從微觀(guān)層面來(lái)看，每一種元素都是由電子、質(zhì)子和中子構(gòu)成，而決定它們?cè)胤N類(lèi)的，則是它們?cè)雍藘?nèi)的質(zhì)子數(shù)，例如原子核內(nèi)只有一個(gè)質(zhì)子，它就是1號(hào)元素氫、有兩個(gè)質(zhì)子就是2號(hào)元素氦、三個(gè)質(zhì)子就是3號(hào)元素鋰。
按常理來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單的元素就越容易形成，因此我們似乎可以認(rèn)為，各種元素在宇宙中所占的比例就應(yīng)該是越簡(jiǎn)單的越多，而越復(fù)雜的元素越少，然而事實(shí)卻并非如此。
上圖為宇宙元素豐度表，我們可以看到，1、2號(hào)元素（即氫和氦）的豐度確實(shí)是宇宙中的前兩名，可以說(shuō)是在宇宙中到處都是，但接下來(lái)的3、4、5號(hào)元素（即鋰、鈹、硼）的豐度卻非常低。
那么問(wèn)題就來(lái)了，為什么1、2號(hào)元素在宇宙中到處都是，3、4、5號(hào)元素卻極為罕見(jiàn)呢？要解釋這個(gè)問(wèn)題，我們需要從宇宙誕生之初講起。
原初核合成期
根據(jù)科學(xué)界的主流理論“大爆炸宇宙論”，宇宙誕生于一個(gè)溫度極高又極為致密的“奇點(diǎn)”，在大約138億年前，這個(gè)“奇點(diǎn)”發(fā)生了“大爆炸”，在這個(gè)過(guò)程中，物質(zhì)密度以及溫度不斷地降低，最終演化成了現(xiàn)在我們所看到的宇宙。
在宇宙的演化過(guò)程中，有一個(gè)被稱(chēng)為“原初核合成期”的時(shí)期，其時(shí)間跨度大約為“大爆炸”發(fā)生后的10秒至35分鐘之間，在這段時(shí)期里，宇宙中已經(jīng)形成了大量的質(zhì)子、中子以及電子，物質(zhì)的密度以及溫度也滿(mǎn)足了質(zhì)子聚變的條件，于是大量的質(zhì)子就開(kāi)始發(fā)生聚變，并生成了約占宇宙質(zhì)量25%的輕元素，其中絕大部分都是氦。
我們知道，質(zhì)子其實(shí)就是氫原子核，由此可見(jiàn)，在宇宙誕生之初，1、2號(hào)元素就已經(jīng)在宇宙中到處都是了。那么其它的元素又是怎么形成的呢？
“元素制造工廠(chǎng)”——恒星
當(dāng)宇宙演化到一定程度的時(shí)候，宇宙中的物質(zhì)開(kāi)始在引力的作用下互相吸積，并形成一個(gè)個(gè)巨大的天體，它們像“滾雪球”一樣越來(lái)越大，內(nèi)部的溫度和壓力也會(huì)因?yàn)椴粩嘣鲩L(zhǎng)的重力而不斷提升，當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，其核心就會(huì)發(fā)生核聚變，這些天體也因此在宇宙中綻放出耀眼的光芒，而它們也是宇宙中的第一批恒星。
核聚變就是較輕的元素聚變成較重的元素的過(guò)程，要聚變出更重的元素，就需要更高的溫度和壓力，所以那些質(zhì)量較輕的恒星，只能聚變出比較“初級(jí)”的元素，比如紅矮星只能將氫聚變成氦，而像太陽(yáng)這樣大的恒星，也最多只能聚變出氧。
只有質(zhì)量足夠大的恒星，其內(nèi)部才會(huì)發(fā)生一輪接一輪的核聚變，聚變出越來(lái)越重的元素，這樣的進(jìn)程將一直持續(xù)到26號(hào)元素鐵。由于鐵原子核就算發(fā)生聚變也不會(huì)釋放出能量，因此當(dāng)恒星核聚變進(jìn)行到鐵時(shí)，就會(huì)因?yàn)閮?nèi)部失壓而發(fā)生超新星爆發(fā)，而宇宙中更重的元素，則會(huì)在這一階段生成。
