李志宏
地球上能生产元素吗? 精选
2021-10-16 09:47
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地球上能生产元素吗?

上一篇博文中提到,由于弹核与靶核间的库仑排斥,使得核聚变的点火温度很高。对于最轻的聚变核反应,点火温度也要1千万度以上。地球上的自然环境显然没有这么高的温度,因此没有产生核聚变的自然条件。要想找到能够生产元素的场所,必须寻找温度很高的地方。那么宇宙中哪里的温度能达到上千万的高温呢?

 

经过多年工作,科学家们找到两种这样的高温场所。伽莫夫找到的是宇宙初期的高温高密环境,他想用这种场所产生自然界中所有的元素。但是,由于宇宙膨胀速度太快了,又加上缺少原子量为58的稳定核素。伽莫夫的方法仅能产生约75%的氢、25%的氦和微不足道的锂元素,更重的元素很难用这种方法生成。现在,我们把伽莫夫的这种生产核素的方法叫做大爆炸核合成,也有时被称作原初核合成。霍伊尔认为恒星才是元素生产的场所,他也试图在恒星环境下产生所有的元素。霍伊尔使用八中核过程能够产生从氦到铀的所有核素,不过他的模型很难产生氢和足量的氦,这种学说被称作恒星核合成。这两种学说都不能产生所有的元素,不过,如果把两个人的学说合起来就能圆满的解释宇宙里的所有核素了,即:大爆炸核合成产生了氢、氦和少量的锂元素,恒星核合成产生了从氦到铀的所有元素。


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元素产生历史的示意图


地球上的元素其实就是继承了恒星的遗产,我们身体里的元素也是通过食物转换得到的。因此卡尔·萨根说:我们都是恒星的灰尘。

 

那么我们是否可以说地球上不能生产元素了呢?事情也不是那么绝对,记得我们以前博文中说过的中子吗?它同原子核反应时没有库仑位垒的阻碍,反应比较容易。在从恒星继承过来的元素中,有一些是长寿命的核素,至今还没有衰变完,仍然可以通过发射αβγ粒子变成稳定核素。有时衰变的α粒子会同其它核素通过(α,n)反应产生中子,这些中子打到其它原子核上也会发生核反应生成别的核素。另外,宇宙射线也能和地球空气中的碳氮氧发生反应,产生一些核素,比如,铍、硼等。另外还有一些人工产生的元素,比如科学家们使用加速器产生高能离子,并用这些离子轰击靶核,通过反应产生一些核素。在这些生产的元素中,有些元素还是在大自然中找不到的元素,有人把这些元素叫新元素。我对此有不同的意见,因为它们实质上都是在恒星核合成中产生过的,只不过早就衰变殆尽,现在找不到而已。而科学家们还在持之以恒地产生这些元素,并用自己国家或单位名称来命名发现的这些元素。


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一个标记着发现国国旗的元素周期表


总之,地球上确实会产生一些元素,不过它们并不新,并且量很少,小于地球原始元素的千万分之一。因此可以说,地球上绝大多数元素都是在大爆炸和恒星演化过程中产生的。有些不稳定的核素,比如半衰期小于一万年,如果在地球上发现了这些元素,那它们可以肯定是在地球上被产生的,因为恒星中产生的这些元素经过46亿年(地球年龄)早已衰变完了。


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