元素起源

元素起源（ origin of elements ），研究宇宙空间各种元素（核素）的形成条件、过程与发生地点。天体化学研究的重要内容。与核物理、天体物理和天体演化等学科密切相关。是宇宙物质的形成和演化问题的一个组成部分。

研究简史

1889年F.W.克拉克提出元素起源于原始的“不可分原质”的近代设想。1949年，G.伽莫夫等提出了宇宙起源的大爆炸模型，试图通过早期致密宇宙大爆炸的多次中子俘获来建造所有的元素，但是由于不存在质量数为5和8的稳定核素，在解释合成氦元素时遇到了困难。另一个途径是设想元素在不同时间、不同场所和不同天体物理条件下不同的核过程产生，这个途径获得了成功。以这一假说为基础，相继建立了恒星氢燃烧理论，实现了在恒星中逐步合成重元素的设想，在此基础上1957、1958年G.伯比奇夫妇等人详细计算了各种核合成过程，提出了恒星中合成核素的系统模型，奠定了元素起源的现代理论基础。现已经能够描绘出一幅元素起源的轮廓图。

宇宙核素合成

宇宙大爆炸产生了宇宙中两个丰度最大的核素——氢（¹H）和氦（⁴He），以及少量的²H、³He与⁷Li，这些物质凝聚成星系与恒星。恒星中的氢燃烧为其提供了大爆发能量，使之产生了一系列轻核。相继氦燃烧产生了¹²C和¹⁶O。这些恒星中的燃料经历爆炸核燃烧，合成原子质量A为20～60的大多数核素。恒星演化的最终阶段，产生了快的中子俘获过程（r过程）与慢的中子俘获过程（s过程），形成一系列重元素。某些低丰度、匮乏中子的核素主要通过俘获质子的p过程产生。星际介质中的重元素受宇宙线作用产生散裂反应，并形成Li、Be与B等元素。天体化学家已经在下列认识方面取得一致：各种元素是在宇宙核合成和恒星演化中通过各种核聚变、核反应逐步合成的，超新星爆发时通过俘获而形成了一系列重元素。恒星演化的阶段反映了元素的形成与演化过程。

氢和氦是宇宙核合成中最丰富的元素，也是元素起源的关键所在。观测表明，重元素的合成过程确实发生在恒星中，而重元素都是由最轻的元素逐渐合成的。

宇宙在密度近乎无穷大、温度10³²K以上时，极强的引力能转化为粒子能，当kT（k为玻耳兹曼常数，T为温度）大于某种粒子的静态能(mic²)时，这种粒子就会大量产生并存在；反之，它就会湮没。到10¹⁰K以下时，部分中子自由衰变为质子，另一部分与质子结合形成原子核；在T为10⁹K时，生成4He质量分数的25％。在宇宙温度降到10⁹K以下后，宇宙中只有由湮没残存重子所形成的质子、⁴He核、极少量的D（氘）和³He等核，以及湮没残存电子组成的等离子体。到温度为4×10³K时，等离子体复合成中性原子气体，与辐射场脱离耦合，宇宙遂变得透明。

恒星核素合成过程

伯比奇根据元素的宇宙丰度特征，系统地提出了恒星中合成元素的假说。当宇宙中产生了大量的氢与氦之后，气态物质由于引力收缩形成了恒星与星系，由于自转加速，恒星的温度逐渐升高；在足够的温度与密度条件下，原子核有可能由于静电斥力发生聚变反应；随着恒星内部的温度逐渐升高，发生了一系列由较轻元素转变成较重元素的核过程，一直到平均结合能最大的铁组元素为止。恒星内部的温度继续升高，甚至发生爆炸而产生大量中子，使已生成的各种核素俘获中子进一步产生各种重核。

伯比奇等人的假说将元素在恒星中的形成过程划分为8个过程。

①氢燃烧。这个过程包括质子–质子反应链与碳–氮反应链，以及⁴He、¹⁴Ne、²H、³He与⁷Li的合成。

②氦燃烧。该过程形成¹²C、¹⁶O、²⁰Ne与²⁴Mg等核素。

③α过程。这是α核与20Ne核的合成反应，所以也称氖燃烧过程；形成具有4n结构的核素，如²⁴Mg、²⁸Si、³²S、³⁶Ar、⁴⁰Ca，可能还有⁴⁴Ca与⁴⁸Ti。

④e过程。高温下核的热统计平衡可形成Fe、V、Cr、Mn、Co与Ni等铁组元素。

⑤s过程。这个过程中靶核俘获中子的时间比形成新核素的衰变时间要长，所以是一种慢的中子俘获过程，每一个中子俘获步骤约需100年到10万年，在此期间有充裕的时间允许存在不稳定核衰变。s过程的起点为Fe–Ni区，最终产物为209Bi，形成23≤A≤46和63≤A≤209的许多核素，并出现A为90、138和208的峰值。

⑥r过程。恒星爆发提供了大量中子，在0.01～10秒的时间尺度内，俘获中子要比形成的靶核衰变的时间短得多，形成一系列70≤A≤209的核素，甚至形成铀、钍与超铀元素，产生A为80、130与190的峰值。理论上r过程可以合成中子数在200以上的核，其终点元素可能达到超重元素区。

⑦p过程。俘获质子的过程形成一些富含质子而丰度低的核素。

⑧x过程。形成D、Li、Be与B等核素。这些核素在恒星条件下很不稳定，因此它们形成于较低温条件。

核素合成发生的区域

不同的元素是在不同的核合成过程中产生的，因此它们合成的场所也各不相同。宇宙核素合成发生于高温、致密的早期宇宙中，散裂核反应生成轻元素发生于星际介质中，其他的核素合成过程发生于恒星中。

恒星核素合成过程与恒星演化阶段是相对应的。氢燃烧发生于主序恒星中，它是恒星能量的主要来源。红巨星内部发生氦燃烧，表面是s过程的发生区域。爆炸碳、氧与硅燃烧、e过程、r过程、p过程发生在恒星演化末期。

超新星是爆炸核素合成的主要区域。它具有层状结构，各层物质是各静态核燃烧过程的产物。新星是爆炸核素合成¹³C、¹⁵N、¹⁷O和¹⁹F的区域。

恒星由弥漫的星际介质凝聚而成，在其生命的后期又通过爆炸把核素合成产物抛向星际空间。由此新的恒星又从星际介质中诞生。恒星的寿命与其质量相关，质量越大，演化越快，寿命越短。太阳（年龄约为46亿年）和质量比太阳大的恒星，寿命比银河系年龄（约120亿年）短得多。表明银河系目前的元素分布特征是若干代恒星核素合成产物的综合结果。太阳系的元素分布特征，反映了太阳系形成之前活跃在银河系中的各种核素合成过程产物的累计平均状况。