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宇宙中最丰富的元素是什么 宇宙中含量最多的元素

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在地球大气中 ， 含量最多的元素是氮和氧 。在地球表面上 ， 70%被海水覆盖 ， 1个水分子中包含2个氢原子 ， 这样看起来地球上的氢元素非常多 。但事实上 ， 地壳中丰度最高的元素是氧、硅、铝、铁和钙等元素 ， 氢元素位列第10 ， 质量占比仅为0.14% 。
虽然氢元素在地球上的丰度非常低 ， 但这种元素在整个宇宙中的含量最高 ， 其质量占到了整个宇宙的75% 。那么 ， 为什么宇宙中会有这么多元素呢？氢元素以及其他元素都是怎么来的呢？
氢元素的来源
作为元素周期表中的第1号元素 ， 氢元素是宇宙中第一种被合成出来的元素 ， 它们出现在极早期的宇宙中 。氢原子核（氕核）中只包含一个质子 ， 也就是说 ， 质子就是氢原子核 。一个质子俘获一个电子 ， 可以形成稳定的中性原子 ， 这就是氢原子 。
在138亿年前 ， 宇宙从炽热致密的奇点中发生大爆炸而诞生 。此后 ， 空间经历了极其短暂的暴胀过程 ， 宇宙温度从10^32度的普朗克温度迅速降低 。宇宙开始合成出了夸克、胶子和轻子基本粒子 ， 但那时的温度高达数千万亿度 ， 这些基本粒子处于夸克-胶子等离子体的状态 。
到了宇宙诞生大约1微秒之后 ， 宇宙开始了重子产生过程 ， 夸克在胶子的束缚下合成出了质子和中子 。理论上 ， 宇宙中最初合成出来的质子和反质子数量应该是一样的 。但如果是这样 ， 正反质子就会完全湮灭成能量 ， 也就不会有现在充满物质的宇宙 。关于正反物质的不平衡 ， 有很多理论解释 ， 其中包括CP（电荷共轭和宇称）对称破缺 。
不管怎样 ， 在早期宇宙中 ， 每产生一亿零一个质子 ， 对应会产生一亿个反质子 。到了宇宙大爆炸之后100微秒 ， 空间持续快速膨胀 ， 宇宙的温度下降到了大约10万亿度 ， 反质子都被湮灭掉 ， 最终只有质子残留下来 。同样地 ， 还有中子、电子保留下来 。
在宇宙诞生还不到1秒时 ， 通过弱相互作用 ， 质子和中子之间相互转化 。质子不断与电子结合产生中子和中微子 ， 中子不断与正电子结合产生质子和反中微子 ， 质子与中子的比例维持在平衡的状态 。
随着宇宙温度的迅速下降 ， 到了宇宙大爆炸之后1秒 ， 宇宙温度略低于中子-质子质量差 ， 这些弱相互作用的速度慢于宇宙的膨胀速度 ， 由于质子的质量更低 ， 这有利于产生质子的过程 ， 导致中子和质子的比例下降到1:6 ， 并在此冻结 。
自由中子非常不稳定 ， 它们很容易发生β衰变产生质子、电子和反中微子 。自由中子的半衰期只有10.2分钟 ， 平均寿命仅14.7分钟 。如果宇宙中没有进一步发生反应让中子能够稳定地束缚在原子核中 ， 宇宙将会是纯氢 。
在宇宙诞生三分钟之时 ， 宇宙的温度下降到了10亿度 ， 中子经过衰变之后 ， 中子和质子的比例进一步下降到1:7 。由此启动了原初核合成过程 ， 宇宙开始合成比氕核更重的原子核 。
质子和中子会先结合成氢的同位素——氘核 。氘核非常不稳定 ， 它们会与中子或者质子碰撞形成氚核（氢的最重同位素）或者氦-3 。氚与氦-3也非常不稳定 ， 它们分别会与质子和中子发生碰撞 ， 结合成稳定的氦-4 。在原初核合成过程中 ， 中子几乎都被束缚到氦原子核中 。
【宇宙中最丰富的元素是什么 宇宙中含量最多的元素】 氦-4十分稳定 ， 它们需要数万年的时间才会有效形成碳原子核 。而宇宙温度下降非常快 ， 原初核合成只能持续大约17分钟 ， 所以更重的元素基本上都来不及合成 。
考虑到质子和中子数的比例为7:1 ， 一个氢核只有一个质子 ， 一个氦核包含两个质子和两个中子 ， 而且质子和中子的质量非常接近 ， 所以氢与氦的质量比为3:1 。因此 ， 宇宙中最初的物质组成为75%的氢和25%的氦 。
其他元素是怎么来的？
在宇宙大爆炸数千万年之后 ， 宇宙中的氢和氦通过引力结合形成了第一代恒星 。在质量巨大的恒星中 ， 氢先会转变为氦 ， 氦又会通过3-氦过程合成出更重的元素 ， 一直到铁、镍 。数百万年后 ， 第一代恒星就会爆炸成超新星 ， 在此期间 ， 通过中子俘获过程可以产生铁以上的元素 ， 这个过程在如今的宇宙中还在持续 。另外 ， 死亡恒星之间的碰撞也会合成出重元素 。
不过 ， 锂、铍和硼的来源比较特殊 ， 它们不是来自于与恒星有关的过程 ， 而是来自于高能宇宙射线轰击重原子核的散裂过程 。
宇宙中的氢元素会被消耗完吗？
虽然宇宙中存在着数以亿计的恒星 ， 它们在不断地通过氢核聚变来消耗氢元素 ， 但138亿年过去了 ， 被消耗掉的氢元素仍然极少 。根据光谱分析 ， 如今宇宙中的氢元素质量占比仍有75% ， 氢还是宇宙中丰度最高的元素 ， 比氦更重元素的丰度仍然非常低 。
宇宙中大部分的氢都是弥漫在星际和星系际空间中 ， 它们很少能够聚集在一起形成恒星 。因此 ， 宇宙中的恒星不会消耗掉所有的氢元素 。事实上 ， 就连恒星本身都无法完全消耗掉自身的氢元素 ， 因为只有核心区域的氢才能发生核聚变 ， 大部分的氢还是维持原状 。例如 ， 太阳的氢核聚变已经持续了46亿年 ， 但氢元素的含量仍然有将近四分之三 。
如果要消耗完氢 ， 可能也只有等它们自己消耗掉自己——质子衰变 。一些大统一理论预言 ， 质子在漫长时间跨度下是不稳定的 ， 它们最终也会发生衰变 ， 形成正电子和伽马射线 。据估计 ， 质子的半衰期长达1万亿亿亿亿年 。因此 ， 如果质子真的能够发生衰变 ， 那么 ， 宇宙最终也会消耗完所有的氢元素 。
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