碳元素是怎么发现的「碳元素的形成」

今天带来碳元素是怎么发现的「碳元素的形成」，关于碳元素是怎么发现的「碳元素的形成」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

地球上的碳，无论是昂贵的钻石、柔软的石墨、廉价的煤炭还是组成你我以及所有生命的碳元素，它们都比太阳更悠久。碳诞生于太阳之前的古老恒星，然后随着某一次超新星爆发扩散到整个太阳系。

石墨与钻石，它们都是碳的同素异形体

碳诞生于恒星内部。当一团氢气和氦气开始聚集为恒星时，它是没有碳的。恒星内最开始进行的是被称为质子-质子链反应的核聚变过程，在这个过程中，氢的原子核被相互挤压到一起，经过一系列的核聚变反应，最终融合成为氦。如果温度和压力达不到进一步聚变的条件，氦不会继续发生聚变反应，因为氦原子核里的粒子数量更多，要想克服核与核之间因相同电荷所产生的静电排斥力（库仑势垒）需要更大的能量。

核聚变需要克服原子核间的静电排斥力

如果恒星不够大，比较我们的太阳，当它核心内的氢全部耗尽。在氢转化为氦后，核聚变会停止，热量会停止释放，恒星内外巨大的压力差会使得外部气体急剧坍缩，促使太阳核心的氦被强烈压缩，温度上升到10⁸K，发生热失控，这就是“氦闪”，电影《流浪地球》就是基于这个事件构建的故事。

三重α过程产生碳

氦闪会在太阳内部产生大量的碳，这个过程被称为恒星中的“三重α过程”。在几分钟的时间内，占恒星质量40%的α粒子（氦-4的核）先是被融合为铍-8，紧接着铍又与另一些α粒子聚合为碳-12。由于这个过程极其短促，太阳爆发出的光芒会瞬间照亮整个银河系，之后的太阳归于沉寂，最终变成一颗白矮星。

白矮星中心聚集了大量碳，如果条件合适，这些碳会被挤压在一起，并在冷却后形成一颗极其巨大的钻石内核。天文学家们认为距离地球大约50光年一颗名为“露西”的编号为BPM 37093的白矮星内部有一个质量超过5×10²⁹千克的钻石内核。要知道地球的质量仅有5.965×10²⁴千克，这颗大钻石比地球要重近10000倍！

“露西”的巨钻

如果恒星足够大，在它的内部可以比较容易生成碳。这是因为更大的恒星内部有更大的压力和更高的温度，它可以很容易地克服氦原子核的库伦势垒，不需要发生氦闪就能产生“三重α过程”，进而将氦-4融合为碳-12。

在大质量恒星中，有一个被称为“CNO循环”的过程。这是在碳-氮-氧三种元素间融合反应的催化循环过程，它在大质量恒星内部聚变反应中占主导地位，如果太阳的质量比现在大30%，太阳内部也能形成“CNO循环”。

CNO循环

恒星内部CNO循环有许多种方式，总体上是质子不断地推动碳-氮-氧三种元素同位素之间的相互转换，在此过程中释放大量的热、伽马光子和中微子，最终形成氦。与此同时，CNO循环也将恒星中碳-12与碳-13核的比率推动到3.5:1。

在大质量恒星内部，碳往往并不是最终的产物，它有很多的机会聚变形成更重的元素，这个过程被称为“碳燃烧”。请注意，这里的燃烧并不是指碳在地球表面与氧气反应生成一氧化碳或二氧化碳的氧化过程，而是在恒星内部的聚变过程。

在大质量恒星中，碳燃烧产生更重的元素

碳在恒星内部经常会发生以下的聚变反应：

¹²C ¹²C → ²⁰Ne ⁴He 4.617MeV

¹²C ¹²C → ²³Na ¹H 2.241MeV

¹²C ¹²C → ²³Mg ¹n - 2.599MeV

或者：

¹²C ¹²C → ²⁴Mg γ 13.933MeV

¹²C ¹²C → ¹⁶O 2 ⁴He - 0.113MeV

由上面的聚变反应过程我们可以看出，碳燃烧的最终结果主要是氧、氖、钠和镁的混合物，恒星中的这些物质的产生有碳的功劳。

碳诞生于恒星内部，它是怎么来到地球上的？这需要谈一谈碳爆炸和碳闪。

前面我们提到了白矮星“露西”，它的中心有一颗巨大的钻石，事实上，大部分的白矮星主要都是由碳和氧构成的，它们是中低质量恒星（比如我们的太阳）的残余。有一些白矮星慢慢冷却，最终变为黑矮星，另一些则有可能在冷却之前就与附近的恒星或白矮星相互吸引发生兼并。

恒星兼并

当白矮星与其它恒星或白矮星兼并时，迅速增加的质量突破钱德拉塞卡极限（超过1.4倍太阳质量）时，将导致白矮星内部的碳瞬间发生聚变反应，这个失控的热核过程直接促使新恒星的碳内核剧烈膨胀并发生爆炸，这种碳爆炸也被称为Ia型超新星爆发。超新星爆发所产生的冲击波会将包括大量碳在内的各种物质以20000km/s（光速的6%）的速度抛向太空。

超新星爆发

在太阳质量8~11倍大小范围内的恒星中，碳-氧核心处于退化状态，这时候恒星容易发生“碳闪”。仅仅几毫秒的时间，恒星内核的碳层被点燃并发生爆炸，强烈的恒星风吹散外围所有物质，也包括大量没有参与反应的碳，形成一个行星状星云的壳，恒星残骸中心只留下一个大约1.1倍太阳质量的O-Ne-Na-Mg白矮星核心。

我们的太阳系诞生于前一次超新星爆发所形成的星云，因此在包括地球在内的太阳系中，广泛分布着丰富的碳元素以及碳的各种化合物。碳是宇宙中继氢、氦和氧之后第四丰富的元素，这与碳在恒星中诞生的方式有密切的关系。