我们身体里的每一个原子是不是都有几十亿年的历史,没法制造、也没法消灭一个原子?

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我们身体里的每一个原子是不是都有几十亿年的历史,没法制造、也没法消灭一个原子?突然发现这个话题将人体和宇宙诞生的上百亿年联系在了一起,根据人体元素组成的不同,甚至我们可以追溯每一种元素诞生的时间表,可以简单的说,我们人体的每一个原子都跟天体的

我们身体里的每一个原子是不是都有几十亿年的历史,没法制造、也没法消灭一个原子?

突然发现这个话题将人体和宇宙诞生的上百亿年联系在了一起,根据人体元素组成的不同,甚至我们可以追溯每一种元素诞生的时间表,可以简单的说,我们人体的每一个原子都跟天体的发展有着密切的关系。

人体由哪几种元素组成?

自然界总共有92种元素,而人体中的元素大约有60种,约占2/3,常见的一般都集中元素周期表20号内的,比如氢、氧、硫、氮、磷、氯、钙、钠、钾、镁、碳等,但占人体比例最高的几种元素分别为:

  1. 氧(O):65%
  2. 碳(C):18%
  3. 氢(H):10%
  4. 氮(N):3%
  5. 磷(P):1.4%
  6. 硫(S):0.3%
  7. 其他元素(铁、铜、锌、锰、钴、钒、铬、钼、硒、碘):<0.3%

我们被称为碳基水基生命,这三种元素占了人体组成比例的93%以上,所以说碳基水基生命可不是乱说的,人体中含有70%以上的水,而水则由氢元素和氧元素构成,而其他有机物的就是碳的各种化合物,包括我们日常摄入的大量碳水化合物等。

这些元素都是从哪来的呢?

这个应该从元素的差异开始说起,我们知道元素的差异就是原子核的差异,而原子核是由质子和中子构成,质子数的差异就是元素的差异,中子数的差异就是元素的同位素差异。

我们也知道质子和质子或者质子和中子之间是由强作用力结合在一起的。而要让它们结合在一起就需要耗费大量的能量,并且遵循如下规律:

元素的比结合能

比结合能越高,聚变所需的环境就更极端,所以各位都应该知道,我们身体中的每一个原子都经受过你难以想象的高温考验哦,我们从氢元素的诞生开始说起。

  • 氢元素的诞生

宇宙中本没有氢,也没有时间与空间,甚至有没有一切,只有一个无比致密的奇点,在某个时刻这奇点开始了扩张,在这个迅速扩张的空间中充满了能量,空间扩张温度下降,当地与夸克胶子相变温度时,它们开始结合成重子物质

当温度继续下降,宇宙诞生三分钟时这些重子或者重子结合形成了氢、氦与锂元素的原子核,但此时温度仍然极高,电子还是游离状态,宇宙中充满了自由电子与离子,一直等到宇宙扩张到37.9万年时这些离子终于捕获电子,真正构成了原子。

氢元素诞生了,同时诞生的还有少量氦元素和微量锂元素。

  • 碳元素的诞生

质子反应链是从氢到氦的重要过程,如下图:

碳元素是由氦三经过聚变反应生成的,所需的时间比较长,因此在宇宙大爆炸3分钟时并不足以诞生碳元素,它会在恒星聚变的过程中产生。

4He + 4He + 93.7 keV ? 8Be

8Be + 4He ? 12C + γ + 7.367 MeV

Be8生成是不稳的那个的,会在2.6×10^-16S内分裂回氦,但它可以在个时间内捕获氦原子形成碳-12,这就是碳元素的来历。

当然并不是所有的恒星都能达到,比如比邻星就只能到氦,因为它达不到氦四聚变的温度(约一亿K)。

  • 氧元素的诞生

氧元素从碳元素聚变而来,它需要6×10^8 K的高温和2×10^8kg/m3密度条件,

12C + 12C→20Ne + 4He + 4.617 MeV→23Na + 1H + 2.241 MeV→23Mg + n - 2.599 MeV

12C + 12C→24Mg + γ→16O + 24He (吸收能量核聚变反应)

氧也从此时诞生了。

  • 氮元素的诞生

跟上文质子链反应的产生能量的方式一样,类日恒星的另一个能量来源是碳氮氧循环。

类日恒星中碳氮氧循环产生的能量只占1.7%,但计算表明质量更高的恒星可能是能量主要来源。

......略

铁元素的诞生

中间的元素就不一一介绍了,我们直接上终极元素铁,这是恒星聚变能达到的最后一种元素,因为铁以后的元素都需要是吸收能量,聚变是无法形成更重的元素了,但慢中子捕获可以,重子捕获生成新元素的过程其实比较容易理解。

