铁钴镍铜锌 地球上那么多元素都是哪来的？地球诞生以前就有？还真是这样
其实我们想说的是，先有元素，后有地球。这是否破坏了你的世界观？更重要的是，无论地球是否诞生，这些元素都会存在！
首先我们来了解一下元素的区别，我们都知道元素是由原子组成的，不同的元素有不同的原子，原子是由电子和原子核组成的，原子核里有中子和质子！
要介绍元素的性质，我们只需要说中子和质子。质子的数量决定了元素的类别，中子的不同数量则表明了元素的同位素。听起来很简单，就像把它们像橡皮泥一样粘在一起形成不同的元素，但实际上，如果要把不同数量的质子和中子组合在一起，难度可想而知！当然，这对于无所不能的宇宙来说不算什么，只不过是一次大爆炸而已。
大爆炸合成的元素
大爆炸模型是目前最接近观测的宇宙诞生模型，有微波背景辐射、宇宙膨胀、宇宙原始元素丰度等支持，在更合适的模型出现之前，我们会以此作为讨论的基础。
我们不讲元素诞生之前发生了什么，先从大爆炸说起：
在 10^-6S 时，夸克和胶子在强力下结合形成质子和中子等重子。
温度逐渐降低，在10亿K时，少数质子与中子结合，形成氢、氦、锂原子核（此为原初聚变过程），此时它们还是原子核，还不能形成原子，而且，它们还要等待宇宙温度下降，与更多的质子（氢原子核）结合，形成氢原子。
年后，宇宙的温度下降到电子和原子核形成氢原子、氦原子、锂原子的程度。宇宙也膨胀到足够大的体积，像一锅粥一样的浓汤渐渐变得清澈，光子冲破迷雾，在宇宙中欢快地奔跑。当然，我们现在还可以看到，这就是来自大爆炸的光，被宇宙膨胀红移到微波波段，就是宇宙微波背景辐射。
大爆炸可以产生的元素有氢、氦和少量的锂。
可以在恒星中合成的元素
宇宙微波背景辐射在全向分布上是均匀的，但根据普朗克卫星的观测，还是存在着十万分之一左右的差异。当然，如果宇宙在大爆炸时就是100%均匀的，那么我们的宇宙到现在也还是一片黑暗，因为均匀分布的宇宙是不可能诞生恒星的！
从大爆炸到宇宙膨胀，到1989年COBE卫星发射所获得的低分辨率微波辐射，再到普朗克的高分辨率微波辐射照片，天文学家当然总是尽可能地夸大其词，他们把万分之一的差别都渲染得惟妙惟肖。
不管怎样，恒星诞生了，开始了元素生成之旅。质子链反应从氕到氘，再从氘和氕到氦-3，再从氦-3到氦-4，再到碳、氧、氖、镁、硅、硫、钙，一直到铁。那么这些元素是如何生成的呢？
质子数决定元素种类，例如两个质子是氦，三个质子是锂，四个质子是铍，五个质子是硼，六个质子是碳，七个质子是氧。但元素不是质子的堆积，因为两个质子极难克服库仑势垒。因此中子是非常必要的，例如最初的氘-氢聚变，一个质子转变成一个中子，变成氘。有了电中性的中子的配合，以后聚变结合能就会平稳很多。
这个过程看似像砌砖一样简单，但对人类来说却很难。不过，并不是所有恒星都具备这种能力，比如太阳只能达到碳和氧的水平，而质量为太阳7-10倍的恒星则可以演化到铁。我们从元素特定的结合能知道，铁之前的元素聚变可以释放能量，但铁之后的元素聚变仍然需要吸收能量，因此不可能在恒星正常燃烧阶段产生。这时，就有了另一种产生重元素的方式：慢中子俘获（S过程）
这时候恒星内部就会有极强的中子辐射，所以这些轻元素的原子核可能会俘获中子，但是中子太多就会有问题，它会经历β衰变，放出一个电子和一个中微子，变成一个质子，我们会发现这个原子核的质子可能一个一个堆积起来！那么效率是多少呢？
中子俘获和衰变的过程
慢中子俘获效率极低，所以对于新元素的产生来说，慢中子俘获不是一种有效的方式，而是一种聊胜于无的方式。这就是在红巨星核心中产生比铁重的钴、镍、铜、锌等元素的方式。但此时恒星核心已经没有能量输出，铁核坍缩，即将以超新星爆炸。