順便講一下，當(dāng)宇宙中的白矮星或中子星互相碰撞之時(shí)，也可能會(huì)發(fā)生超新星爆發(fā)，進(jìn)而生成大量的重元素。
需要注意的是，盡管恒星能夠聚變出很多種類(lèi)的元素，但鋰、鈹、硼卻是例外，而這也是“宇宙中的3、4、5號(hào)元素極為罕見(jiàn)”的原因。
為什么恒星不能聚變出3、4、5號(hào)元素？
正如前文所言，原子核內(nèi)有三個(gè)質(zhì)子就是3號(hào)元素鋰，從理論上來(lái)講，只要一個(gè)氦原子核與一個(gè)質(zhì)子發(fā)生聚變就可以生成鋰原子核，但問(wèn)題是，這種聚變只能生成鋰-5，這是一種很不穩(wěn)定的同位素，它會(huì)很快發(fā)生衰變。
除此之外，只要溫度高于240萬(wàn)K，鋰原子核與質(zhì)子就很容易發(fā)生聚變反應(yīng)，然后生成兩個(gè)氦原子核，而恒星核心的溫度基本上都會(huì)高于這個(gè)溫度。
那么4號(hào)元素鈹呢？從理論上來(lái)講，只要兩個(gè)氦原子核聚變就可以生成鈹，然而這種聚變所生成的鈹-8，同樣也是一種極不穩(wěn)定的同位素。
也就是說(shuō)，即使恒星聚變出鋰或鈹了，也不能長(zhǎng)時(shí)間保存，而5號(hào)元素硼則更“慘”，因?yàn)樵诤阈堑膬?nèi)部，連聚變出硼原子核的路徑都沒(méi)有。
聚變出硼原子核，需要兩個(gè)氦原子核聚變成鈹-8原子核，然后再與一個(gè)質(zhì)子發(fā)生聚變，而氦發(fā)生聚變是屬于恒星內(nèi)部的第二輪核聚變，只有當(dāng)恒星核心的質(zhì)子耗盡之后發(fā)生了坍塌，其核心溫度和壓力隨之進(jìn)一步提高的時(shí)候，才可以點(diǎn)燃氦原子核的核聚變，也就是說(shuō)，當(dāng)進(jìn)行到這一步時(shí)，恒星核心的質(zhì)子已經(jīng)沒(méi)有了。
那6號(hào)元素碳又是怎么聚變出來(lái)的呢？其實(shí)碳是三個(gè)氦原子核聚變而來(lái)，具體過(guò)程為兩個(gè)氦原子核首先聚變成鈹-8，然后再與另一個(gè)氦原子核聚變成碳-12，這也被稱(chēng)為“3α過(guò)程”，是恒星核聚變的重要一步。
既然如此，那宇宙中的3、4、5號(hào)元素是哪來(lái)的呢？
根據(jù)科學(xué)家的推測(cè)，宇宙中的3、4、5號(hào)元素應(yīng)該是由高能粒子撞擊重原子核形成的。
簡(jiǎn)單來(lái)講就是，宇宙中存在很多能量很高的粒子，它們可能來(lái)自于超新星爆發(fā)、脈沖星、大質(zhì)量黑洞以及活躍星系等等，這些高能粒子可能會(huì)將重原子核撞成“碎片”，而假如這些“碎片”中的質(zhì)子數(shù)正好是3、4、5，而中子數(shù)與正好能夠讓其形成穩(wěn)定的同位素，那么3、4、5號(hào)元素就可以長(zhǎng)時(shí)間地存在于宇宙中了。
值得一提的是，在前文提到的“原初核合成期”，宇宙中也生成了極為少量的鋰元素。
好了，今天我們就先講到這里，歡迎大家關(guān)注我們，我們下次再見(jiàn)。
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