中子俘获后的中子β衰变,生成质子数+1,原子序数+1的重元素,恒星的主序星时代和红巨星时代主要是慢中子捕获,尽管效率比较差,但因为时间漫长,所以生成重元素总量仍然可观,而另外一个就是超新星爆发时的快中子捕获,这也是另一半重元素生成方式。

氕→氘→氦-4 → 铍-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 镁-24 → 硅–28 → 硫–32 → 氩–36 → 钙–40 → 钛–44 → 铬–48 → 铁–52 → 镍–56

从氢一路聚变到镍的过程,如果你不知道哪种铁之前的元素由来,那么它基本是由慢中子捕获诞生的,而铁以后的重元素则慢中子和快中子捕获产生,快中子捕获则需要以铁原子为基底,快速生成重元素。

当然另一个更高效的重元素方式中子星合并(快中子捕获,或者自由中子衰变)

咱已经知道了身体中的元素是怎么来的了,准确的说,氢元素的年龄从氢原子核算起大约138亿年了,碳元素和氧元素以及后面的所有大概是133-135亿年,总数约有7×10^27个,无论我们怎么折腾,这些原子都无法消灭,即使百年之后的火化也无法消灭任何一个,不过如果被太阳吞噬,那么我们可以预估,应该有部分原子会被聚变成更高序数的元素,简单说就是原子少了,但质能依然守恒。

客观地说,我们身体里每一个原子年纪都比我们自己年纪还要大,当然我们的寿命在它们面前,可以完全可以忽略不计,实际上,连地球寿命都没有办法和它们进行比较。那具体是咋回事呢?

宇宙大爆炸

我们要从宇宙大爆炸说起,我们现在知道宇宙诞生于一次大爆炸,大爆炸之后短暂的时间内,宇宙中只有光子,夸克等基本粒子,宇宙“基本上”可以看成是纯能量的,原因是像电子,质子,中子都没有出现,更不要说原子了。

那早期的原子结构是咋来的呢?我们这里还是要拆解一下,我们初高中都学过原子结构,原子是由电子和原子核构成的,而原子核又是由质子和中子构成的。

(当然这个说法并不精准,但并不妨碍我们对后面的事情进行理解。)

也就是说,原子结构想要出现至少需要质子、中子、电子的存在。那三种粒子是咋来的呢?其实就一个字:

我们都知道物质其实都有对应的反物质,比一个电子的反物质就是正电子,如果它们撞到一起就会湮灭。

而早期的宇宙温度特别特别高,都在几十亿的水平。在这样的环境下,一堆光子所获得的能量能够高于一对电子所对应的的能量(可以通过E=mc^2来计算),那么一对光子对撞后就有可能产生电子,当然其他的质子和中子也可以通过这个方式来。下图中阈值温度就是光子所需要的温度。

在形成电子,质子,中子后,这时候的电子,质子,中子就像一锅粥一样都挤在一起,没有完整的原子结构,这时候温度还太高,直到宇宙38万岁后(也就是宇宙大爆炸后,过了38万年),宇宙的温度降到了2700度左右,这时候原子结构形成。不过,这时候并没有办法形成极为复杂的原子结构,早期形成的原子基本上都是氢原子和氦原子,它们是原子序数最小的两个元素原子。(当然,其实还有极为少量的原子序数更高的其他元素原子。)

所以,宇宙中包括你身上的氢原子都有138亿岁了,从物质层面上看,它们是宇宙中最早的原住民。

那其他元素又是哪里来的呢?

其他的元素

宇宙大概2亿岁时,宇宙中的星云物质由于引力坍缩,开始形成大质量的恒星。这些恒星内部就发生核聚变,一开始先是氢核聚变,生成氦。

然后氦核聚变再生成碳和氧。

然后碳、氧还会继续发生核聚变再生成原子序数更大的元素原子,所以恒星就像是元素的炼丹炉一样,一路修炼到铁元素原子(其实也会有少量原子序数更高的元素原子。)所以,除了氢和氦之后,大部分原子序数在铁之前的元素原子都是由核聚变反应锻造出来的。

而比铁原子序数更高的元素是咋来的呢?

