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大哥大-人体由碳氧等十几种元素构成,那这些元素又是怎么来的?

当今主流观点认为人类起源于非洲,基因研究也表明人类拥有共同的祖先。事实上,当今地球上人类的生物学学名叫智人。经过古人类学家的长时间研究发现,历史上曾经出现过十几种人,但只有智人还繁衍至今,其它的都在进化的过程中灭绝了。

上图为历史上曾经出现过的人

化石证据表明,人类是由几百万年前的一种古猿进化而来的。注意是猿,不是猴子,而且是几百万年前的古猿,不是如今的猿类。这两者是有明显区别的,猿没有尾巴,而猴子有尾巴。

从生物学角度已经能够很好的解释人类的起源,那么从物理学角度如何解释人类的起源呢?物理角度看待问题更深刻,人类的起源其实就是万物的起源,没有地球又怎么会有人类。万物都是由各种元素构成的,形成有机物的关键就在于碳元素,那么这些元素是怎么来的呢?今天科学探索菌就带大家了解一下元素的起源。

古代元素论

关于万物的构成,古人很早就进行了相关的思考。古希腊的四元素说和古代中国的五行说都是最早的元素论,古人认为世间万物就是由几种简单的元素构成的。不过由于当时人类的认知水平落后,总结出来的观点都是错误的,但这确实是最早大哥大-人体由碳氧等十几种元素构成,那这些元素又是怎么来的?的元素论。

除了古代元素论,还出现了古代原子论,在历史记载中最早等差数列提出该观点的人是古希腊哲学家德莫克利特。德莫克利特猜想世间万物是由不可分割的微粒构成的,整个世界就是由原子和虚空组成的。这在当时来说,确实是天才般的想法。

显然,复杂的人体是不可能由这么简单的几种元素构成的,想用该理论指导治病救人更是行不通的。

什么是元素?

就人类目前的认知来说,除了暗能量和暗物质以外,宇宙中的普通物质都是由各种元素构成的。不管是人,还是太阳地球,它们都是由各种元素构成的。

现代科学对元素的定义:元素就是一类具有相同质子数的原子。一个原子由原子核和核外电子构成,而原子核又由质子和中子构成。质子和中子的质量差不多,原子核则占据了原子总质量的99%以上。那是因为一个质子的质量是一个电子质量的1836倍。

上图为原子的内部结构示意图

具有一定大哥大-人体由碳氧等十几种元素构成,那这些元素又是怎么来的?质子数和中子数的一类原子,被称之为核素。一类元素的质子数必须相同,但中子数可以不同。一种元素一般有好几种核素,核素之间互为同位素。比如氢元素就存在三种天然核素:氕、氘、氚,通常我们所说的氢原子就是指的氕。不同同位素占元素的比重也不同,比如宇宙中的氢元素主要就是氕原子。

人体由哪几种元素构成?

古人曾认为世间万物是由金木水火土5种元素构成的,如今科学家们总共已经发现了118种元素,其中有92种是在地球上天然存在的。一种元素对应着许多种核素。目前人类已经发现2000多种核素,其中仅有300多种是天然存在的,余下都是人工制造的。人造核素大多不稳定,具有放射性。

地球上虽然有92种天然存在的元素,但一般只有质子数在84及以下的元素才具有稳定的核素。据科学家们统计,地球上的生命主要有28种元素构成,而人体中主要含有11种元素,它们是氧、碳、氢、氮、钙、磷、钾、硫、钠、氯和镁,这11种元素占人体总质量的99%。

除了这些常量元素,还有一些必要的微量元素,它们之间通过化学反应形成了种类繁多且复杂的化合物。这些化合物(主要是有机化合物)通过极奇复杂的方式进行组织,于是便形成了生命,人体就是由这些化合物构成的。

元素周期律和元素周期表

19世纪中叶,人类已经发现了60多种元素,人们总是向往简洁有序,于是便有科学家开始着手研究元素的分类问题。

世界上最早发现化学元素的性质具有周期性变化规律的是英国化学家纽兰兹,他提出了关于元素周期变化的八音律。此后,俄国的化学家门捷列夫在此基础上,通过大量的工作完善了元素周期律,并发明了元素周期表。

上图为晚年的门捷列夫

科学家们发现,元素的物理化学性质会随着相对原子质量的递增而呈现周期性的变化。元素周期律的本质是质子数的递增,以及核外电子的周期性排布。外层电子的分布对元素的化学性质具有很重要的影响,比如化合价等。

元素周期表的诞生,对指导人类发现新元素、研究物质的化学变化及化学性质起到了非常重要的作用。现代版的元素周期表已经非常完善了。

上图为现代版的元素周期表

元素的数量还能继续增加吗?

