互动科普

氢（H）、碳（C）和氧（O）这样一些元素都是天然存在的元素，总共有约80种。科学家用不同的字母或字母组合来代表元素的不同种类，这些代表元素种类的字母或字母组合叫做“元素符号”。人体乃至地球所包含的一切物质全都是由这些元素组成的。

那么，这些不同的元素各自在宇宙中存在的数量是多少呢？科学家用“丰度”一词来表示一种元素存在的相对数量，即该元素数量在元素总量中所占的比例。太阳系中存在的元素的丰度有一个最大特点，那就是其中的氢和氦的数量占了压倒性的比例。氢是最轻（质量最小）的元素，氦是第二轻的元素。在宇宙中，氢占90.2%，氦占9.7%。其余所有元素的总和仅占0.1%。

太阳系中各种元素的丰度（假定硅的原子数目为100万的相对原子数目）

元素的丰度除了正文中提到的特点，还有以下两个特点值得注意。一是“除了为数不多的例外，原子序数为偶数的元素（原子核有偶数个质子）的丰度要比相邻的原子序数为奇数的元素的丰度大”。另一个是，“原子序数为3～5的锂、铍和硼的丰度要比邻近的元素的丰度小得多”。据认为，这是由元素合成的历史和元素（原子核）的稳定性不同造成的。

此外，在曲线图上还可以看出，太阳系中各种元素的丰度，从总体上看，有一种随元素质量增大（原子序数增大）而减小的趋势。不仅如此，铁及其近旁的元素，它们的丰度相对于这种总的丰度变化趋势明显地偏大。

为什么氢和氦的丰度会有压倒的优势？为什么质量越大的元素丰度越小？为什么铁元素会特别多？现代科学家认真研究了这些问题，他们的答案是：“各种元素并不是原来就以今天这种比例存在的，它们是在长达137亿年的宇宙历史中不断地通过转化产生出来的。其中比较容易被产生而又不容易被破坏的元素逐渐增多，结果才有了如今这种丰度分布。”

换句话说，元素能够“转化生成”。接下来，我们来介绍一种元素是如何经过转化而变成其他元素的。

所有物质全都是由大小仅为1厘米的约1亿分之1的粒子组成的，这种粒子就是“原子”。原子的中心有一个带正电荷的“原子核”，周围分布着带负电荷的“电子”。原子核则由带正电的“质子”和不带电的“中子”所组成。

例如，氢的原子核有1个质子，氦的原子核有2个，碳的原子核有6个。换句话说，原子核“质子数”的不同决定了元素种类的不同。表示元素种类的“原子序数”同原子核的“质子数”一致，即“原子序数＝质子数”。例如氢的原子序数为1，氦为2，碳为6。由原子核和周围电子所构成的原子呈现电中性，因此电子数和质子数相等。

这里，我们来解释元素转化生成其他元素是什么意思。一种元素转化为其他元素，这意味着原子核所包含的质子数发生了改变。比如说，两个原子核互相碰撞，发生聚合反应，就会导致质子数改变。这种聚合反应叫做“核聚变反应”，是在宇宙的各个场所随时都在发生的一种引起元素转化（合成）的基本反应。

通过核聚变反应生成其他元素

恒星的中心部分有1000万度以上的高温。在这里，原子已经“解体”，只有电子和原子核在其中飞来飞去。原子核相互发生碰撞和聚合，不断转化生成其他元素（核聚变反应）。恒星发光就是靠这种核聚变反应来获得能量。本图给出了一个核聚变反应的例子。

原子核带正电，在原子核之间存在着一种电斥力。因此，原子核之间的核聚变反应只有在像太阳中心那样超过1000万度的高温条件下，原子核以极高的速度互相发生猛烈碰撞才有可能发生。两个原子核一旦聚合，一种远大于电斥力的叫做“核力”的力起主导作用，能够使所形成的新原子核保持稳定。

（本文发表于《科学世界》2011年第3期）