还有氩、氪、氖、氡、氙、锌和铑，
还有氯、碳、钴、铜、钨、锡和钠。
这些有的是已经在哈佛提到过的，
可能还有很多但是都没有发现。
——Tom Lehrer
今天我们要讲的是轻元素中最稀有的三种元素，但是为了不让你们觉得无聊，我们先看一段视频活跃一下气氛。如果你看过《生活大爆炸》，那你或许对第三季中的第18集有印象，也就是Sheldon在醉酒后唱了一段《元素之歌》。这次我们听听这首歌的原版（个人非常喜欢！）：
怀念亚里斯多德的时代吗！
理解宇宙中比氢更重的所有元素的由来是我们了解宇宙过去的重要手段，同时也帮助揭开我们自身的存在之谜。（© Cepheus）
现在，我们进入正题。昨天在《宇宙大爆炸的五个事实》中提到过，在宇宙中的物质成分中绝大部分都是氢（1号元素）和氦（2号元素），只有极其少量的元素为氘、氦-3和锂-7。早期的宇宙并没有产生任何的重元素，原因很简单：在炽热和致密的状态下，粒子可以被聚合在一起，但同时它也够热足以再将它们分开。
只有当宇宙逐渐的冷却下来，粒子才不至于立即被分开，在那之后才慢慢地构筑起元素周期表。
宇宙最初的核合成反应，产生了氘、氦-3和氦-4。（© Joanna Kosmider）
但是，在大爆炸后的几分钟，99.999999%的元素终止在氦。直到恒星开始形成后才开始有了新的元素。尽管恒星燃烧的第一个步骤总是牵涉到在恒星中心的氢聚合成氦，但只要恒星的质量足够大，元素周期表就会慢慢被往上填。当恒星核心的氢气都燃烧殆尽的时候，它就开始收缩并加热。当温度达到1亿开尔文的时候，氦就会被点燃。之后，三个氦原子会慢慢地聚合成碳（6号元素），在这个过程中就会释放大量的能量。
一个新恒星团，充满了明亮、巨大的恒星，在它们核心会产生大量的碳。（© ESO）
上述的过程会发生在红巨星的阶段，如果恒星的质量越大，就会制造像氮、氧、氖、镁、硅、硫、铁、钴和镍的元素。此外，恒星燃烧时也会释放出自由中子。这些中子会和已经存在的元素结合，继续往上填满元素周期表，直到铅和铋（82号和83号元素）。最后，质量最大的恒星会在一场壮丽的超新星爆炸中结束自己的生命，所有的聚合反应也就此终止。理论上，这个过程中应该已经制造出所有周期表中可能的元素。
超新星遗迹W49B的星云，在X-射线、射电和红外波段仍然可见。（© NASA/Palomar/NSF）
所有可能的元素，除了三个被我们忽略掉的。我们回顾一下，宇宙开始产生了氢和氦，所有的恒星都会产生氦，当恒星超过特定质量就会产生碳、氮和氧，以及许多的重元素。但是碳已经是6号元素，位于元素中的3、4和5号的锂、铍和硼发生了什么呢？当我们观测整个宇宙和太阳系的时候，我们想知道这几个元素的丰度是多少，结果发现在氦和碳之间有一个巨大的鸿沟，这三个元素被严重的抑制了。
元素的丰度。（© Katharina Lodders 2003）
这三个元素不能通过聚合更轻的元素来制造，因为把氢和氦加在一起会得到锂-5，而锂-5非常不稳定；把两个氦加在一起则会得到铍-8，也不稳定。另一方面，它们也不可能从碳和更重的元素中制造出来，因为这些只会产生更重的元素。
植物细胞的模型：初生壁和次生壁。如果没有铍，植物的细胞壁就不科恩给你存在。（© Caroline Dahl）
但是，锂、铍和硼不仅存在，特别是铍，还是地球上生命存在的关键元素。如果没有铍，植物中也就不会有细胞壁。（对大部分的我们来说，智能手机依赖的锂电池也同样必不可缺。）
由于植物存在，锂、铍和硼也存在，这就证明这几个元素必定是由某种方式产生的。这其中的谜底就藏在宇宙中的一些最极端的环境之中：黑洞、中子星、超新星和活动类星体。当这些宇宙大灾难被点燃的时候，就会变得非常活跃甚至爆炸，它们不仅辐射粒子。它们辐射的是已知宇宙中最高能量的粒子流——宇宙射线。
仙后座A超新星遗迹。（© NASA/JPL-Caltech; Chandra/Spitzer）
当这些宇宙射线击中由恒星产生的一个重元素，它就会被分裂，变成许多低质量的粒子。这个过程，称为宇宙射线散裂，产生了锂、铍和硼，这也是这些元素能够在我们星球上被找到的唯一原因。这三个元素是所有轻元素中最稀有的，而散裂过程是这些元素存在的理由。
下一次当你看到一颗植物的时候，你就不应当仅仅从演化的角度去思考，也要从宇宙的角度看待，正是这些元素植物才能够存在并茁壮成长。如果没有宇宙中的这些最灾难性、最高能的事件，这三个轻元素也就不可能会存在。
发表于 2017-7-9 07:48
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