揭开元素起源的奥秘

钱开鲁

人们在分析一些恒星辐射的光谱时发现，恒星上氢元素的相对质量百分比(称为丰度)非常大，其次是氦，而且在各种不同天体内，它们的值几乎是相同的；其他重元素的丰度却很少，对于不同天体，各种重元素的丰度也各不相同。因此，人们不禁要问:为什么天体中元素的丰度会出现这种情况呢?或者更直截了当地问:天体中的元素是如何形成的?

要回答这个问题，还得从宇宙的演化谈起。现在天体物理学家认为，宇宙最初只不过是一个超高温、超高密度的原始火球。大约一百多亿年前，原始火球发生大爆炸。在大爆炸后约百分之一秒时，宇宙的温度约为一千亿度。那时，宇宙中存在着大量的光子、电子、正电子、中微子和反中微子等轻子，它们的数目几乎相等。同时还存在着数目也几乎相等的质子和中子。根本没有什么原子，就连原子核也未形成。随着宇宙的膨胀，它的温度逐渐降低，大约在大爆炸后3分钟左右，温度已降到十亿。这时一个戏剧性的变化发生了，由一个中子和一个质子组成的第一原子核氘核开始形成。氘核一经形成，它又吸收一个中子构成了氚核，或吸收一个质子形成了氦的同位素(3He)。尔后，由氚核或氦的同位素核再吸收质子或中子，就形成了氦核。

那么，重元素的核是否也是在这个时候形成的呢?著名物理学家费米认为这是不可能的，因为凡质子数与中子数之和为5和8的稳定核是不存在的。因此，由一个质子(或中子)与氦核(两个质子与两个中子)，或氦核与氦核反应不可能形成稳定的较重原子核。而且这时粒子数密度较稀，任何二个或三个以上粒子的共同反应而形成较重原子核的可能性极其微小。那么，恒星中的重元素到底是怎样形成的呢?

1957年，威廉·福勒等人认为当星体核心部分的氢烧尽时，在引力作用下，星体收缩，于是它的压强升高，温度也随之上升，内部的氦开始燃烧。此时恒星内部密度很大，可以发生三个粒子的反应，如由三个氦核形成碳核。这样就绕过了不存在5个和8个粒子的不稳定核的困难。这个阶段的反应产物，除碳外，还有氧等其他原子核，接下去便是碳和氧的聚变。这样的核反应一个接一个下去，就产生了重元素。由于氢和氦是宇宙早期(恒星形成前)的产物，与恒星的不同演化阶段无关，因此，尽管恒星不同，它们的丰度几乎是相同的。

福勒的这一出色贡献，不仅正确地解释了宇宙中元素的起源，而且还从另一个侧面为大爆炸宇宙论提供了证据，为人们进一步探索宇宙演化增添了信心。

(插图:张从德)