既然「大爆炸」威力如此巨大，为什么只产生了最轻的几种元素，反而是超新星爆发产生了最重的元素？ 第1页

简单的解释就是元素核合成需要适当的温度。温度太高，宇宙中光子能量超过了原子核结合能，原子核形成了也会被打散。温度太低，核聚变不能发生，元素也就没有办法向更高原子量演化。宇宙大爆炸之后的宇宙整体演化进程中，只有一小段时间温度恰当适合核合成。在这个过程中只来的及产生了氦和极少量的锂。更重的元素形成是在恒星演化过程中实现的。

下面是稍微详细的解释：

宇宙的热历史
图片来源Nuclear Chemistry of the Big Bang

科学理论上所谓的宇宙大爆炸的实际指的是经典宇宙的开始，这以后的宇宙物理可以在现代物理框架下描述，这之前是什么样现在还不清楚。经典宇宙开始的时候温度大概是10的32次方度，也就是普朗克温度。在这样的温度下不要说原子核了，质子中子也不存在，更基础的粒子夸克也不存在。宇宙就是一锅能量汤。

但从进程上看，宇宙大爆炸是一个空间迅速膨胀，物质密度迅速下降，温度也迅速下降的过程。

所以到宇宙诞生后零点几秒的时候，宇宙温度已经降到了10Mev以下（差不多几百亿度量级），质子和中子就开始形成了。所谓氢原子核，其实就是质子。从这个意义上讲，最轻的原子核就已经合成了。最开始的时候，质子和中子是可以互相转化的，但是随着温度进一步降低，到1秒钟以后，质子和中子的数量比就冻结了，比例是7：1，质子多，中子少。中子这个东西很麻烦，你放着它不管，它大概10分多钟就衰变了，除非你把它结合到原子核里。那么什么时候它可以到原子核里呢，这必须要宇宙温度下降到0.1Mev，也就是10亿度以下，一个质子和一个中子可以形成氢的同位素，氘。这个时候宇宙的年龄是100多秒，比中子的半衰期短的多，所以中子都保全下来了。

氘在核反应链条上是一个中间产物，大量的氘通过不同路劲最终形成了氦。到宇宙年龄3分钟的时候，几乎所有的中子都到了氦里面。如果记得我们刚才说过宇宙质子和中子的比例是7：1，那么很容易可以推算出来这个时候氢和氦的质量比例是3：1. 也就是宇宙中75%是氢，25%是氦。核反应再往下进行就很麻烦了，因为自然界没有原子量是5和8的稳定原子。原子量是6的稳定原子有一个是锂6，但是形成锂6的反应截面很小。所以下一个能够形成的原子实际上是7Li。但等7Li可以开始形成的时候，宇宙已经非常冷，密度也比较低了，核聚变很难继续进行。所以大爆炸核合成过程最后只形成了非常少量的Li.

到宇宙年龄1小时的时候，核合成已经完全停止，宇宙中的元素丰度仍然是75%的氢，25%的氦，和极为少量的锂7。此后一直到宇宙诞生后大概10亿年，第一代恒星开始形成了，更重元素的合成才重启了。

太爆炸核合成序列图

所有比锂重的元素都是由恒星演化产生的。恒星中心核聚变反应会慢慢生成一系列更重的元素。但所有生成的元素中不能可能有比铁重的。比铁更重的元素无法通过聚变生成，因为铁的核平均结合能是最强的。从铁生成更重的元素实际上要损失能量。而恒星内部如果不能生成能量，实际上生命就结束了。

那么今天自然界比铁更重元素是哪里来的呢？这要归功于超新星爆发过程。以Ia型超新星为例。当一颗白矮星吸积物质，质量增加超过钱德拉塞卡极限质量，其自身的引力会胜过抵抗引力的电子简并压。这使得白矮星向内塌缩，由于中心的压强迅速增大，核心的碳元素的聚变反应会被点燃，更重的元素随之形成，并开始更进一步的核聚变反应。白矮星的核聚变会在很短时间产生大量能量，这些能量最终将物质炸开，成为超新星爆发。白矮星塌缩时的聚变核生成反应会生成一系列比碳重的元素，一直到生成铁。这时候铁元素周围有大量的中子，铁原子核通过快中子捕获过程增加原子量形成大质量的同位素，并最终通过衰变生成重元素。

注意到这里对于恒星演化过程中的元素合成只举了一些简单的例子，事实上的情况要比这复杂的多。