主要有两个途径,

  • 超新星爆炸
  • 中子星合并

如果一颗恒星的质量足够大,最终会引爆自身,发生超新星爆炸,在这个过程中就会合成原子序数比铁更高的元素原子。

但是像金元素,银元素的合成,按照目前最新的研究成果来看,它们大部分是由中子星的合并合成的。

所谓的中子星合并,其实和上面聊到的超新星爆炸是有关系的,大质量恒星尤其是(10倍太阳质量)的恒星,在演化的后期,如果核心的质量大于1.44倍太阳质量,小于3倍太阳质量,内核就会形成一颗中子星,这种天体半径也就10~30公里,但是仅仅一勺的中子星就大概要几亿吨,是极其致密的天体。如果两颗中子星相遇,就会发生合并事件。这可以说是宇宙中最刺激的事件之一了,在整个过程中就会合成金元素、银元素等原子序数特别高的元素原子。

所以,金子特别贵重也是有有道理,因为中子星合并其实是很少发生的。以上就是各种元素原子的由来。

而我们人体当中最多的是氧,然后是碳,再然后是氢和氮,磷。

我们可以看一下它们在元素周期表中的位置。

通过上文所说的,我们至少能知道的是,我们体内的氢原子是138亿岁,而碳、氮、氧等元素至少要大于45亿岁,最年轻也应该是上一代恒星生成的产物,毕竟地球是没有能力生产这些元素,而它们最高可能能达到第一代恒星出现的时期,也就是136亿岁。

除此之外,我们还应该知道,我们身上的元素都是在恒星的核心也就是恒星的心脏生成的,听起来是不是有点厉害?

基本上可以这么说,地球存在多久,我们身体内的原子就存在多久。

除了放射性元素外,大部分元素的原子核都很稳定,基本上不会发射衰变,所以绝大部分元素从形成开始,到现在都没有任何变化。当然也不能说的绝对,因为化学反应的时候还是会破坏原子外层的电子轨道的,元素得失电子,狭义上讲也算是元素的一种变化。但如果仅看原子核变没变来定义元素是否变化的话,那就是没有任何改变了,几亿年来都如此。

所以,我们每个人身体里的原子基本上都存在了46亿年,即地球诞生时开始存在一直到如今。当然,有些元素的存在时间还不仅仅是46亿年,因为它们在地球存在之前都已经存在了。甚至有的就是在宇宙大爆炸没多久后产生了,一直稳定存在到现在。不过有个原子有些特别,它就是氢原子,仅有一个质子作为原子核,一个核外电子。对于氢原子来说,我们无法定义它变没变,因为它只要和其它元素反应,那么就只剩下一个质子了。

至于我们可以不可制造原子或者消灭原子,身体内是不可能的。因为我们体内发生的都是化学反应,不涉及原子核的改变。但是利用仪器,到是可以创造原子。比如元素周期表中的人造原子,就是认为创造了。只不过很不稳定,半衰期很多。而消灭原子,只需要时期产生核反应就行。聚变或者裂变都可以,这个核弹就可以实现。

地球上目前已经发现了90多种元素,人体内就有60多种。人体内的60多种元素有最轻的氢元素,也有相对较轻的碳、氮、氧等,也有铁以及比铁重的碘、锌、铜、锰、硒等微量元素。这些元素不论在人体内含量高低,对人体的健康都非常重要。

人体内的这些元素都是从地球上获取的,地球的年龄大约是46亿岁,组成人体的这些原子是不是也有了46亿岁的年龄?未必都是,有很多原子的寿命已经超过了46亿岁,甚至可能超过了100亿岁,也有一些比较古老但是还不到46亿岁的,也有一些是新近形成的原子。

宇宙中含量最多的元素是氢,一个质子加一个电子就构成了氢原子,宇宙诞生后不久就可以产生出大量的氢原子。这些氢原子聚集在一起形成第一代恒星,依靠恒星的聚变制造出较重的元素。晚年大质量的恒星发生超新星爆发的过程还会制造出很多比铁重的元素。经超新星爆发喷射出的物质又可以重新依靠万有引力聚集在一起形成第二代恒星、第三代恒星等。

通过光谱分析可以知道,太阳上含有一些较重的元素,地球上也有很多较重的元素,这表明太阳不是第一代恒星,太阳是之前更大一颗恒星喷射出的物质聚集在一起形成的,地球是上一颗恒星制造出的较重的物质聚集在一起形成的。太阳以及地球上的很多原子,其年龄会超过太阳或地球的年龄。

水是人体内含量最多的化合物,地球上丰富的水并不一定是在地球诞生时就形成了,有人认为是含水丰富的彗星撞击地球将水带到地球上的缘故。如果是这样,这些水的年龄就不容易确定了。

