宇宙里质子多还是中子多
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宇宙里质子多还是中子多?
这应该是物理题吧,那就先来点高中化学。
下图列出了所有目前已知的化学元素的同位素,从左到右原子序数(质子数Z)逐渐增长,由下到上中子数N由少到多。那条斜着的黑色实线表示质子数等于中子数。
图片来源:Wiki"同位素列表"词条,大小进行了调整。图片来源:Wiki"同位素列表"词条,大小进行了调整。
可以看到,除了氢元素以外,刚开始的几号元素,包括氦,质子数与中子数相当一致,同位素也就相差1,2个,而越往后,尤其是重型元素,中子数则开始越来越多于质子数。需要解释吗?好吧,简单说说:
原子核内核子(质子和中子)的结合是由于强相互作用 (核力)抵抗了质子之间的电磁力,从而维持核的稳定,但由于核力的作用规律(只与相邻核子有相互作用,而电磁力不是),如果质子中子同步增加,核力增长得比电磁力慢,因此需要更多的中子来使原子核紧密结合。所以对于大多数元素,中子数大于质子数。
此外,有人把原子中仅含中子,不含质子的一种元素称为0号元素。我想大多数人想到了中子星(别告诉我你想到了黑洞。。。中小型黑洞已经没有元素概念了,当然对于某些超大质量黑洞可以看作寻常物质),你可以不准确地认为中子星就是一大堆中子紧密结合,似乎中子又占了上风。
但刚才我们忽略了氢H元素(及其同位素),然后就得扯到宇宙大爆炸太初核合成和恒星核合成等来得到元素丰度了。另H-1在H的同位素中丰度约99.98%,可不考虑其余氢的同位素中的中子。
大爆炸后约第3分钟到第20分钟是太初核合成过程,自由中子与质子的稳定性不及氦核,有强烈的合成氦核的倾向。少数质子和所有中子结合,组成氦和微少氘核,剩余大多数质子则形成了氢的原子核。氦的同位素有八种,但只有He-3和He-4是稳定的,且He-4占绝大多数,可以按照都是He-4算。
太初核合成的结果一般以质量表示其丰度,大约为75%的H-1,25%的He-4,微少的氘,极其微量的锂,没有更重的元素。注意到这里的百分比使用的是质量百分比,所以如果按照粒子数比的话,很容易算出 宇宙氢氦原子核数目之比为12:1,而质子数与中子数之比Z:N=7:1。
对于恆星核合成 等活动,并不显著改变质子和中子数目,但仍会有些许变化。由于恒星死亡时只消耗了小部分氢元素,且恒星的质量一般只占其的诞生星云的一小部分,整个宇宙的氢氦原子比例也可大致认为不变。
上面说的是宇宙空间,但对于地球这样的类地行星来说(类木行星与远日行星则不同),则是另一种情形。地球的地殼元素豐度列表 看看左边这个表格,不必考虑质量百分比与数目百分比的区别了,排在前面的氧硅铝铁钙等等都是质子中子数非常接近的,而氢元素则相当靠后,因此 对于地球来说,质子数比中子数Z:N=1:1。
随着宇宙的最终发展,宇宙空间也会得到不同的结论,而且由于好多理论未获证实,比如宇宙是热寂还是大挤压还是大撕裂,质子究竟衰变与否等;即使是热寂,质子衰变,不同的时间又将得到不一样的结论,时间跨度超过现在宇宙年龄的10^N倍。我反正不打算活到那会儿,也就不考虑了。