宇宙的物质交换

1.宇宙的物质交换

太阳、其他恒星以及分布在宇宙空间的气体或尘埃的化学成分总能吸引我们的兴趣。当然我们无法取得标本做分析，只好通过间接的手段来研究宇宙中的元素。我们把光谱仪和照相机连接起来，再把它们接到望远镜的目镜上做研究的工具。

前面已经介绍过光谱仪的作用，它将恒星射来的光分散，通过观察光谱来辨别那些光是由哪种元素发出来的。继之，也就明白了那些恒星或星云里面所含元素的种类了。

探索宇宙中的元素

使用光谱仪可以将太阳中钠的光谱记录下来，准确度与在实验室中记录钠燃烧发出的光谱一样。

宇宙空间中的气体或尘埃是不会发光的，反而会遮断从远方射来的光，从而成为黑暗的影子在更远方的恒星群背景上显现出来。有的会反射附近恒星的光。发亮的气体状星云有两种光谱，一种是把恒星的光直接反射过来，另一种是把恒星的光吸收再释放出来，并带着自身气体特有的波长。

地球的大气也是如此，因此我们也可以用光谱来分析大气最外层的元素种类。大气会吸收大部分外面射来的光，被吸收的光是不会到达地表的。这种现象在紫外线领域尤为明显。这样一来，我们很难接收到完整的从外面空间来的光的光谱。由此可见，大气的影响非常复杂，仅仅根据光谱来解释还很困难。

下图照片上显示的是一部分太阳光谱，从左端3940埃（1埃是一亿分之一厘米长）的波长到右端4130埃波长的一段。照片中央是我们能用肉眼看到的界限。右边一半是紫色光，可用肉眼看到；左边一半是紫外线，用肉眼是看不到的。用普通底片也可以把那些部分拍下来。

把望远镜对准太阳的边缘拍摄，就可以得到这张光谱，它以黑暗的太空为背景，背景上浮现有几条亮线。太阳边缘突出的几条亮线是围绕太阳旋转的高温气体释放出来的。钙（3968埃），氢（3970埃），氦（4026埃），铁（4045埃），铁（4077埃）的原子所发出来的光谱最为明显。在大约4101埃处是氢的第二条线。

太阳光谱中紫色部分的照片。有氦的光谱线

由于在太阳光谱中发现有氦的亮线，所以，人们在发现地球上存在氦的27年前，就已经发现太阳中有氦元素了。

照片上的线条可以分为吸收线及发射线两种。照片下半部分就是太阳表面上的各种元素发射的亮线及暗淡的吸收线。暗线是一些低温元素发出来的，它们围绕着太阳，是存在于太阳和我们的望远镜中间的物质。它们会从太阳光中选择吸收自身特有的波长部分，被吸收的部分就成为暗线。

太阳系的诞生

太阳等恒星的光谱，以及其他种种证据，都证明了宇宙中的元素分布跟地球上的元素分布不大相同。

氢元素是所有元素中最轻、最简单的一种，宇宙中最丰富的元素就是氢，而不是氧。在太阳及恒星中，氢占75%，氧占24%，其他元素的总和占1%。氢和氧以外的元素，也就是在那剩余的1%中，元素的分布比率可能与地球上大同小异，关于这一点目前还没有得到充分的科学证明。

科学家们认为是旋转着的气体云块凝缩成了我们今天的太阳系。云块的旋转运动被保存了下来，于是就有了行星的公转及太阳本身的自转。

大约90%的气体云块凝缩成了太阳，剩下的10%就被遗弃在空间。99%的被遗弃物质是氢和氦，它们后来大多脱离了原始太阳系进入到了宇宙空间。由此可见，只有大约一千分之一的气体云块留下来构成了诸行星。

宇宙及地球的年龄

在这里，很自然地就会产生一个疑问，宇宙到底有多古老？宇宙中的元素有多古老？

地球的年龄成为研究这个问题最可靠的资料。我们可以依靠天然铀非常规则的衰变来测出地球的年龄。

铀能够自发地放出射线而衰变。铀放出阿尔法粒子（氦的原子核）成为钍。钍放出一个电子成为镤。镤再放出射线而衰变，如此继续下去逐次生成较轻的各种元素的同位素，最后成为铅稳定下来。我们用下面的14个阶段来表示这一衰变的全过程。

铀衰变的速度是固定的，一定量的铀经过45亿年之后，一半会变成铅。因此，我们只要测量出含有放射性铀的矿石中由铀的衰变而得到的铅的量，再计算出铀和铅的含量比例就可以知道那块矿石诞生多长时间了。将这些资料汇集起来就可以推测出地球的年龄了。

用这个方法推测出的地球年龄大约是50亿年。宇宙的年龄比地球稍大一些，为55亿年到60亿年。

元素是怎样诞生的

宇宙是如何诞生的？这个问题比宇宙是何时诞生的还难找到答案。1920年，科学家们发现宇宙正在向四周膨胀，因此星云也就像是在膨胀的气球表面上的点那样，彼此间的距离越来越远。科罗拉多大学的Gamow教授认为，创生时宇宙中只有一种物质，那就是放射性中子，那些中子以难以想象的超高密度凝集在一起。中子大约以10分钟的半衰期放出电子而衰变。中子放出电子获得一单位正电荷成为质子，也就是氢的原子核。它会吸收中子，被吸收的中子在核中继续衰变而成为质子，从而形成有两个质子的氦原子核。如此反复，逐渐生成原子序数更大的元素的原子核。

Otto Struve

西维琴尼亚州Greenpank国立电波天文台台长Struve博士的元素创生理论与Gamow的理论完全不同。Struve博士曾担任国际天文联合会会长，是柏克莱加州大学天文学系的前任主任，于1944年获得伦敦皇家天文学会金牌奖。现在正全力研究宇宙的化学组成。