宇宙射线中含有大量的质子,质子和电子结合后就制造出一个氢原子。这种制氢的方法一直在上演,你身上的一些氢元素,有可能就是近期靠这种方法制造出来的,这样的氢元素就非常年轻了。类似的情况还有,宇宙射线和大气作用、和地球上的物质作用会将一种元素变成另一种元素,这样的话也会产生新的原子。

有一部比较风靡的电视剧的主角是一位来自星星的帅哥,其实我们每一个人都可以算作是来自星星的物质组成的。我们身上的各种元素,是宇宙沧桑的记录。


我们宇宙中的物质总量一直以来都是永恒不变的,这说明从138.2亿年前的宇宙大爆炸开始,10的80次方个原子就一直像演员一样不断的组成各种物种,任何时间任何地点任何角色都是由这10的80次方个个原子构成的。

早期的宇宙中只有第一代恒星,它们死后内部的氢元素在高温高压下变成了重元素,这些重元素为后来的金属岩石行星以及人类的诞生提供了物质基础,因此在很久以前构成地球和人类的原子都还在恒星中。

地球诞生的第一个生命所包含的原子迄今为止仍然存在于宇宙中,构成我们所熟知的一切历史人物的原子也从来没有消失过,比如说构成诸葛亮的原子可能变成了一块石头的一部分或者一棵树的一部分,这并不难以理解比较原子就好像我们宇宙的积木一样,它构成了我们所看到的一切。

值得一提的是原子并非无法消灭,因为它也是物质而物质和能量是可以互相转化的,氢弹爆炸将0.7%的质量完全转化成了能量释放出去,因此我们可以说有一部分原子被“消灭”成能量消散掉了。

假如未来技术足够发达的话,我们还能将能量再转化成原子然后再用这些原子搭建出我们想要的东西,这种技术被称为“能质转化”

万物都由原子构成,我们所能触碰的实体本质就是原子的电场,或者说电子云。

原子外层的电子以抗拒或相互结合的方式,构建了各种不同的物质实体。我们则是一群碳基至上的、自负的智慧生物。构成我们身体里的每一个原子,都是来源于一颗第一代巨恒星超新星爆发后洒向宇宙的星尘余晖。

原子的结构

化学层面来说,原子确实算得上物质构成的基本单位,但在物理层面它还能被拆分为原子核与电子。如果把它们都近似看成一个一个小球,电子环绕原子核的速度差不多2200km/s。

以最简单的氢原子为例,电子到原子核的距离为原子半径,如果把原子放大到一座足球场大小,原子核不过才一个弹珠的大小而已,电子与原子核之间可以说相当空旷,但实际上我们感知不到的虚空是一个被量子波动所充满的空间。

在大约10^(-10)m的半径空间中,量子波动产生的真空涨落,影响着带电微粒之间的相互作用。在量子力学的解释下,电子在同一时间即像一个波也像一个粒子,在没受到额外的能量影响下,在其自身轨道能级上以概率云的形式存在。

为什么称其为概率云?因为以量子力学的哥本哈根解释,未测定前的电子是不存在的,只能以波函数的概率形式充斥在任何它能出现的位置。

波函数坍缩:在对微观粒子的两次测量之间,除了概率波函数以外,量子力学宣称微观粒子不存在,只存在各种可能的状态。只有进行观察或测量后,微观粒子的“可能”状态才能坍缩为实际的“确定”状态。

电子离原子核越远,看到电子的几率就会逐渐趋近于0,但事实上永远也不可能是0。也就是说,理论上原子的电子有可能出现在宇宙的另一边。

自从进入量子研究时代后,原子已经变得比我们想象的更奇怪,这些奇怪的东西组成了宇宙中所有物质。看似虚无毫无实感的概率电子云,却是我们能触碰万物的根本原因。泡利不相容原理让感觉轻飘飘的电子云变得坚硬无比。

泡利不相容原理:原子中任意两个电子不可能处于完全相同的量子态。

1940年泡利更进一步从理论上提出了两个原则:

(1)不相容原理仅适用于费米子(实物粒子);(2)与费米子相反,玻色子(传播粒子)不受不相容原理的制约,也就是所有的玻色子可以处于同一量子态。激光就是由此发明出来的。