人类如今已经发现了118种元素,那么还会发现第119种,甚至更多的元素吗?有一点很明确,元素的数大哥大-人体由碳氧等十几种元素构成,那这些元素又是怎么来的?量是有限的,元素周期表不可能无限扩张。

依据规律,元素的原子量不可能无限增长,这主要受限于原子核的稳定性。核内质子带有同性电荷,虽然同性相斥,但强大的核力盖住了库伦斥力,将它们强行粘合在大哥大-人体由碳氧等十几种元素构成,那这些元素又是怎么来的?一起,而中子正是起了稳定原子核的作用。此外,呆在原子核内的中子,其寿命会更稳定,而自由中子的寿命只有10多分钟。除了氕原子核(一个质子),其它核素都需要中子。

如图所示,中子衰变后会转变为质子,并释放出一个电子和一个中微子。

随着质子数的增加,原子核内所需要的中子数也越来越多,这会导致原子核的稳定性变差,最终发生放射性衰变。研究表明,原子序数或者质子数在84以上的元素,大多都是放射性元素,有些放射性元素的原子的寿命只有数秒钟。实验还发现,核素中质子数和中子数为幻数时,核素的稳定性要高很多,并且稳定核素中质子数和中子数有各自成对的趋势。

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目前有一种叫做稳定岛的理论,该理论预言,在质子数为114、中子数为180附近,有可能存在一些比较稳定的核素。若该理论正确的话,这就意味着还存在更多种类的元素。这些元素可能要在特定环境下才能够稳定存在。

目前看来,理论上还可能存在119号及更多种类的元素,元素周期表还有可能发生改变。

这么多元素从何而来?

元素的种类虽多,却由质子数决定。

科学家们研究发现,宇宙中元素的分布是不均匀的,其中氢元素的丰度最高。随着原子序数的增加,元素在宇宙中的占比也呈下降趋势。不存在一些不同,比如铁和铅的丰度的异常升高,这与元素的稳定性以及核融合有关。

上图为不同元素在宇宙中的相对丰度

不同元素之间可以通过核反应相互转换。至于宇宙中重核元素为何比轻核元素少,这得从元素的诞生说起。

众所周知,宇宙诞生于大爆炸,宇宙中最早的一批原子是氢原子。宇宙中数量众多的恒星就是由氢构成的。恒星在它的生命周期中会发生数轮核聚变反应,那些质量较大的恒星在聚变到铁元素后就不会再聚变了,这是因为铁的平均结合能最大。铁之后的重元素则诞生于恒星死亡时的那一刻,大质量恒星在衰老死亡时会发生超新星爆炸,那时产生的高温高压才足以创造金、银之类的重元素。而重元素又存在较多的不稳定核素,会衰变成更轻的元素,因此才会产生发生重元素的丰度比轻元素少的情况。因为重元素更难合成,并且核素的不稳定性更高。

上图为不同元素的结合能,其中铁元素最高。

根据预测,随着恒星的不断形成及衰老,宇宙中铁元素的含量还将持续升高,氢元素的含量还将会持续下降。

由此可见,宇宙中种类众多的元素都是从氢原子开始构建的,在恒星这个大熔炉中,不断锻造生成其它种类的元素。

来自星星的我们

没错,你没听错,构成我们的材料来自于天上的星星。天上的星星千千万,绝大多数都是恒星。不过我并不是外星人,而是土生土长的地球人。

从上面两张图可以看出,晚期恒星内部中的元素同样可以在地球上和人体中找到。构成我们身体的材料就来源于死亡后的恒星,恒星消亡时那美丽的一瞬间,为生命的诞生创造了可能。宇宙中要是没有碳元素,很有可能就不会诞生人类。

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