超新星中合成的元素
上一篇文章提到过，铁原子核后面的元素需要吸收能量才能诞生新元素，而铁就是分水岭。如下图所示，这是元素的特定结合能表。
因此这些重元素只有在超新星爆炸的巨大能量中才能产生，而超新星产生比铁更重元素的有效手段是：快中子俘获（R过程）
超新星爆炸时，会产生密度极高的中子流，甚至达到每秒每立方厘米100万亿亿个中子流。在如此天文数字的中子冲击下，重原子核就像糯米团落入芝麻堆里，过多的中子会引起不稳定的快速β衰变，变成铱、锇、铂、金等贵金属元素，像生产流水线一样被大批量生产。
中子星和可合成的元素
超新星爆炸后，重元素所在的恒星核心质量大部分坍缩为中子星，因此从过程来看，超新星爆炸产生的重元素相对有限，而金等大量重元素则主要通过中子星并合等极端天文事件产生。
中子星物质由于中子星引力的作用，非常稳定，但两颗中子星相撞后，这种稳定性就会丧失。中子会通过β衰变衰变成质子，同时伴有中微子辐射和伽马射线。在这个过程中，中子星碎片会衰变成各种元素，这取决于质子衰变成一定数量时产生的元素原子核中质子和中子的数量。结果一般偏向重元素。一般认为，75号以上的元素大多来自中子星并合，比如放射性元素铀。
黑洞与合并
我从来没听说过黑洞合并能产生元素，一个黑洞抠门，两个黑洞抠门更大，它们不可能产生元素，不过黑洞合并过程中的超伽马射线爆发，可能会促进大气中形成新的化合物。
伽马射线暴产生的单个光子的能量比太阳光大几十万倍，它轰击高层大气中的臭氧，直接使臭氧分子解离，并与大气中的氮结合，形成二氧化氮，一种棕红色、有刺激性且有毒的气体。失去了臭氧层的地球，将受到波长极短的高能紫外线的照射，这是伽马射线暴对地球的第一波冲击。高能伽马射线还可能直接到达地面，破坏生物DNA，这是第二波（从冲击速度上看，这是第一波）。因此，黑洞合并会间接给地球制造麻烦的化合物，进而影响地球生命。
有没有高于 92 的元素？
质子数更高的元素，比如92以上的元素，都是人工创造的，但这些元素极不稳定，会很快衰变成其他元素。比如铀238的衰变过程为铀（铀）-238→钍（钍）-234→镤（镤）-234→铀（铀）-234→钍（钍）-230……一直衰变成铅（Pb）-206，但铀238的半衰期高达44.68亿年，而镎等92以上元素的半衰期只有214.5万年，118号元素的半衰期为12毫秒，小于肉眼的反应时间。
超铀元素列表。你能读懂上面的许多单词吗？
地球是如何诞生的？
康德-拉普拉斯星云理论解释了200多年前太阳系诞生的秘密，而对邻近银河系的金牛座和猎户座星云的观测也证实了这一说法。因此，46亿年前太阳系诞生于奥尔特云的假说是高度可信的！
奥尔特云可能受到附近超新星爆炸的影响，使其满足金斯不稳定性并开始坍缩，从形成博克球状体到内部诞生恒星核。星云变平，在盘面上形成恒星核以供行星诞生，而原恒星则继续在中心诞生。当恒星开始闪耀时，它们驱使周围较轻的分子云移向小行星带的外围，而较重的物质则留在内行星的轨道上。这也是内行星都是岩石行星，而木星等行星成长为气态巨行星的主要原因。
地球上的元素完全继承自上一次超新星爆炸，理论上超新星爆炸不会产生太多重元素，地球上的元素结构也大致符合这个规律。如果奥尔特云是在中子星并合的星云中形成的，那么由于氢含量太低，不太可能产生恒星，而由于重元素比例太高，即使形成星系也很难形成生命。所以鱼与熊掌不可兼得，只能在黄金和生命之间二选一。
地壳元素丰度表。生命能在这样的星球上诞生是不是很幸运？