总之,泡利不相容原理让空空的原子变得极具抗击打能力,从外部难以摧毁,也赋予了物质实在性。

从某种意义上来说,破坏原子也并非难事

等量电荷原子核与电子结合在一起才叫原子,那让电子与原子核分离是否就意味着破坏了原子?如果是,那只需给电子注入能量,使它摆脱原子核的电磁束缚从原子里跑出来就行了,这一过程称为电离

让物质电离的方法有很多。光、放电、燃烧、冲击波、激光等,都可以使物质电离。电离生成的电子、正离子一般在短时间内又会再结合为中性原子或分子状态。电离过程中,正负离子所具有的一部分能量会以电磁波、粒子结合动能、或者分子的离解能的形式被消耗。

分子离解时也往往生成自由基,而一部分电子与中性原子、分子接触,又生成负离子。因此,等离子体是电子,正、负离子,激发态原子、分子以及自由基混杂的状态。火是我们最熟悉的一种等离子体,而充斥宇宙星海的恒星也都是等离子体。

另外如果以拆分原子核来定义破坏原子,那要消灭一个原子,你可以说很难,也可以说很简单。

因为我们要克服强相互作用力才能把结合稳定的原子核中的质子或中子分开,但自然界中有很多原子核是不稳定的,它们甚至会自发地发生原子核分裂,一般我们称为元素衰变。

这让人类能转空子,创造出威力惊人的可核裂变的原子弹,而自然界中不稳定的各种元素也都在自发衰变(只是时间可长可短),也就是我们常说的放射性。它们一般都会释放大量的能量。地球内部天天也都在发生着这种元素衰变,它也是地热的主要来源。目前产生地热的同位素主要有K40、U238、U235、Th232。

但这两种层面上的原子破坏,只是对原有的原子进行了重构。严格来说,原子并没有从这个世界上被抹除。只有正反物质湮灭,才可以说真正意义上的消灭原子,将他们转化为纯粹的光辐射。

生命仅仅是一堆原子构成的吗?

在地球上,所有的生命都是以各种原子为基础,由水、钙和有机分子构成的集合体。我们为这些不同的集合体取了各种不一样的名字。每一种生物都是由几乎完全相同的分子构成的不同标签的另一个集合体。

虽然生命与宇宙万物都是以原子为基础构成的各种分子机器,但原子和简单分子的聚合方式与生命的本质不可同日而语。如果我们的身体仅仅以简单的物质来看,人体的大部分组成物质都是水,几乎不值钱。碳可以以煤的形式来估价,我们骨骼里的钙则与粉笔一样,蛋白质中的氮元素于空气中的氮元素等同,血液中的铁元素与铁钉差不多……这样构成人体的化学物质最多也就值100元。

但显然我们不可能从混合或搅拌这些化学物质中,诞生出生命。生命的结构显然比其所具备的物质元素更重要。耶鲁大学生物物理学家哈罗德·莫罗维茨(Harold Morowitz)曾经计算过构成人体的精确分子结构物质需要花费多少钱?计算结果大约为1000万美元。

即便如今我们已经相当熟悉生命形式的原子组成,也无法从一个大罐子里诞生出生命来,这远超人类现在的能力。

总结

我们源于星尘,星尘源于恒星,恒星源于宇宙大爆炸38万年后从宇宙离子汤中凝聚出来的氢原子、氦原子。而恒星的使命是加工这些原子,给物质宇宙制造更多的可能。

加工出来的各种原子一批批地洒向宇宙,开始了宇宙的物质大演绎时代,每个原子何止才几十亿年的历史,它们只是没有记忆,不生不灭地不停重构着大千世界。

而生命作为物质的最高演绎形式,即便现在我们能深度地剖析构成它的原子,却还是不知道生命是什么!

只要质子的衰变还没有确定,原子就可以永生不灭的变换模样。

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宇宙大爆炸之初是“一碗基本粒子的浓汤”。几十万年后它们结合成简单的氢原子和氦原子。如果恒星演化从未发生,那么宇宙至今依然只是氢和氦,别无其它。

然而围绕着我们的世界——汽车、书桌、人类,还有行星、原星系团——仅有三种粒子组成:上夸克、下夸克和电子。这三种粒子可以组成原子、分子、化合物,以及我们能想到的任何物质。

我们周围的一切都有其独特的历史,无论是汽车、书桌,还是人体。想要真正明白他们从何而来,必须首先了解恒星的演化。

恒星不会永存,它们从诞生度过一生之后死去。比如太阳,它诞生于46亿年前,预估还有50亿年的生命。

我们难以察觉到任何一颗恒星的缓慢演化,但我们在银河系中都可以看到处于不同演化阶段的恒星。这就是天文学家们创造出恒星演化故事的方法。

事实上,恒星间并非真空,而是充斥着气体。很多地方气体很热且极度稀薄,但其他地方冷却后的星际气体云密度很高,以至于这些粒子能收到引力的作用,气体云发生坍缩而聚焦到一起。

