來源：“中國科普博覽”公眾號（ID：kepubolan）

46億年前，地球誕生于我們所置身的浩瀚宇宙。構(gòu)成目前地球上種種物質(zhì)的元素，自那時起就已經(jīng)存在于地球上了。在此之后，雖然也有小行星或者隕石、隕鐵等帶來大氣層外的物質(zhì)，但構(gòu)成山川海洋和生靈萬物的元素們基本保持著當(dāng)初的含量。正因為有接近一百種天然元素的存在，地球才能具有如此多樣的地形地貌和生態(tài)系統(tǒng)，形成能量和物質(zhì)循環(huán)，并最終在此基礎(chǔ)上孕育人類文明。

那么，地球上種類繁多的元素是何時形成的？這些元素是同時形成還是存在先后次序？他們的生成機(jī)理是類似的嗎？為什么金、鉑一類貴金屬在地殼中的含量如此稀少？這篇文章將為讀者呈現(xiàn)自宇宙大爆炸以來，不同元素漸次誕生的歷史，直達(dá)人類對于宇宙和自身的認(rèn)知邊界。

大爆炸理論認(rèn)為，我們身處的宇宙是在距今138億年前的一次“大爆炸”后形成的，在那之前我們認(rèn)為宇宙處于一種密度極大，溫度極高的太初狀態(tài)。雖然聽起來有些匪夷所思，但這一模型得到了無數(shù)觀測結(jié)果的佐證，也因而成為了目前描述宇宙起源和演化的主流學(xué)說。

大爆炸示意圖，來源：NASA/WMAP Science Team

根據(jù)大爆炸理論，宇宙形成之初，宇宙中存有的元素種類極為有限。構(gòu)成地球上巖石、水、空氣以及人類自身乃至其它天體的種種元素，并非是在138億年前與宇宙一起誕生，而是經(jīng)由了上億年的演化才開始由輕到重（原子序數(shù)從小到大）漸次生成。這一元素的生成（創(chuàng)造）過程堪稱精妙絕倫，充滿偶然性和故事性。

在大爆炸發(fā)生后的約萬分之一秒，宇宙的溫度高達(dá)一億攝氏度，此時質(zhì)子（氫原子核1H）和中子開始生成，宇宙從此開始了它制造各種元素的創(chuàng)世之旅。之后，質(zhì)子和中子相互撞擊，形成重氫（D）。重氫再繼續(xù)捕獲中子形成超重氫（³H），超重氫又可經(jīng)由β衰變生成氦-3（³He），而氦-3吸收中子后又可以轉(zhuǎn)化為氦-4（⁴He）。

大爆炸早期，氦-4的生成過程示意圖，來源：作者自制

在以上各種原子核中，氫原子核和氦原子核最穩(wěn)定，因此會在反應(yīng)過程中得以集聚。接下來，由于質(zhì)量數(shù)（質(zhì)子數(shù) 中子數(shù)）為5的穩(wěn)定原子核不存在，宇宙早期的元素合成過程到此趨于停滯。雖然也有極少數(shù)的鋰-7（⁷Li）和鈹-7（⁷Be）得以生成，但上述二者皆不穩(wěn)定，最終未能在宇宙中大量留存。

上一節(jié)中提到的略顯單調(diào)乏味的氫元素合成過程持續(xù)了約一億年之久，在此期間，氫元素團(tuán)塊們在引力作用下相互集聚，并形成了早期恒星的雛形。當(dāng)集聚而來的氫元素們數(shù)量累積到足夠程度，恒星核心就將在重力作用下發(fā)生氫核聚變反應(yīng)，由氫生成氦，并在此過程中產(chǎn)生巨大的能量，向星際空間釋放灼熱的光芒。

分子云——大部分恒星誕生的場所，來源：ESA/Hubble

從這個時候開始，一度停滯的元素創(chuàng)世過程又有了重啟的轉(zhuǎn)機(jī)。隨著氫核聚變的進(jìn)行，大量氦-4（⁴He）隨之生成。在恒星內(nèi)部這樣的高溫高壓高密度環(huán)境下，原本發(fā)生幾率非常低的兩個氦-4（⁴He）聚變?yōu)殁?8（⁸Be）的過程，幾率也得以大大提高。雖然鈹-8（⁸Be）并不穩(wěn)定，但在其衰變之前，若能與周遭大量存在的氦-4（⁴He）再發(fā)生一次聚變，就能形成可以穩(wěn)定存在的碳-12（¹²C）。

