我们身体里的每一个原子是不是都有几十亿年的历史,没法制造、也没法消灭一个原子?
▍我们身体里的每一个原子是不是都有几十亿年的历史,没法制造、也没法消灭一个原子?
组成身体的是器官,器官是由细胞组成了,细胞是由分子组成的,分子是由原子组成的,最古老的原子是氢,原始宇宙大爆炸最先产生的原子就是氢,也是最古老的元素,距今大约有一百三十五亿年了,恒星是元素的加工厂,把氢元素加工成元素周期表铁元素以前的各种元素,超新星爆发的时候,铁后面的元素生成了,随着恒星爆炸,散播到宇宙各地,而恒星从古至今不断的在爆炸,所以我们体内的元素氢最古老,其它元素有的古老有的年轻,肯能相差几十亿,甚至一百多亿年,另外我们人类也可以制造和消灭原子,核裂变重元素裂变但轻元素,重元素被消灭,轻元素被产生出来,核聚变,氢元素被消灭,氦元素被制造出来。
▍我们身体里的每一个原子是不是都有几十亿年的历史,没法制造、也没法消灭一个原子?
我们身体里的每一个原子是不是都有几十亿年的历史,没法制造、也没法消灭一个原子?
突然发现这个话题将人体和宇宙诞生的上百亿年联系在了一起,根据人体元素组成的不同,甚至我们可以追溯每一种元素诞生的时间表,可以简单的说,我们人体的每一个原子都跟天体的发展有着密切的关系。
人体由哪几种元素组成?
自然界总共有92种元素,而人体中的元素大约有60种,约占2/3,常见的一般都集中元素周期表20号内的,比如氢、氧、硫、氮、磷、氯、钙、钠、钾、镁、碳等,但占人体比例最高的几种元素分别为:
氧(O):65%碳(C):18%氢(H):10%氮(N):3%磷(P):1.4%硫(S):0.3%其他元素(铁、铜、锌、锰、钴、钒、铬、钼、硒、碘):<0.3%我们被称为碳基水基生命,这三种元素占了人体组成比例的93%以上,所以说碳基水基生命可不是乱说的,人体中含有70%以上的水,而水则由氢元素和氧元素构成,而其他有机物的就是碳的各种化合物,包括我们日常摄入的大量碳水化合物等。
这些元素都是从哪来的呢?
这个应该从元素的差异开始说起,我们知道元素的差异就是原子核的差异,而原子核是由质子和中子构成,质子数的差异就是元素的差异,中子数的差异就是元素的同位素差异。
我们也知道质子和质子或者质子和中子之间是由强作用力结合在一起的。而要让它们结合在一起就需要耗费大量的能量,并且遵循如下规律:
元素的比结合能
比结合能越高,聚变所需的环境就更极端,所以各位都应该知道,我们身体中的每一个原子都经受过你难以想象的高温考验哦,我们从氢元素的诞生开始说起。
氢元素的诞生宇宙中本没有氢,也没有时间与空间,甚至有没有一切,只有一个无比致密的奇点,在某个时刻这奇点开始了扩张,在这个迅速扩张的空间中充满了能量,空间扩张温度下降,当地与夸克胶子相变温度时,它们开始结合成重子物质
当温度继续下降,宇宙诞生三分钟时这些重子或者重子结合形成了氢、氦与锂元素的原子核,但此时温度仍然极高,电子还是游离状态,宇宙中充满了自由电子与离子,一直等到宇宙扩张到37.9万年时这些离子终于捕获电子,真正构成了原子。
氢元素诞生了,同时诞生的还有少量氦元素和微量锂元素。
碳元素的诞生质子反应链是从氢到氦的重要过程,如下图:
碳元素是由氦三经过聚变反应生成的,所需的时间比较长,因此在宇宙大爆炸3分钟时并不足以诞生碳元素,它会在恒星聚变的过程中产生。
4He + 4He + 93.7 keV ↔ 8Be
8Be + 4He ↔ 12C + γ + 7.367 MeV
Be8生成是不稳的那个的,会在2.6×10^-16S内分裂回氦,但它可以在个时间内捕获氦原子形成碳-12,这就是碳元素的来历。
当然并不是所有的恒星都能达到,比如比邻星就只能到氦,因为它达不到氦四聚变的温度(约一亿K)。
氧元素的诞生氧元素从碳元素聚变而来,它需要6×10^8 K的高温和2×10^8kg/m3密度条件,
12C + 12C→20Ne + 4He + 4.617 MeV→23Na + 1H + 2.241 MeV→23Mg + n - 2.599 MeV
12C + 12C→24Mg + γ→16O + 24He (吸收能量核聚变反应)
氧也从此时诞生了。
氮元素的诞生跟上文质子链反应的产生能量的方式一样,类日恒星的另一个能量来源是碳氮氧循环。
