我们体内的每个原子都有几十亿年的历史吗?
宇宙大爆炸
我们应该从大爆炸开始。我们现在知道宇宙诞生于大爆炸。大爆炸后的短时间内,宇宙中只有光子、夸克等基本粒子。宇宙“基本上”可以视为纯能量,因为电子、质子、中子都没有出现,更不用说原子了。
早期的原子结构从何而来?这里还是要拆解一下。我们初中高中都学过原子的结构。原子由电子和原子核组成,原子核由质子和中子组成。
(当然这种说法并不准确,但不妨碍我们理解后者。)
换句话说,原子结构至少需要质子、中子和电子才能出现。三种粒子从何而来?其实只有一个字:撞。
我们都知道物质其实有对应的反物质。反物质比电子是正电子。如果他们相撞,他们将被歼灭。
在早期,宇宙的温度特别高,都在几十亿的级别。在这样的环境下,一束光子获得的能量可以高于一对电子对应的能量(可以用E = MC ^ 2计算),那么一对光子碰撞后可能产生电子,当然其他质子和中子也可以通过这种方式进来。下图中的阈值温度是光子所需的温度。
电子、质子、中子形成后,电子、质子、中子都像一锅粥一样挤在一起,没有完整的原子结构。这个时候,温度还是太高。直到宇宙后38万年(即大爆炸后38万年),宇宙温度降至2700度左右,此时形成了原子结构。但是,此时没有办法形成极其复杂的原子结构。早期形成的原子基本上都是氢原子和氦原子,是原子序数最小的两种元素原子。(当然,实际上还有极少数原子序数更高的其他元素的原子。)
所以宇宙中的氢原子,包括你,年龄是654.38+03.8亿岁。从物质层面来说,他们是宇宙中最早的原住民。
其他元素从何而来?
其他元素
在宇宙大约2亿岁的时候,宇宙中的星云物质由于引力而坍缩,开始形成大质量恒星。核聚变发生在这些恒星内部。起初,氢聚变产生氦。
然后氦融合产生碳和氧。
然后碳和氧会继续发生核聚变,生成原子序数更高的元素原子,所以恒星就像是元素的炼丹炉,会一路培养到铁原子(其实会有少量原子序数更高的元素原子。所以,除了氢和氦,铁之前的大部分原子序数的元素原子都是通过核聚变反应锻造的。
而原子序数比铁高的元素又是从哪里来的呢?
有两种主要方式,
超新星爆炸中子星合并如果一颗恒星质量足够大,最终会自爆,就会发生超新星爆炸。在这个过程中,会合成原子数比铁高的元素原子。
但根据最新的研究结果,大部分都是中子星合并合成的,比如金和银。
所谓中子星合并,其实和上面说的超新星爆炸有关。在演化后期,如果大质量恒星,特别是恒星(10倍太阳质量)的质量大于1.44倍太阳质量,小于3倍太阳质量,内核就会形成中子星,这个天体的半径为10~30公里,但如果两颗中子星相遇,就会发生合并。这可以说是宇宙中最令人兴奋的事件之一。整个过程中会合成金、银等原子数特别高的元素。
所以黄金特别值钱是有道理的,因为中子星合并很少。以上是各种元素原子的起源。
我们人体内最多的是氧,然后是碳,然后是氢,氮,磷。
我们可以看看它们在元素周期表中的位置。
从上面所说的,我们至少可以知道,我们体内的氢原子年龄是654.38+03.8亿岁,而碳、氮、氧等元素年龄至少是45亿岁,最年轻的应该是恒星那一代的产物。毕竟地球是无法产生这些元素的,它们可能会达到第一代恒星最高出现的时期,也就是654.38+036亿年。
除此之外,我们还应该知道,我们身上所有的元素都是在恒星的核心,也就是恒星的心脏产生的。听起来是不是有点厉害?