元素起源 (Origin of Elements)

大爆炸理论 (Big Bang Theory)

证据 (Evidences):
- 星系的红移 (Red shift of galaxies)
- 宇宙微波背景辐射 (Cosmic background radiation)
- 宇宙物质的氢/氦比例 (H/He ratio) (3:1)
大爆炸后 (Immediately after the Big Bang): 温度极高，只存在基本粒子，没有原子或元素。宇宙快速膨胀，温度迅速下降，核反应窗口期极短。
大爆炸中的元素产生 (Element Production during the Big Bang):
- 物质主要为中子 (neutrons)。
- 中子衰变为质子 (protons) 和电子 (electrons)。
- 中子与质子碰撞生成氘 (²H)。
- 产生最初的几种元素 (前五种)。
- 主要产物是氢和氦，丰度高。
- 锂 (Li)、铍 (Be)、硼 (B) 丰度低。

质子 (Proton): 带正电。
中子 (Neutron): 不带电。
中子与质子互变 (neutron vs proton):
- 自由中子不稳定，通过β衰变 (beta decay) 转变为质子和电子。
- 质子通过俘获电子 (electron capture) 转变为中子。

恒星形成 (Formation of stars): 气体云在引力作用下收缩，温度升高。当核聚变产生的热量足以抵抗引力收缩时，恒星诞生。恒星越大，引力越强，所需热量越多。
核聚变过程 (Nuclear Fusion process):
- 氢聚变为氦 (Hydrogen -> helium)。
- 氦聚变为碳 (He -> C)。
- 碳聚变为氧 (C -> O)。
- 继续聚变生成更重的元素 (O -> Ne, Ne -> Mg, C, O -> Si, O, O -> S, S, S -> Fe)。
- 生成质量数为4的倍数的核素 (alpha particle nuclide) 丰度较高。
- 核聚变在生成铁 (⁵⁶Fe) 时停止，因为铁的核子结合能最高，再聚变不再释放能量。
比铁重的元素形成 (Formation of elements heavier than Fe):
- 中子俘获 (Neutron Capture): 在超新星爆发或恒星内部，自由中子被原子核吸收，原子核变重。吸收中子的原子核经过β衰变，中子转变为质子，原子序数增加。
- 快中子俘获过程 (r-process): 发生在超新星爆发中，中子密度极高，原子核快速俘获大量中子。
- 慢中子俘获过程 (s-process): 发生在恒星内部，中子密度较低，原子核缓慢俘获中子。
- 通过s-过程和r-过程可以解释比铁重的元素的形成和丰度分布。

超新星爆发 (Supernova explosion): 大质量恒星死亡时发生剧烈爆炸，将恒星内部合成的元素抛射到星际空间。
- II型超新星 (type II supernovae): 大质量恒星坍缩引起。
- I型超新星 (type I supernovae): 白矮星从伴星吸积物质达到临界质量引起。
超新星爆发将元素散布到星系中，为行星和生命的形成提供物质。