「原子的製造不過幾個時刻,星體的形成須要數億年,而人類的誕生卻要花上了五十億年之久!」-喬治・伽莫夫(George Gamow)

當你思考人類最初的起源時,或許你首先會想到以前童年常聽到的女媧造人或盤古開天,甚至追朔到你阿公阿嬤、曾祖父母,還是曾曾祖父母,曾曾曾曾等。或者是,你翻開生物和歷史課本,想起之前學到的達爾文進化論,人類是從猩猩演化過來,還有一連串的大爆炸導致恐龍滅絕,然後小強們其實早在那時已出現在地球上等。

這些東西當然是起源的一部分,但你是否有更往前想,想到地球是如何而來的呢?

化學元素,創造了地球,也得以讓我們人類生存在這世上。若沒有這些元素,就不會有它們所組合成的分子,也就不會有人類,也不會有我們現在可隨時憶起的長久歷史。

元素週期表中有 98 個元素存在於自然界中,其餘的都是經由人工合成的。

但是,這些早就存於自然界中的元素到底又是從哪來的呢?

當然,我們可以直接答案你:「那些元素來自於星星」。雖然事實就是如此,但我想這個回答應該不盡你的心吧。畢竟,星星的種類有那麼多,組成方式和壽命長短也不一。

星星的誕生,不是用一顆兩顆在算,而是以群,以百,以千,甚至一次直接到百萬顆。當你凝視著那無數的星星(恆星)時,你一定會特別注意到某一星群,因為在那些之中,它們是最閃耀最藍的。由於它們自體燃燒速度快,不停地發光發熱,比太陽還亮好幾萬倍,但過度的耗盡使得它們的光芒只有曇花一現。

那在這些最亮最大顆的星星裡頭到底發生什麼事呢?

就好比其他的恆星,這些恆星也經由核融合將氫轉換成氦(為宇宙中含量最多的元素)釋放能量而誕生。一旦核心內的氫燃燒殆盡時,氦就會充滿整個核心,然而沒有氫融合在核心中產生向外膨脹的壓力來抵銷重力,恆星會繼續收縮,在此同時其溫度也會持續上升,直到進入簡併狀態或者是核心的溫度熱到足夠開始進行氦融合反應。當恆星,包括我們的太陽,大到一定的程度時,氦將開始融合成碳。

由於這些星星的質量比太陽大四到八倍,因此它們能夠將碳合成比氫和氦更重的元素,而太陽不行。然後,這些星星會製造氧,矽和硫,之後就是鐵、鎳及鈷。

這個過程發生的很快,但是這僅產生很多很多的氧和矽、很多的硫和一點點的鐵、鎳跟鈷。那

其他出現在週期表的元素呢?

這就是交由那些超新星的恆星來製造。由於核融合無法無窮盡進行下去,每一階段核融合的時間也會越來越短,而釋放的能量也會變少,而鎳和鐵會持續增加成長。當鐵原子核形成時,鐵核融合就不會再是放射反應,無法產生能量來支撐恆星,導致鐵核心開始以高速崩塌壓縮。

在收縮的過程中,一種僅能用量子力學解釋的電子簡併壓力就會開始發生作用,並且阻止鐵核心繼續收縮。這種瞬間的收縮停止會產生一種強大的反震,產生巨大的能量釋放。屆此同時,大量的中子開始產生,而在極高的中子密度下,新的核融合反應(r-process) 也就此發生,這也是我們所相信的週期表上大部份比鐵重的元素就是在此時產生的。

但是這樣的過程並不足以解釋我們在這地球上所發現的有趣元素,而這些元素真的是非常有趣

為什麼呢?為什麼這些元素會這樣出現?

其實原來,那些我們現在地球上所有的元素,都曾存在於最後變成超新星的恆星裡,而大致上這些元素都不只停留過一顆恆星而已。

就像太陽這類型的恆星一樣,當它燃燒殆盡時,氦核心為了抵抗重力而開始收縮,此時的溫度會變熱,而核心的氫包層因溫度上升而加速劇變,產生的熱能會持續增加,傳到外層,使恆星向外膨脹。

最後,這種熱脈動將導致太陽或其他恆星的外層氣體向外散,形成行星狀星雲,還原成最初的星際物質。從上面那張圖來看,你可以看見有許多不同的顏色,每個顏色就代表元素週期表上的不同元素。

讓我們驚訝的是,其實就是那些像是太陽等恆星的寂靜誕生,製造出我們所熟悉的化學元素。

看一看上方的太陽光譜,有著來自於太陽中多數不同元素的吸收線。最令人吃驚的是,其中一種元素是「鎝」,其所有同位素都具有放射性,並且列屬於非穩定元素,現存在於世上的大部分也都為人工製造。

但為何在太陽中會有鎝呢?傑克真的那麼神奇嗎?

傑克沒這麼神奇,但製造的過程真的很神奇。在一些恆星內部,像是太陽等,會持續進行著一種緩慢穩定的過程,稱為 s-process(S 就代表著 Slow)。

只要恆星內有像碳和氖的元素時,就能夠製造出中子。當氦核與碳-13 碰撞時,就會融合成氧,並且釋放自由中子。同樣地,當氦核與氖-22 碰撞時,其會融合成鎂-25,且釋放出自由中子。

就好比所有其他自由中子,這些中子相當特別。本身不帶電荷的它們,很容易與其他存在於恆星內的原子核碰撞,藉以吸收中子並將較輕的元素轉換成更重的元素。然而,它們依然有時間限制,因為在中子衰變成質子或更輕的粒子前,它們的平均壽命只有 15分鐘。

所以中子必須盡快找個東西,產生更重的元素。這個過程不只製造出了鎝,也產生許多其他的元素,包括:磷、鈉、氯、鎂、鈣、鉀、銅和鋅。

你就不斷加中子進去,等到終於有一個是不穩定的元素時,並且衰變成其他未來會出現在週期表上的元素。再來,你就繼續加更多更多的中子,不斷的重複整個過程。事實上,如果你仔細看以下的元素週期表,你會發現每個在這慢中子捕獲過程中主要產生的元素都是在綠色 L 框框附近。

鐵是 s-process 的原始材料,一切都大多都是以鐵為開始,但如果你想試著將中子加入其中,就會製造出少量的鉍,然而這將衰變回成較輕的元素。

然而,這是緩慢持久且浪漫的過程,使得我們賴以生存的元素能存於世上。在這些恆星的內心,氦核正與那些形成於之前恆星的穩定同位素碰撞,製造出自由中子並且緩慢地產生我們現在認為最平凡不過的元素,像是氧、矽、硫、鐵、鈷和鎳。

所以,當你想到那些賦予我們生命可能性的化學元素,不要只膚淺地想到星星壯觀的美,因為我們誕生背後的故事是更加的深奧,是那星火緩慢地寫下我們人類的歷史。.

(資料與圖片來源:Medium

  • 延伸閱讀

科學解密:為什麼鏡中的自己明明很好看,照相卻超不上相?

終於有研究可以解釋:為什麼我們都這麼愛下雨的味道?

科學研究:「罵髒話有助情緒管理」幹!老師父母請不要管