫夫考虑到,如果按照爱因斯坦的广义相对论的理论再加上一些原子的反应过程,就有可能推算出宇宙的演化历史。伽莫夫和他的学生阿尔文及朋友贝瑟一起将他们的论文《化学元素的由来》投给著名的刊物《物理学评论》,这篇文章最后按照三位作者名字第一个字母的希腊文读音,被称之为αβγ理论。这一文章在勒梅特想法的基础上,完整地提出了他们的大爆炸宇宙模型,提出宇宙起源于大约150亿年前一次巨大的爆炸,由最早时期温度极高且密度极大,体积极小的一个奇点迅速膨胀而形成,是一个由热到冷、由密到稀不断膨胀的过程,犹如一次规模极其巨大的超级大爆炸。根据天文观测和爱因斯坦的相对论,现代天文学界和物理学界都一致认同宇宙诞生的大爆炸理论。20世纪60年代,这个预言果然被天文学家在对宇宙进行观测后证实,这也就使大爆炸宇宙模型成为宇宙学界的标准模型。它与粒子物理学中的夸克模型、生物学中的DNA双螺旋结构模型和地质学中的板块模型一起,并称为20世纪科学界最著名的四大科学模型


在此基础上,1954-56年间福勒(Fowler)与伯比奇夫妇 (E. M. BurbidgeG. R. Burbidge) 以及霍伊尔 (F. Hoyle) 合作,对恒星中的核反应进行了一系列的研究。1957年,他们全面阐述了恒星中化学元素的核合成,在《现代物理评论》上发表了后来简称为B2FH(四作者名的第一个字母)理论的著名论文。该论文指出了恒星的演化方向以及与恒星演化各阶段相应的8种核合成过程,提供了计算恒星内部结构的客观基础,阐明了超新星爆发和大质量恒星演化的关系。


近年来美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)向天文学家提供了新的数据,证实大爆炸理论的正确性,它已探测到137亿年前大爆炸后40万年所形成的余辉,发现约40亿年后第一代星球的生成。

WMAP探测到的宇宙膨胀过程


因此,根据最近标准宇宙论模型以及B2FH理论,比较一致的认为是:宇宙是在不断地进行膨胀和收缩循环,既没有开始,也没有结束,我们处在的这一轮循环是大约137亿年前由收缩到非常致密的小质点爆炸后产生的。大爆炸后的极短时间内(10-30秒)宇宙便加速暴胀,目前正处于缓慢膨胀的初期,仍在继续膨胀。在爆炸后的百万之几秒,温度达1千亿度(1011K),形成一种超炽热、极致密、由一些被称为夸克(quark)和胶子(gluon)的粒子组成,它们四处游荡,横冲直撞。随后少量的电子、光子和其他较轻的基本粒子又参加进来。这时混合物的温度可高达上万亿,比太阳核心还要炽热10万倍以上。但是,温度会随着宇宙的膨胀而直线下降,就像今天一团普通气体在迅速膨胀时会冷却一样。夸克和胶子的速度也大为减慢,以致其中一部分开始能暂时地粘连在一起。随着宇宙的膨胀,当其冷却至1百亿度时,夸克通过胶子传递的强作用力组成亚原子粒子质子和中子,后者又进而形成原子核。当电磁力起作用时,原子核捕捉电子后形成一些最轻的氢和氦原子,这一过程仅三分钟。在大爆炸10亿年后,宇宙冷却到4000K时,最初形成的氢、氖、氦等元素组成原始星际物质,靠引力收缩形成原始恒星团块,此时温度又逐渐升高,当温度达到700K时,原子中电子脱除,仅剩原子核,高温高压下它们因热运动碰撞,两个轻原子核熔合在一起成为一个重原子核。在温度为1101110K的恒星中,主要产生质子-质子热核反应,氢核聚变转化为氦。当恒星中心温度和压力提高至氦被点燃时,氦芯收缩而外层膨胀和冷却,变成了红巨星。按照B2FH理论,通过过程,三个氦原子可聚变成一个碳原子。这一过程由两步完成,先是两个α粒子(4He原子核)形成8Be,但后者寿命仅10-16秒,然后再捕获一个α粒子,形成12C因此,碳是完全在星球内部形成的第一个最轻的元素。若星球核心进一步收缩至6亿度以上的高温,则碳继续聚变产生氧、镁等原子核。如果没有形成碳的过程,就不可能进一步形成其它重元素。在形成质子数为26的铁之后,核聚变不再是放热反应,此时核心产生的震动波与外层的物质相撞,释放大量能量产生更多热核反应,从而形成更多比铁更重的元素。恒星外层炸掉,形成所谓超新星爆炸,一系列热核反应生成的各种元素也被散布到宇宙各处。据估计太阳中每106氢核有215个碳原子,宇宙中106氢核中有85个碳原子,而恒星包覆物及环绕其外围中碳/>1的富碳星每年可产生固态C的速率约为0.002MM为太阳的质量)。


在温度为 ~5×107K的最早恒星中,会以更高速率产生必要量的碳来催化氢的燃烧。太阳中心温度为1500万度,而质量>1.5M的恒星,其核心温度可达3000K以上,此时主要是:碳氮氧循环(也称碳循环)反应。在此反应中,碳作为中间物起催化作用,所以碳在恒星发光发热过程中也起着重要作用。1938年贝特(Bethe)提出这一碳氮氧循环理论,并因此获得1967年的诺贝尔奖。


从现代观点看,整个宇宙都是大爆炸后热核反应的产物,无论是我们每天看到的太阳,还是我们目前生活的地球都莫不如此。作为物质的一种的碳元素当然也不例外。可以说,我们人体中的每一个碳原子也都是宇宙大爆炸后,在恒星热核反应中燃烧 灰烬的产物。


碳是宇宙前期中形成的关键元素,也是地球上最活跃的元素,存在形式复杂而且在不断地演化:从单一键态,演化到复合键态的多形式碳;从早期的原生碳,演化到无机碳,从无机碳演化到有机碳;碳的单质形态,也从链型向层型、管型、球型和配位型不断转化。那么宇宙中的碳有哪些形态?请看研炭翁说碳()宇宙中的碳。


本文来自王茂章科学网博客。

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