类日恒星中碳氮氧循环产生的能量只占1.7%,但计算表明质量更高的恒星可能是能量主要来源。
......略
铁元素的诞生
中间的元素就不一一介绍了,我们直接上终极元素铁,这是恒星聚变能达到的最后一种元素,因为铁以后的元素都需要是吸收能量,聚变是无法形成更重的元素了,但慢中子捕获可以,重子捕获生成新元素的过程其实比较容易理解。
中子俘获后的中子β衰变,生成质子数+1,原子序数+1的重元素,恒星的主序星时代和红巨星时代主要是慢中子捕获,尽管效率比较差,但因为时间漫长,所以生成重元素总量仍然可观,而另外一个就是超新星爆发时的快中子捕获,这也是另一半重元素生成方式。
氕→氘→氦-4 → 铍-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 镁-24 → 硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56
从氢一路聚变到镍的过程,如果你不知道哪种铁之前的元素由来,那么它基本是由慢中子捕获诞生的,而铁以后的重元素则慢中子和快中子捕获产生,快中子捕获则需要以铁原子为基底,快速生成重元素。
当然另一个更高效的重元素方式中子星合并(快中子捕获,或者自由中子衰变)
咱已经知道了身体中的元素是怎么来的了,准确的说,氢元素的年龄从氢原子核算起大约138亿年了,碳元素和氧元素以及后面的所有大概是133-135亿年,总数约有7×10^27个,无论我们怎么折腾,这些原子都无法消灭,即使百年之后的火化也无法消灭任何一个,不过如果被太阳吞噬,那么我们可以预估,应该有部分原子会被聚变成更高序数的元素,简单说就是原子少了,但质能依然守恒。
▍我们身体里的每一个原子是不是都有几十亿年的历史,没法制造、也没法消灭一个原子?
客观地说,我们身体里每一个原子年纪都比我们自己年纪还要大,当然我们的寿命在它们面前,可以完全可以忽略不计,实际上,连地球寿命都没有办法和它们进行比较。那具体是咋回事呢?
宇宙大爆炸
我们要从宇宙大爆炸说起,我们现在知道宇宙诞生于一次大爆炸,大爆炸之后短暂的时间内,宇宙中只有光子,夸克等基本粒子,宇宙“基本上”可以看成是纯能量的,原因是像电子,质子,中子都没有出现,更不要说原子了。
那早期的原子结构是咋来的呢?我们这里还是要拆解一下,我们初高中都学过原子结构,原子是由电子和原子核构成的,而原子核又是由质子和中子构成的。
(当然这个说法并不精准,但并不妨碍我们对后面的事情进行理解。)
也就是说,原子结构想要出现至少需要质子、中子、电子的存在。那三种粒子是咋来的呢?其实就一个字:撞。
我们都知道物质其实都有对应的反物质,比一个电子的反物质就是正电子,如果它们撞到一起就会湮灭。
而早期的宇宙温度特别特别高,都在几十亿的水平。在这样的环境下,一堆光子所获得的能量能够高于一对电子所对应的的能量(可以通过E=mc^2来计算),那么一对光子对撞后就有可能产生电子,当然其他的质子和中子也可以通过这个方式来。下图中阈值温度就是光子所需要的温度。
在形成电子,质子,中子后,这时候的电子,质子,中子就像一锅粥一样都挤在一起,没有完整的原子结构,这时候温度还太高,直到宇宙38万岁后(也就是宇宙大爆炸后,过了38万年),宇宙的温度降到了2700度左右,这时候原子结构形成。不过,这时候并没有办法形成极为复杂的原子结构,早期形成的原子基本上都是氢原子和氦原子,它们是原子序数最小的两个元素原子。(当然,其实还有极为少量的原子序数更高的其他元素原子。)
所以,宇宙中包括你身上的氢原子都有138亿岁了,从物质层面上看,它们是宇宙中最早的原住民。
那其他元素又是哪里来的呢?
其他的元素
宇宙大概2亿岁时,宇宙中的星云物质由于引力坍缩,开始形成大质量的恒星。这些恒星内部就发生核聚变,一开始先是氢核聚变,生成氦。
然后氦核聚变再生成碳和氧。
然后碳、氧还会继续发生核聚变再生成原子序数更大的元素原子,所以恒星就像是元素的炼丹炉一样,一路修炼到铁元素原子(其实也会有少量原子序数更高的元素原子。)所以,除了氢和氦之后,大部分原子序数在铁之前的元素原子都是由核聚变反应锻造出来的。
而比铁原子序数更高的元素是咋来的呢?
