@袁霖邀,感觉欠你好多题了,其他的没有看文献不敢乱说,这个题比较信手拈来,所以先答这题。
其实自然存在的元素也并不是依照着周期表连续存在,比如说上面有亲提到了Tc和Pm就没有。
所以我觉得我们重点关心的可能是究竟是怎样一个过程,让大爆炸后只有H, He 和Li这三个元素的一个屌丝体系逐渐发展演变到一个如元素周期表所展示的丰富多彩的白富美体系。
一贯坚持白居易写诗的通俗易懂原则来一步一步的说:
第一步:伟大的big bang
大爆炸在宇宙这个大厨房里煮了一锅粥,粥里面有质子,中子,电子和中微子 (不要被这些名词吓到,把它们想象成红豆,绿豆,大红豆……)。只不过粥熬好了红豆还是红豆,绿豆还是绿豆,而大爆炸的奇妙之处在于它居然把红豆和绿豆结合在一起变成了新的物种红绿豆,也就是1H, 2H, 3He, 4He和7Li。从此,我们有了周期表的前三个元素,H, He, Li.
第二步:核子们的相遇和结合
作为还珠粉,我对第三部古巨基唱的片头曲印象深刻,琼瑶阿姨写的歌词如是“当天地混沌除开的时候,我们相遇在浩瀚的星球…blablabla….天上人间,我们注定要携手漂泊。”后来我学习了天体物理和宇宙化学,觉得这就是文艺范得描述核合成的第二步——4He燃烧链:
4He+4He——-8Be
4He+4He+4He———–12C
12P+1H——–13N
4He+12C———-16O
16O+1H——17F
16O+4He—————20Ne
20Ne+4He——-23Na+1H
20Ne+4He———24Mg
24Mg+4He——–27Al+1H
24Mg+4He———–28Si
28Si+4He———–32S
32S+4He———–36Ar
36Ar+4He———–40Ca
40Ca+4He————44Ti
28Si+28Si———–56Fe
一切看起来都很容易很美好,就这样接着往下走,什么就都有了。
可惜不是你,陪我到最后。
这一切的美好到56Fe就没有了,4He燃烧链,至此终止。
为什么呢,因为核子的结合是需要克服库仑力而释放能量的,而结合到56Fe的时候,因为需要克服的库仑力几乎等于核子结合释放的能量,所以56Fe就相当于一个不可逾越的鸿沟,4He反应链无法跨越56Fe再继续了。
第三步:天才B2HF理论
B2HF其实是四个人名字的缩写,B2是左一左二夫妻俩,H是中间老爷爷,F是最右老爷爷:
photo from website of Library of U Cambridge, UK

为什么地球上有元素周期表中几乎所有的元素而没有断层?插图

就是他们四个揭示了56Fe之后的重元素的形成机制,早在1957年。
56Fe之后的元素,大概是通过这么三个途径形成的:
慢中子俘获过程(S-process)
快中子俘获过程(R-process)
P-process (不知道怎么翻译)
因为中子不带电嘛,所以它们会比较容易跟核子结合,让反应接着进行下去,质量数加一再加一,从56Fe加到了238U,至此形成了自然界中存在的所有元素。
至于S-, R-, P- process,其实没有那么神秘,有点像诺基亚经典游戏贪食蛇,我随便画了一个,大家感受一下:

为什么地球上有元素周期表中几乎所有的元素而没有断层?插图1

粉色的线就是慢中子俘获链 (S-process),反正就是质量数逐渐加一,但是加到特别短命的同位素的时候,比如说那些半衰期只有十几年,十几天或者几天的同位素的时候,就衰变后再继续质量数加一,比如说从85Kr–衰变到—-85Rb+俘获中子—–86Rb等等;
黄色的箭头表示的快中子俘获(R-process),一般都发生在处于中子滴线的核素上,也就是含有中子数最多的那个同位素。
从天 而降的绿箭头表示的是P-process,不过我也不太清楚P-process到底是怎么回事,希望有人补充。
好了,综上就是核合成的三部曲,也就是为什么元素一个个出现在自然界中,就像元素周期表里面排出来的那样。
至于分割线以后的问题,我觉得不是的,元素在宇宙中的合成是一回事,而元素的分布及丰度又是另一回事。如果是类地行星,比如说火星,倒是可以找到地球上都有的元素(我去年的时候测了很多火星陨石样品,确实是的),就是丰度和同位素组成不一样;但是如果去木星或者土星,它们的主要成分就都是气体了,但是我没有做过相关工作,所以不确定,这是直觉认为元素的分布和氧逸度及温度关系密切,所以,欢迎补充。

来源:知乎 www.zhihu.com

作者:Shuying Yang

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