碳-12（¹²C）的生成堪稱元素創(chuàng)世史中的里程碑事件，其與氦-4（⁴He）反應(yīng)生成的氧-16（¹⁶O）同樣是穩(wěn)定核。而兩個氧-16（¹⁶O）結(jié)合后又可以生成一個硅-28（²⁸Si）和一個氦-4（⁴He），前者仍然是穩(wěn)定核。

各種穩(wěn)定核的不斷生成令元素合成沖破了氫核聚變的桎梏，各種較重的元素在恒星這個大熔爐中被不斷地合成。然而，這一元素合成過程在進(jìn)行到鐵-56（⁵⁶Fe）后出現(xiàn)了一些小插曲——在恒星中心的大多數(shù)質(zhì)量都變成鐵后，中心部分所產(chǎn)生的壓力將非常巨大，這將導(dǎo)致電子被壓入原子核，與原子核中的質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶樱詈笳麄€恒星核心都將變成中子。

中子星強(qiáng)大的引力可以彎曲光線（示意圖），來源：CC4.0

由于該中子核心極端致密，事實上形成了一個鐵元素?zé)o法繼續(xù)進(jìn)入的壁壘，因此進(jìn)一步的聚變反應(yīng)也將被迫中止。此時，恒星的壽命也就即將走向盡頭了。簡言之，恒星內(nèi)部的聚變反應(yīng)無法形成大量比鐵更重的元素，元素的創(chuàng)世過程又遇到了暫時的困難。

中子星結(jié)構(gòu)示意圖，作者：Robert Schulze

在上一節(jié)的討論中，我們隱去了一個鐵元素在恒星內(nèi)部通過聚變產(chǎn)生的前提——事實上，具有較大質(zhì)量的恒星才可能完成這一反應(yīng)。我們的太陽由于不夠重，不能向中心提供足夠的壓力而只能完成氧元素的合成。然而，通過對太陽光譜的研究，我們發(fā)現(xiàn)太陽上存在一定含量的重元素，有些甚至比鐵還要重。

不同類型恒星的結(jié)構(gòu)示意圖及最終演化方向，來源：作者自制

對這一事實最可能的解釋是，這些元素在太陽誕生之初就已經(jīng)存在了，他們并非由太陽自身的聚變反應(yīng)所合成。那么問題來了，太陽是如何誕生的？它所集聚的大量輕元素最初從何而來？它包含的較重元素又是如何產(chǎn)生的？

想要回答這些問題，我們需要接著討論恒星通過聚變反應(yīng)形成鐵元素內(nèi)核的后續(xù)情形。如上所述，大質(zhì)量恒星在生成鐵元素核心后，該核心將進(jìn)一步形成密度極大的中子內(nèi)核。伴隨這一過程的，往往是溫度、密度的劇烈升高，核心很可能遭受突然的引力坍縮，引發(fā)所謂的超新星爆發(fā)。

超新星爆發(fā)，來源：NASA

在此類超新星爆發(fā)過程中，原有大質(zhì)量恒星將拋出幾乎全部的外層物質(zhì)，只留下一顆體積極小的中子星核心。同時，爆發(fā)過程還將伴隨少量重元素的生成，從28號元素鐵到94號元素钚（甚至更重的元素）都可能在此過程中生成。我們的太陽所處的空間附近，可能就發(fā)生過類似的天文事件——大質(zhì)量恒星在生涯末期產(chǎn)生超新星爆發(fā)，拋出大量以輕元素為主的物質(zhì)并同時產(chǎn)生多種元素。

太陽通過集聚這些散落于空間中的大量物質(zhì)，在開啟自身輕核聚變反應(yīng)的同時，也繼承了少量的較重元素。與太陽同時期誕生的地球，也因此而擁有了直到94號元素钚的各種天然元素。從下方的太陽系元素豐度示意圖中可以看出，太陽系內(nèi)元素含量從輕到重逐漸減少，其中較為穩(wěn)定的核種，如鐵（Fe）和鉛（Pb）會形成相對的峰，而鋰（Li）、鈹（Be）和硼（B）的含量相對較低。