首頁 » 【科學科普】什麼元素在地球上極為稀缺,而在其它星球上卻到處都是?

【科學科普】什麼元素在地球上極為稀缺,而在其它星球上卻到處都是?
2021/09/19
2021/09/19
 

哇!真的第一次見哎,知識不會,衹是姿勢不對;科學凡此種種,用人話講才能聽懂

文/天空之城團隊

 

迄今為止,科學家已經確認了118種元素,這些元素通過各種複雜且精妙的組合,就構成了我們平常所見的所有物體,而宇宙中的那些形形色色的天體,同樣也是由各式各樣的元素組成。儘管已知元素的種類很多,但這些元素在宇宙中所占的比例卻存在著巨大的差異。

在可觀測宇宙中,氫元素(Hydrogen)佔據了73.9%的質量,因此穩居第一名,而宇宙中第二多的元素——氦(Helium),也佔據了可觀測宇宙24%的質量,其餘的2.1%,則是其它元素全部加起來所佔據的比例。

有沒有什麼元素在地球上極為稀缺,而在其它星球上卻到處都是?

我們地球上的氫元素還是蠻多的,但氦這種宇宙中第二多的元素,在地球上卻極為稀缺,研究資料顯示,在地球大氣層裡的氦含量僅為5.2ppm(百萬分之五點二),而地球內部的氦含量也是微乎其微。

與之形成鮮明對比的是,氦在其它的很多星球上卻到處都是,比如太陽系中木星、土星、天王星和海王星上面都存在大量的氦,而太陽的氦含量更是達到了24.85%之多,即使是在小小的月球上,也存在至少100噸的氦-3。

如果說氦對人類沒啥用也就罷了,但氦對人類偏偏卻很重要,時至今日,人類的航空航太、超導環境、雷射器、深潛作業、高端加工……等等眾多的領域都需要氦氣,而氦-3則被科學家認為是可控核聚變領域中的「最佳燃料」。

所以問題就來了,氦明明是宇宙中第二多的元素,為什麼在地球上卻極為稀缺?宇宙為何會如此偏心?我們接著看。

宇宙中的氦元素是怎麼來的?

需要注意的是,儘管氦元素可以由恒星內部的核聚變反應生成,比如說太陽的內部,氫原子核就在不停地聚變成氦原子核,但宇宙中大多數的氦元素卻是產生于宇宙誕生之初的「原初核合成期」,而不是來自于恒星。

根據大爆炸宇宙論,我們的宇宙誕生于一個溫度極高、體積極小、密度極大的「奇點」,在「宇宙大爆炸」發生之後,隨著宇宙的密度和溫度不斷地降低,在10秒至35分鐘這段時間內(即「原初核合成期」),宇宙中的質子(也就是氫原子核)已經生成,而宇宙的密度和溫度也達到了發生輕核聚變的標準,于是很多質子就發生了聚變,從而生成了大量的輕元素,其中的絕大部分都是氦元素。

也就是說,在「原初核合成期」之後,氦元素就已經成為了宇宙中第二多的元素。

太陽系的形成

根據星雲理論,太陽系形成于一片巨大的分子雲,這被稱為「太陽星雲」,在大約46億年前,這片星雲發生了坍塌,其中的物質在引力的作用下不斷吸積,最終在其中心形成了太陽,而剩餘的物質則逐漸形成了太陽系中的其它天體,其中就包括我們的地球。

通過以上的介紹我們可以知道,「太陽星雲」原本就存在著大量的氦,因此在地球形成的時候,其氦含量本來也應該挺高的,然而由于氦很輕,其化學性質又非常不活潑,幾乎不可能與其它元素形成更重的化合物,而地球的質量又無法產生足以束縛氦的引力,因此接下來的時間裡,地球就漸漸地失去了那些本該屬于自己的氦。

很明顯,質量較大的星球就可以留住氦,這就是太陽以及木星、土星等星球擁有大量的氦的原因。至于月球上的氦-3,則是太陽釋放的恒星風帶給它的,而在同樣機制的作用下,水星上也存在著大量的氦-3,而由于水星離太陽更近,因此水星上的氦-3應該會比月球還要多。

需要注意的是,太陽風本來也會地球帶來氦-3,但地球卻擁有一個強大的磁場,所以這些氦-3就被擋住了,根本就無法來到地球表面。

現在地球上的氦又是哪裡來的呢?

答案就是放射性元素的衰變,像鈾、釷這樣的重元素,其原子核不大穩定,它們會有一定的機率發生衰變,其中有一種衰變被稱為α衰變,即原子核釋放出一個α粒子,同時其原子序數減2。

α粒子由兩個中子和兩個質子組成,說白了就是氦原子核,而現在地球上的氦也就是因此而來。通常情況下,這些氦會慢慢地釋放到空氣中,並最終從地球大氣層的頂層逃逸,但如果放射性元素周圍存在著天然氣的話,這些氦就可能會被天然氣捕獲,而我們人類目前所使用的氦,大多數都是來自這種富含氦的天然氣。

總結

儘管氦在地球上極為稀缺,而在其它星球上卻到處都是,但我們也不必抱怨宇宙的偏心。因為如果在太陽系形成之初,地球的引力能夠強大到足以束縛住氦,那地球的質量將會比現在大得多,在這種情況下,地球就會成為一顆像木星、土星那樣的巨行星,而如果太陽風能夠將氦-3送到地球表面,就意味著地球沒有磁場,或者磁場極弱,由此可見,如果地球真的擁有大量的氦,那我們人類也就不可能存在了。

 

解讀科學知識,探索科學趣聞,感受科學魅力,我是天空之城,喜歡我的文章,歡迎来到【哇!真的第一次見哎】點贊分享,大家下次見!

 
搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論