一颗恒星的最初直径(大小)取决于星际气体云的质量。质量越大,核心密度越大,核聚变反应也越激烈。更多的核能意味着更高的压强和温度,最后恒星在一个远大于太阳的尺度上达到静力平衡。就这样,大自然“生产”了一颗大质量的明亮的巨星。

相反,如果星际气体云质量很小,如果能发生核聚变,就只能诞生一颗较小质量的、暗淡的矮星。

较小质量的恒星(比如太阳)在未来几十亿年中,核心的氢不断被消耗,产生更多的氦。氦核密度增大到一定量级会引发另一轮氦聚变,形成更重的元素,先是,然后是氧。当恒星变为红巨星,进而膨胀成色彩斑斓的行星状星云,其大部分氦都被转化了氧,所有元素被抛入到太空。恒星坍缩成一颗白矮星而死亡。

大质量恒星,由于外层对核心的挤压更剧烈,碳氧核的密度和温度远比太阳大得多,以至于引发新一轮的碳核聚变。

在大约1000年(具体取决于恒星质量大小)的时间里,碳转化为氖、镁、钠,以及更多的氧。

随着演化的加快,碳、氖先后被耗尽,恒星核心充斥着氧和镁。恒星不断地收缩直到氧聚变结束,氧被转变成硅以及少量的硫和磷。

恒星核心耗尽氧后再次收缩升温,然后在短时间内硅聚变成多种其他元素,包括氩、钙、钛、铬,以及铁和镍。这是一个天文尺度的热核炸弹发生了爆炸。

如果把这颗恒星炸弹剥开,它酷似一个洋葱。其核心是气体的铁、镍,具有极高密度和温度。包围在铁镍核心外的是硅和硫的壳层,往外是镁、氖、氧层,再往外依次是氧、碳、氦和氢的壳层。这时大部分的氢已经被吹到太空中了,壳层之间核聚变依然在进行。

随着硅被耗尽,恒星的核能失去源泉,核心再瞬间发生坍塌,相当于数倍太阳质量的超热气体被压缩成密度约每立方毫米10万吨的中子星。而占恒星质量大部分的外壳将会以爆破的姿态进入太空,即超新星爆发。已经合成的所有元素都被剧烈的爆炸抛射到太空。

前面提到的汽车、书桌和人体,它(他)们都包含了大量的元素。比如,碳、氧、氮、钠、钙、磷、镁、铝和铁,所有这些元素在宇宙诞生至今的138亿年里,在恒星内部被“创造”出来。它们只占宇宙原子总质量的1%左右。

科学家还告诉我们,被星风吹到太空中,在行星状星云里,以及通过超新星爆发,元素以这些方式进入星际空间。小部分重元素,比如铜、锌、金、铀等在超新星爆发后或中子星的灾难性碰撞中被创造出来。

新一代的恒星有行星陪伴,其中有的行星足够温暖到可以存储液态水。至少在地球上,碳基分子曾如雨般降落,组成第一代生命体。46亿年之后,地球上有了鲜花和小鸟,还有我们人类。

这就是科学给我们讲的美妙故事:我们身体里的每一个原子都有数十亿年甚至百亿年的历史。我们肌肉里的碳、骨骼中的钙、血液中的铁、DNA中的磷......都是遥远的恒星核聚变反应生成的,我们无法创造、也不能消灭它们。

(谢谢阅读)

身体从构成原子来讲,寿与天齐。各种原子有序缘聚为人,缘散为死。从这角度每个人都是万物的前世缘散,重新组合的产物。君的某原子是某个古人的一部分。

无论是没有生命的物体,还是像人类这样的生命体,都是由一系列不同的原子所组成。据估计,一个成年人包含的原子数量多达6000亿亿亿个,元素种类超过60种,其中大部分为氢、氧和碳。

那么,这些原子都是哪里来的呢?它们存在了多长时间呢?人类现在能否制造和毁灭一个原子呢?

