化学元素的最初核合成

我们从大爆炸后的八个阶段的推测中已经知道，宇宙生成的大致阶段如图2-2所示。

图2-2　宇宙生成的大致阶段

根据这个大致阶段，我们也就明白，在宇宙大爆炸的最初阶段，宇宙中充满了夸克、电子、中微子、光子、胶子、X粒子等各种粒子。其中，由于X粒子的衰变，产生了大量的夸克。当宇宙冷却到一定程度时，夸克便构成了质子和中子。

我们都知道，物质由分子和原子构成；原子由原子核、电子构成；原子核则由质子和中子构成。直到20世纪中叶，大家都认为，中子和质子是不可再分的最小微粒了。后来，美国斯坦福大学的物理学家发现以光速飞来的电子在撞击物质时经常会突然改变其运动方向。1964年美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gelmann）和乔治·茨威格（G.Zweig）就提出质子和中子是由更小的粒子所组成的，组成它们的粒子是三个夸克。1966年在美国的大型电子加速器上工作的物理学家证实了他们的假设。1970年欧洲核试验中心用中微子轰击质子的试验也证实了这一假设。

科学家的研究证明，要描述组成物质的最基本的微粒——质子和中子，需要有两种夸克，科学家把它们写成u和d，分别表示上夸克和下夸克。上夸克带有2/3个正电荷，下夸克带有-1/3个正电荷，质子和中子的结构如图2-3所示。

图2-3　质子、中子结构示意

根据夸克理论，夸克是一类没有内部结构的“点状”粒子，它们共有六种，有上夸克、下夸克、奇夸克、灿夸克、底夸克和顶夸克，科学家已从实验中发现了所有六种夸克的存在。事实证明，夸克作为最基本的粒子之一，已完全能解释科学家所发现的数百种各种粒子的组成。

宇宙的初始阶段，夸克在生成质子（氢核）和中子之后，当宇宙的年龄约在100秒，平均温度降到10万K时，质子和质子的融合就形成了氦核，其过程如下：

1H＋→—n2D（氘核）＋γ（光子）

2D＋1→—H3He＋γ

3He＋3→—He4He＋21H

由于中子的衰变，根据弱相互作用计算，核合成初期的中子与质子比约为1∶7，上述核反应表明，两个质子和两个中子转化为一个氦核4He，氦的质量分数约为25%，这与天文学的观察完全相符。

化学元素的生成应该是从氢核和氦核的生成开始的。大约在大爆炸30万年后，此时氢核和氦核都捕捉到了电子而形成了氢原子和氦原子。

氢应该是宇宙中最早出现的元素，那时宇宙空间中充满了星际气体，这种气体弥散在浩瀚的太空里，大部分是氢云，还有着氦云，它们都是宇宙大爆炸的产物，它们构成了星系总质量的大部分。

这就是宇宙中化学元素的最初的、在大爆炸中的核合成，生成的元素只是氢和氦。为什么除了氢、氦以外的其他元素不能在大爆炸中的最初核合成中一起生成呢？科学家的研究表明，这是因为当时缺乏质量数为5和8的稳定核素，而无法在最初的宇宙条件下生成比氦重的原子核。