我的生活攝影紀錄

上個月花了一些時間把牛頓雜誌的主題「元素誕生的故事」看了一遍，

把整個主題的重點整理如下：

 
所有的物質都是由原子所構成，
原子是由中間帶正電的原子核以及周圍帶負電的電子組成，
原子核裡包含帶正電的質子及電中性的中子。

1.
宇宙的最初，只有一種氫元素

分析現今宇宙中存在量最多的元素是氫與氦，氫佔90.2%、氦佔9.7%、其餘所有元素總和佔0.1%。
宇宙之始，所有物質都聚集在一個很小的空間中，稱為火球宇宙，
火球宇宙呈現一種超高溫狀態，裡面是一個質子、中子、電子以猛烈速度四處飛竄的世界。
一個質子就可以形成氫原子核，(氫原子序1，只有一個質子)，所以說宇宙最初存在的元素只有氫。


2.
大霹靂爆炸形成宇宙中大部分的氦

氫的質子在火球宇宙中與其他的質子、中子互相碰撞，因而合成大量的氦(原子序2 ，2個質子2個中子)
這樣的反應稱為大霹靂爆炸，形成宇宙中大部分的氦。
大爆炸後，火球宇宙急速膨脹，溫度下降，導致核融合反應無法繼續進行，
所以這樣的核融合反應只持續20分鐘，最後在火球中合成的元素只到鋰(原子序3，3個質子3個中子)



 
質量數較大的元素是在恆星內部和超新星爆炸中合成的

3.
恆星中心氫燃燒形成氦原子核

恆星一開始的燃燒是一種氫的核融合，形成氦原子核。
質量為太陽十分之一到一半左右的恆星，在氫燃燒完畢後，會安靜的死去。



4.
質量為太陽一半到八倍左右的恆星可以在恆星的晚年經由核融合星成碳與氧的原子核

質量為太陽一半到八倍左右的恆星，氫燃燒殆盡後，中心區域會開始收縮，變的更高溫、更高密度。
溫度到2億度時，會開始燃燒氦，這種溫度可以使三個質量數4的氦原子核同時碰撞形成質量數12的碳原子核(原子序6，質量數12)。
(質量數=質子數目+中子數目)
碳原子核如果再跟氦原子核融合就會形成氧原子核(原子序8，質量數16)。

碳跟氧都是在恆星的晚年合成的(燃燒氦時)
此時恆星會慢慢膨脹變成「紅巨星」或是「紅超巨星」，半徑可達到原來半徑的數百～1000倍以上，
膨脹的結果，紅巨星外層的氣體包括新合成的氦、碳、氧就會釋放到宇宙空間中。
釋放完外層氣體的恆星稱為白矮星，外面會有一層行星狀星雲。



  《一顆正常恆星拋出外層氣層變成白矮星的過程，呈現出具有對稱雙瓣結構的行星狀星雲
      星雲中心是一個非常炙熱的白矮星，白矮星會發出超過每秒1000公里的高速恆星風
      恆星風引起的震波會讓附近的原子激發，發出不同顏色的光》



《NGC 6302   行星狀星雲   位於天蠍座   距離我們3800光年》



《NGC2440  行星狀星雲   位於船尾座   距離我們4000光年》




5.
質量大於太陽八倍以上的恆星，在恆星內部能夠合成到元素鐵

恆星的質量愈大，中心區域愈能持續核融合，因而產生更大原子序的元素。
這樣的恆星中心區域一樣先燃燒氫產生氦，氫燃燒完後燃燒氦產生碳與氧。
當氦燃燒殆盡時，中心區域會更收縮，溫度達到8億度時，會開始燃燒碳。
碳的燃燒會產生氖(Ne 原子序10)、鈉(Na  原子序11)、鎂(Mg  原子序12)、鋁(Al  原子序13)

質量大於太陽十倍的恆星，會發生原子序更大的元素的燃燒，最後產生鐵(原子序26)
鐵是很不容易發生核融合的元素，
所以在恆星內部，核融合所合成的元素僅能到鐵。


6.
恆星的超新星大爆炸可以合成原子序與鐵相近的元素

大質量恆星(太陽8倍以上)到了晚年(紅巨星)，中心區域會形成鐵核，鐵核無法發生核融合反應，所以恆星的燃料會用盡，恆星就會發生超新星爆炸而死亡。
這種大爆炸是因為核心收縮，重力增加，使周圍物質掉落中心會產生震波，
震波加熱造成的能量，可以再產生核融合反應合成鐵(26)、鎳(28)、矽(14)、硫(16)、鈣(20)等元素.....
這種爆炸，稱為崩潰型超新星大爆炸(紅巨星的大爆炸，單顆恆星的大爆炸)，會將元素四散到宇宙之中。
超新星大爆炸後，恆星的中心還是會留下來，形成全由中子構成的中子星，或是形成黑洞。



下圖
《蟹狀星雲M1   位於金牛座  超新星爆炸殘留物 
   西元1054年北宋時爆炸   裡面藏有一顆每秒自轉30.2次的中子星   
   範圍11光年  距離我們6500光年   膨脹速度每秒1500公里》




《小麥哲倫星雲內的超新星遺骸E0102
    下面的藍色絲狀物是不久之前一次劇烈超新星爆炸的遺骸》



《恆星壯烈死亡的餘波全彩照   位於仙后座，超新星爆炸殘留物
    距離我們11000光年   外層溫度攝氏28000000度》





雙星系統的超新星爆炸，其中一個會形成白矮星，白矮星吸入伴星的恆星氣體，質量達到極限會發生失控的核反應，會將整個白矮星吹飛而毀滅，此稱為核反應失控型的超新星大爆炸(白矮星的大爆炸，雙星系統的超新星大爆炸)。
這種爆炸會將白矮星內的元素再合成新的元素，這些元素包括鐵(26)、鎳(28)、鉻(24)、錳(25)、鈷(27)，都是鐵的同伴。

《螺旋星系的相撞   位於大犬座》



《Arp 87  位於獅子座  螺旋星系》







7.
比鐵重的元素的形成必須靠原子核吸收中子，再經由中子的β衰變轉變成質子，改變原子序

鐵的原子核很穩定，核融合的反應到鐵為止，所以合成比鐵重的原子核要靠「原子核吸收中子」。
在紅巨星內部的核融合反應會放出多餘的中子，
元素的原子核會吸收中子，原子核中的中子就會過多，
原子核爲了達成質子中子平衡，有些中子就會經由β-衰變形成質子，讓原子核多出一個質子形成另一種元素。
如果是由鐵原子核吸收中子，就會形成比鐵還重的元素，這些元素有鍶、鋇、鉛，一直到原子序為83的鉍。
這樣的過程很緩慢，科學家稱為s-process(Slow  process  發生在晚年恆星的內部)


比鉍重的元素是無法經由s-process產生的，包括金、銀、鉑、鈾.....
這些元素的形成需要大量的中子如驟雨般在極短時間內撞擊原子核，形成中子數非常多的原子核，
再經由不斷重複的β衰變，變成原子序更大的原子核。
這種過程稱為R-process(Rapid  process)。
R-Process發生的現場並不清楚，可能的場所包括重力崩潰型超新星爆炸剛形成中子星時，還有中子星形成雙星系統互相碰撞產生大量的中子時。


8.
天然存在的元素，原子序最大的是92的鈾；超鈾元素必須人工方式製造

到2009為止，週期表的最末端是112號的「鎶Cn」；113~118號人工元素也已經製造出來。