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什么元素在地球上极为稀缺,而在其它星球上却到处都是?

迄今为止,科学家已经确认了118种元素,这些元素通过各种复杂且精妙的组合,就构成了我们平常所见的所有物体,而宇宙中的那些形形色色的天体,同样也是由各式各样的元素组成。尽管已知元素的种类很多,但这些元素在宇宙中所占的比例却存在着巨大的差异。

在可观测宇宙中,氢元素(Hydrogen)占据了73.9%的质量,因此稳居第一名,而宇宙中第二多的元素——氦(Helium),也占据了可观测宇宙24%的质量,其余的2.1%,则是其它元素全部加起来所占据的比例。

有没有什么元素在地球上极为稀缺,而在其它星球上却到处都是?

我们地球上的氢元素还是蛮多的,但氦这种宇宙中第二多的元素,在地球上却极为稀缺,研究数据显示,在地球大气层里的氦含量仅为5.2ppm(百万分之五点二),而地球内部的氦含量也是微乎其微。

与之形成鲜明对比的是,氦在其它的很多星球上却到处都是,比如太阳系中木星、土星、天王星和海王星上面都存在大量的氦,而太阳的氦含量更是达到了24.85%之多,即使是在小小的月球上,也存在至少100吨的氦-3。

如果说氦对人类没啥用也就罢了,但氦对人类偏偏却很重要,时至今日,人类的航空航天、超导环境、激光器、深潜作业、高端加工……等等众多的领域都需要氦气,而氦-3则被科学家认为是可控核聚变领域中的“最佳燃料”。

所以问题就来了,氦明明是宇宙中第二多的元素,为什么在地球上却极为稀缺?宇宙为何会如此偏心?我们接着看。

宇宙中的氦元素是怎么来的?

需要注意的是,尽管氦元素可以由恒星内部的核聚变反应生成,比如说太阳的内部,氢原子核就在不停地聚变成氦原子核,但宇宙中大多数的氦元素却是产生于宇宙诞生之初的“原初核合成期”,而不是来自于恒星。

根据大爆炸宇宙论,我们的宇宙诞生于一个温度极高、体积极小、密度极大的“奇点”,在“宇宙大爆炸”发生之后,随着宇宙的密度和温度不断地降低,在10秒至35分钟这段时间内(即“原初核合成期”),宇宙中的质子(也就是氢原子核)已经生成,而宇宙的密度和温度也达到了发生轻核聚变的标准,于是很多质子就发生了聚变,从而生成了大量的轻元素,其中的绝大部分都是氦元素。

也就是说,在“原初核合成期”之后,氦元素就已经成为了宇宙中第二多的元素。

太阳系的形成

根据星云理论,太阳系形成于一片巨大的分子云,这被称为“太阳星云”,在大约46亿年前,这片星云发生了坍塌,其中的物质在引力的作用下不断吸积,最终在其中心形成了太阳,而剩余的物质则逐渐形成了太阳系中的其它天体,其中就包括我们的地球。

通过以上的介绍我们可以知道,“太阳星云”原本就存在着大量的氦,因此在地球形成的时候,其氦含量本来也应该挺高的,然而由于氦很轻,其化学性质又非常不活泼,几乎不可能与其它元素形成更重的化合物,而地球的质量又无法产生足以束缚氦的引力,因此接下来的时间里,地球就渐渐地失去了那些本该属于自己的氦。

很明显,质量较大的星球就可以留住氦,这就是太阳以及木星、土星等星球拥有大量的氦的原因。至于月球上的氦-3,则是太阳释放的恒星风带给它的,而在同样机制的作用下,水星上也存在着大量的氦-3,而由于水星离太阳更近,因此水星上的氦-3应该会比月球还要多。

需要注意的是,太阳风本来也会地球带来氦-3,但地球却拥有一个强大的磁场,所以这些氦-3就被挡住了,根本就无法来到地球表面。

现在地球上的氦又是哪里来的呢?

答案就是放射性元素的衰变,像铀、钍这样的重元素,其原子核不大稳定,它们会有一定的概率发生衰变,其中有一种衰变被称为α衰变,即原子核释放出一个α粒子,同时其原子序数减2。

α粒子由两个中子和两个质子组成,说白了就是氦原子核,而现在地球上的氦也就是因此而来。通常情况下,这些氦会慢慢地释放到空气中,并最终从地球大气层的顶层逃逸,但如果放射性元素周围存在着天然气的话,这些氦就可能会被天然气捕获,而我们人类目前所使用的氦,大多数都是来自这种富含氦的天然气。

总结

尽管氦在地球上极为稀缺,而在其它星球上却到处都是,但我们也不必抱怨宇宙的偏心。因为如果在太阳系形成之初,地球的引力能够强大到足以束缚住氦,那地球的质量将会比现在大得多,在这种情况下,地球就会成为一颗像木星、土星那样的巨行星,而如果太阳风能够将氦-3送到地球表面,就意味着地球没有磁场,或者磁场极弱,由此可见,如果地球真的拥有大量的氦,那我们人类也就不可能存在了。

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