主要有两个途径,
超新星爆炸中子星合并如果一颗恒星的质量足够大,最终会引爆自身,发生超新星爆炸,在这个过程中就会合成原子序数比铁更高的元素原子。
但是像金元素,银元素的合成,按照目前最新的研究成果来看,它们大部分是由中子星的合并合成的。
所谓的中子星合并,其实和上面聊到的超新星爆炸是有关系的,大质量恒星尤其是(10倍太阳质量)的恒星,在演化的后期,如果核心的质量大于1.44倍太阳质量,小于3倍太阳质量,内核就会形成一颗中子星,这种天体半径也就10~30公里,但是仅仅一勺的中子星就大概要几亿吨,是极其致密的天体。如果两颗中子星相遇,就会发生合并事件。这可以说是宇宙中最刺激的事件之一了,在整个过程中就会合成金元素、银元素等原子序数特别高的元素原子。
所以,金子特别贵重也是有有道理,因为中子星合并其实是很少发生的。以上就是各种元素原子的由来。
而我们人体当中最多的是氧,然后是碳,再然后是氢和氮,磷。
我们可以看一下它们在元素周期表中的位置。
通过上文所说的,我们至少能知道的是,我们体内的氢原子是138亿岁,而碳、氮、氧等元素至少要大于45亿岁,最年轻也应该是上一代恒星生成的产物,毕竟地球是没有能力生产这些元素,而它们最高可能能达到第一代恒星出现的时期,也就是136亿岁。
除此之外,我们还应该知道,我们身上的元素都是在恒星的核心也就是恒星的心脏生成的,听起来是不是有点厉害?
▍我们身体里的每一个原子是不是都有几十亿年的历史,没法制造、也没法消灭一个原子?
基本上可以这么说,地球存在多久,我们身体内的原子就存在多久。
除了放射性元素外,大部分元素的原子核都很稳定,基本上不会发射衰变,所以绝大部分元素从形成开始,到现在都没有任何变化。当然也不能说的绝对,因为化学反应的时候还是会破坏原子外层的电子轨道的,元素得失电子,狭义上讲也算是元素的一种变化。但如果仅看原子核变没变来定义元素是否变化的话,那就是没有任何改变了,几亿年来都如此。
所以,我们每个人身体里的原子基本上都存在了46亿年,即地球诞生时开始存在一直到如今。当然,有些元素的存在时间还不仅仅是46亿年,因为它们在地球存在之前都已经存在了。甚至有的就是在宇宙大爆炸没多久后产生了,一直稳定存在到现在。不过有个原子有些特别,它就是氢原子,仅有一个质子作为原子核,一个核外电子。对于氢原子来说,我们无法定义它变没变,因为它只要和其它元素反应,那么就只剩下一个质子了。
至于我们可以不可制造原子或者消灭原子,身体内是不可能的。因为我们体内发生的都是化学反应,不涉及原子核的改变。但是利用仪器,到是可以创造原子。比如元素周期表中的人造原子,就是认为创造了。只不过很不稳定,半衰期很多。而消灭原子,只需要时期产生核反应就行。聚变或者裂变都可以,这个核弹就可以实现。
▍我们身体里的每一个原子是不是都有几十亿年的历史,没法制造、也没法消灭一个原子?
地球上目前已经发现了90多种元素,人体内就有60多种。人体内的60多种元素有最轻的氢元素,也有相对较轻的碳、氮、氧等,也有铁以及比铁重的碘、锌、铜、锰、硒等微量元素。这些元素不论在人体内含量高低,对人体的健康都非常重要。
人体内的这些元素都是从地球上获取的,地球的年龄大约是46亿岁,组成人体的这些原子是不是也有了46亿岁的年龄?未必都是,有很多原子的寿命已经超过了46亿岁,甚至可能超过了100亿岁,也有一些比较古老但是还不到46亿岁的,也有一些是新近形成的原子。
宇宙中含量最多的元素是氢,一个质子加一个电子就构成了氢原子,宇宙诞生后不久就可以产生出大量的氢原子。这些氢原子聚集在一起形成第一代恒星,依靠恒星的聚变制造出较重的元素。晚年大质量的恒星发生超新星爆发的过程还会制造出很多比铁重的元素。经超新星爆发喷射出的物质又可以重新依靠万有引力聚集在一起形成第二代恒星、第三代恒星等。
通过光谱分析可以知道,太阳上含有一些较重的元素,地球上也有很多较重的元素,这表明太阳不是第一代恒星,太阳是之前更大一颗恒星喷射出的物质聚集在一起形成的,地球是上一颗恒星制造出的较重的物质聚集在一起形成的。太阳以及地球上的很多原子,其年龄会超过太阳或地球的年龄。
水是人体内含量最多的化合物,地球上丰富的水并不一定是在地球诞生时就形成了,有人认为是含水丰富的彗星撞击地球将水带到地球上的缘故。如果是这样,这些水的年龄就不容易确定了。
宇宙射线中含有大量的质子,质子和电子结合后就制造出一个氢原子。这种制氢的方法一直在上演,你身上的一些氢元素,有可能就是近期靠这种方法制造出来的,这样的氢元素就非常年轻了。类似的情况还有,宇宙射线和大气作用、和地球上的物质作用会将一种元素变成另一种元素,这样的话也会产生新的原子。
有一部比较风靡的电视剧的主角是一位来自星星的帅哥,其实我们每一个人都可以算作是来自星星的物质组成的。我们身上的各种元素,是宇宙沧桑的记录。
------------------
推荐阅读:
上一篇:每次听民谣你都会有什么感觉?