生命中的化学元素 - 复旦大学通识教育课(3)

的宇宙起源的最好理论。

化学元素的诞生

宇宙之初，万物皆无，既没有时间、空间、恒星、行星，也没有动物、植物和人类。然 而，一切均从“无”到有。最初的“有”就只是一片“浑然一气” 电子、夸克和其他粒子所构成的灼热等离子体。

随着等离子体的迅速冷却，就形成了质子、中子、原子核、原子、恒星、星系和行星， 最后在许多合适的星系中可能都形成了生命，其中的一个就是我们的太阳系，并“碰巧”产 生在它的一个行星——地球上，经过大约40多亿年的变迁，在地球上由化学元素形成最简 单的生命开始，最终进化成了植物、动物和人类。这就是宇宙及生命发展的简史，也是宇宙 的进化史。 1．夸克

1964年美国物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格提出质子和中子是由更小的粒子所组成 的，组成它们的粒子是三个夸克。1966年在美国的大型电子加速器上工作的物理学家们证 实了他们的假设。1970 年欧洲核试验中心用中微子轰击质子的试验也证实了这一假设。 科学家们的研究证明。要描述宇宙中所观察到的稳定的核物体需要有两种夸克，科学家

图 2-13 质子、中子结构示意图

们把它们写成u和d，分别表示上夸克和下夸克。上夸克带有2/3个正电荷， 个正电荷.

根据夸克理论，夸克是一类没有内部结构的“点状”粒子，它们共有六种，有上夸克、 下夸克、

事实证明， 2 中微子

科学家们发现，中子是不稳定的，它在衰变时，会放出质子、电子和另外一种粒子—— 中微子，中微子也是一个不能分割的基本粒子：

n（中子）→p（质子）+ e（电子）+ ν（中微子）

中微子是中性的粒子，其静止质量为零，穿透力极强，因此它能通行无阻地穿透任何物 质，又质量非常之小，几乎不与其它物质起反应。1942年，我国著名的核物理学家王淦昌 发表了一篇论文《关于探测中微子的一个建议》登载在美国权威的《物理评论》1月号上， 同年6 月号，该杂志就发表了美国物理学家艾伦根据王淦昌的建议所做的实验，证实了中 微子的存在。

除了夸克、中微子外，电子也是一个不能分割的基本粒子，迄今为止还没有发现能构成 电子的粒子。

3化学元素的最初核合成

我们从大爆炸后的八个阶段的推测中已经知道，宇宙生成的大致结构如下：

图宇宙生成的大致结构图

显然，化学元素的生成应该从原子核的生成开始。根据科学家们的观测，宇宙空间中充

满了星际气体，这种气体弥散在浩瀚的太空里，大部分是氢气，它们构成了星系总质量的大 部分。除了氢云之外，还有着氦云，它们都是宇宙大爆炸的产物，因此氢和氦应是宇宙中最 早出现的元素。当宇宙的年龄约在100秒，平均温度降到10万K时，质子和质子的融合形 成了氦核。其过程如下：

D（氘核）+γ（光子）

H+n →

1 2

H →3 He +γD+ He →He +2 1 H

这就是宇宙中化学元素的最初的、在大爆炸中的核合成。根据弱相互作用计算，核合成 初期的中子与质子比约为1：，

氦的质量百分数约为25%，这与天文学的观察完全相符。 4 化学元素的恒星核合成

1）.恒星的生成

宇宙年龄大约在十万~一亿年时，平均温度已降到了300K，此时的氢云和氦云极其巨 大，由于氢和氦粒的不均匀的分布产生了引力中心，在引力中心的吸引下，经过漫长的年代 就形成了致密的原子团，

的物质。引力的收缩不断地把原子挤压得越来越紧密，温度变得越来越高，最终也便生成了 恒星。为什么重元素不能在大爆炸中的最初核合成中生成？这是因为当时缺乏质量数为5 和8的稳定核素，而无法在最初宇宙条件下生成比氦重的原子核。

2）.化学元素的恒星核合成和“铁峰”

1938年，贝特提出了恒星的热核聚变理论，他认为太阳和恒星的能源是来自于星体的 核心部分的核反应，由于恒星在生成的过程中，中心的温度极高，这就使得粒子有极高的动 能，原子核之间能克服静电排斥而人发生碰撞，结果就发生了热核聚变，较轻的原子核合成 为较重的原子核，

的辐射，这就开始了化学元素的恒星核合成。根据科学家的研究，这一核合成经历了以下一 些过程：主序星、红巨星、白矮星，一直到超新星爆发。下面是主序星到红巨星变化的三个 阶段的示意图：

图化学元素的恒星核合成

可以看到恒星的最初是由聚集的氢云形成的，

成了氦， 氧元素，

进一步核反应的结果，温度继续升高，碳、氮、氧燃烧的结果就生成了硅和镁，再往后，恒 星的中心区就生成了铁，形成了恒星的铁核，这便形成了“铁峰”

尽，更重的元素的合成需要更高的能量，恒星的核合成已不能继续完成，核火快烧尽时，温 度下降，恒星就收缩为白矮星，直至完全烧尽，其中少数发生了爆炸，即为超新星。

由于在恒星的最初的核反应中生成了大量的氦，

在恒星的核合成中产生而并非是在大爆炸中产生的，但是科学家们指出，在天体中，氢、氦 是最丰富的元素，二者丰度之和约为99%，其余的元素越重的也就越少。氦的丰度约为 25~30%。如果所有的氦都是在恒星中合成的，那么这一核合成中释放出来的能量就应该成 为宇宙的背景辐射，

3）元素合成中的“A8沟”和霍伊尔假说

根据元素的恒星核合成的理论，重元素是由轻元素合成的，这一合成的顺序应该是按 着质量数的排列进行的，也就是按次序进行以下的合成：

H H →→

4

H He

2

2

2

→

6 8

Be

Li

H +

4

He

2 He

元素生成的反应进行到这里便发生了问题，因为现在已知8 Be是很不稳定的，有着很 短的半衰期，因而在宇宙的星体中很少有8 Be，既然如此，进一步的反应显然将会因此而中 断，如果不存在原子量A=8，

科学家的研究发现了恒星中的碳的丰度特别大，

不是形成了8 Be。生命元素碳为什么会在宇宙中继氢、氦之后先出现？A8沟与碳的合成又 有什么关系？

为了解决这个问题， 个反应：

8 4

4

→

Be +

12

He →

C

但是Be是极不稳定的，很快就会衰变，因此理论上是无法进行的，霍伊尔认为这个反 应实际上进行得很快，是一个共振反应，它比8 Be存在的时间还要快，而且他还认为碳可以 在两个氦核聚合成一个铍核开始的过程中合成

Be ?8 Be + 4 He → →2 4

He

8

12

C

C

实际上就是

3 He →

4 12

它们之间存在着共振，

霍伊尔还预测了这一共振反应的能量，美国加利福尼亚工学院核物理实验室以后进行了实 验，证明了这一假设是正确的。应该指出，如果不存在共振，宇宙中的碳很可能只是微不足 道的元素, 结果地球上也就不可能形成生命。 这便是当今科学家所能告诉我们的“故事”

4）碳氮氧循环

恒星核反应的继续燃烧使得其它元素逐步合成，越过A8沟后生成了碳，接下去的就是 碳氮氧循环：

12 1 13

C +

H →

?

N +γ

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