原子的组成

在强核力的作用下,质子和中子结合在一起形成了原子核。在电磁力的作用下,原子核与电子结合在一起形成了原子。质子数的多少决定着元素的种类,几号元素对应几个质子,例如,1号元素氢只有一个质子,26号元素铁包含26个质子。

核反应和湮灭反应

一直以来,人类都没有能力制造和毁灭原子。直到上个世纪初,随着核物理学的不断发展,原子核的世界才被逐步打开。通过人工核反应,可以制造出地球上不存在的元素。

在元素周期表中,前94号元素可以在自然界中发现,而从第95号元素至第118元素,都是人工合成出来的,例如,第101号元素钔,它是由氦原子核(α粒子)轰击99号元素锿制得。人类利用核裂变和核聚变原理制造出了原子弹和氢弹。此外,通过正反物质湮灭,人类还能让原子消失,完全转变成能量。

在地球上,我们所接触到的现象基本上都是不涉及核反应的物理和化学变化。由于原子核没有被敲开,这些过程都不会改变质子数量,所以也就不会涉及元素变化。

原子的来源

构成我们的原子基本上都是来自于地球上,这些原子都是非常稳定的,没有经历过核反应,所以这些原子的存在时间非常漫长。地球的年龄已有46亿年,我们身上原子的存在时间都比这还要久,它们在地球形成之前就已经存在了。

太阳系中的所有天体都是从太阳星云中形成。太阳星云中包含着地球上的所有元素,我们身上的元素都是源自于此。

(1)恒星过程

在太阳星云中,将近75%的质量是氢,将近25%的质量是氦,其他元素的质量占比非常小。对于氦以上的元素,它们都是从由恒星制造出来。对于铁之前的元素,恒星可以通过核聚变反应合成出来。而对于铁以上的元素,需要通过大质量恒星的超新星爆发以及中子星碰撞等高能过程才能制造出来。也就是说,我们身上的原子很多曾经都是恒星的一部分,我们其实来自于“星尘”。

(2)原初核合成

另一方面,氢和氦的起源时间更早(部分氦来自于恒星的氢核聚变反应),可以追溯到138亿年前宇宙刚刚诞生不久之后的原初核合成。在宇宙最初的几分钟,宇宙处于炽热致密的状态,氢和氦元素被相继大量合成出来。随后空间快速膨胀,温度和密度快速下降,宇宙没有时间进一步发生核聚变反应。

直到宇宙诞生数千万年后,氢和氦气体云坍缩形成恒星,更重的元素才被相继合成出来。因此,如果追根溯源,我们身上的原子最初都是来自于138亿年前的氢元素。而我们身上的氢元素非常古老,它们的存在时间已有138亿年。

当人死亡之后,这些原子没有经历核反应或者湮灭反应,所以它们不会毁灭掉,而是进入大自然中,继续以其他形式存在。这些原子有可能成了没有生命的石头,或者成了花草树木,又或者成了其他人的组成原子。

太阳系诞生至今已有46亿年的历史,地球的年龄也大约有46亿年。人类是由原子构成的,那么是否也意味着人类身体内的原子的寿命也有46亿年?

这是一个很有趣的问题,深挖一下,构成该宏观物体的粒子的寿命与宏观物体的寿命一样吗?原子有寿命吗?它的寿命是多少?

为了解释清楚这个问题,我们先从别的方面切入。

人体主要由哪几种原子构成?

无论是天上飘的白云,还是地下跑的马儿,都是由原子构成的,整个太阳系也是由原子构建而成的。

包括人造和天然存在的,目前人类已经发现118种元素,而地球上总共存在90多种天然元素,地球上的碳基生命主要由28种元素构成。人体主要由氧、碳、氢、氮、磷、硫、氯、钾、钠、钙和镁这11种元素构成,它们占据人体总质量的99.9%,此外人体中还含有十几种必要的微量元素。

这里需要说明一下,同一种元素可能存在好几种同位素(质子数相同,中子数不同),其中的一种我们称之为核素,一种核素便对应着一种原子。

比如氢元素,它是宇宙中最简单的元素,它就拥有三种同位素。在宇宙中氢以氕H、氘D和氚T三种同位素的形式存在,其中氕作为氢元素的一种核素,其在自然界中的相对丰度大约为99.985%,我们通常所说的氢原子就是指的氕,它由一个质子和一个电子构成,质量数为1,它是宇宙中最简单的原子。而氘则由一个质子、一个中子及一个电子构成,质量数为2,相对丰度约为0.015%;至于氚的相对丰度则低于0.001%,质量数为3,原子核中含有一个质子、两个中子。

上图为氕和氘的原子结构示意图

原子的寿命有长有短

原子的寿命并不是无限的,不同种类的原子的寿命是不同的。稳定原子的寿命,理论上与宇宙的寿命相当。不稳定的原子的寿命是不同的,长的可达几十亿年,短的不过数秒。

原子由质子、中子和电子构成,稳定元素的原子的寿命,可以用这些粒子的平均寿命来估计。其中,电子的平均寿命无限,自由质子的平均寿命至少为10^35年,自由中子的平均寿命约15分钟。不过中子在原子核的束缚下,寿命会变得非常长,中子同样能够稳定原子核。通常认为质子非常稳定,不易发生衰变,寿命比宇宙的寿命还长。由此可见,由这些粒子构成的稳定元素的的原子的寿命也是非常长的,如果不发生意外,几乎与宇宙的寿命一样长。

而不稳定的原子,其寿命千差万别。所有的放射性核素都是不稳定的,它们会自发的以向外界发射出粒子或者射线的形式,衰变成稳定的原子。元素周期表中原子序数(或质子数)84及以后的元素都是放射性元素,许多稳定元素也都拥有放射性同位素,它们会通过衰变转变为稳定的元素。

对于放射性元素的寿命,即不稳定原子的寿命,我们可以用半衰期来描述。

上图为部分核素的半衰期

那什么是半衰期呢

半衰期是针对放射性元素(更准确一点,应该称之为放射性核数)而言的,只有放射性元素才具有半衰期。比如碳元素的同位素碳14,它的放射性半衰期大约为5730年,这意味着,1千克的碳14原子经过5700年之后,就只剩下0.5千克的碳14原子了,另外0.5千克会衰变成稳定的氮14原子。

同种元素的不同核素的寿命也是天差地别,比如钋元素的同位素钋210和钋215,一个半衰期长达三个月,另一个仅为0.00018秒。在氢的三种同位素中,氚就具有放射性,它的半衰期为12.33年。

原子的创生与毁灭

一种原子可以通过核反应变成另一种原子,核反应的方式包括核聚变、核裂变、原子核的衰变、粒子轰击。

宇宙中最早的一批原子源于宇宙大爆炸,那时的宇宙中的主要元素是氢,氢在万有引力的作用下会形成恒星。宇宙中的第一批恒星在衰老死亡之后,会将大量新元素(比如碳、氧等元素)抛出。

宇宙中的星系主要由恒星构成,每一颗恒星就是一个核聚变反应堆,无时无刻不在制造着新原子,除了氢元素以外,包括铁等轻元素几乎都是在恒星的大熔炉中产生的。当一颗恒星走到了生命的尽头,就有可能会在引力的作用下发生超新星爆发,铁之后的重元素就是在这短短的几秒钟时间内形成的。

如果没有恒星,也就没有足够的原材料形成地球,更不会诞生生命。宇宙中最早的一批原子便是氢原子,其它的原子都是在此基础上由氢原子聚变而成的。

宇宙射线中89%都是自由质子,10%是阿尔法粒子(即氦4原子核),质子和电子会自发地结合成氢原子,此外宇宙射线还有可能会和其它原子发生核反应。

对于稳定的原子,我们无法测定它的年龄;只有放射性核素的原子才能测定年龄

世界上没有两片完全相同的叶子,可从微观世界看来却不是这样子的。

决定原子种类的是核子数,不同的质子数对应着不同的元素,不同的中子数对应着不同的核素。对于同一种稳定的原子,我们无法对它们进行标记,也就是说它们具有全同性。

比如两个氢原子,我们无法判断,究竟哪一个是新产生的,哪一个是后产生的,它们究竟经历了多少年。

对于放射性核素,我们可以通过测量它的衰变情况,来判断它的大致年龄。正是基于这个原理,科学家们可以利用放射性同位素对远古生物进行年代测定,还可以用来鉴定古董。

如图所示,不同放射性元素的测年范围

总结

人体60%都是水,水是由氢原子和氧原子构成的,而水中的氢原子很有可能就是最近几百万年内刚刚诞生的。还有一些其它元素,很有可能也是最近刚刚诞生的。此外,人体中还含有微量的放射性同位素,其实不仅人体内有,自然界中到处都分布着放射性同位素,只不过辐射剂量非常小,根本察觉不到,对人体本身也没有危害。这些人体内的放射性元素也会发生衰变,寿命肯定没有几十亿年。

由此可见,不是所有原子都和地球一样拥有几十亿年的历史,原子同样存在创生与消灭,原子也有寿命,片面的认为我们身体中的原子都有几十亿年的历史是不正确的。

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