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元素是怎样诞生的 精选

已有 10931 次阅读 2011-1-23 16:05 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 柏拉图, 元素周期表, 化学元素, 门捷列夫, 古希腊

“元素”一词最早被古希腊哲学家柏拉图用于描述无机物和有机物的基本组分。现代意义上的化学元素中,最古老、最轻的元素当属氢,它是由英国化学家波义尔于1671年在铁与硫酸的化学反应中发现的。1869年俄国化学家门捷列夫将当时发现的66种元素排列成著名的元素周期表,并由此预言了新元素的存在及其属性。迄今为止人类共发现了将近120种元素,其中大约80种是天然存在的,另外40种左右可以人工合成。第92号元素铀是地球上已知的原子序数最大的天然元素,人工制造出来的、原子序数大于92的超铀元素都是不稳定的放射性元素。尽管关于元素的基础知识已经成为中学生课本中的科学常识,但是大多数人也许并不知道宇宙最初只存在氢和氦,而构成人体的各种元素都产生于恒星内部的剧烈核反应。为此科普期刊《科学世界》2011年第三期特别策划了“元素诞生的故事”,为读者讲述元素是如何在宇宙演化过程中逐渐形成的。

 

俄国物理学家伽莫夫等人在上世纪四十年代创建的大爆炸宇宙学告诉我们,宇宙始于一个密度与温度都无穷大的初始态,历经一百多亿年的膨胀、冷却以及能量与质量的重组,直至演化出今天包罗万象的宇宙空间与星系结构。宇宙的最早期只包含一些运动速度接近光速的基本粒子,如电子、夸克、中微子及其反粒子。在大爆炸之后几微秒的时间之内,夸克结合成质子和中子,但它们却无法形成稳定的原子核,原因在于此时质子和中子不断地受到中微子和反中微子的骚扰,后者所触发的反贝塔衰变等核反应有效地抑制了核合成的发生。只有当宇宙的年龄接近一秒钟,温度下降到大约100亿摄氏度,使得中微子和反中微子不再与核子发生相互作用,大爆炸核合成才真正开始。氢原子核是最简单的元素,只含有一个质子。当宇宙的年龄接近两、三分钟时,氢的同位素、氦元素以及氦的同位素才会出现,这时它们能够有效地摆脱宇宙空间的大量光子所导致的光分解效应和其他不利于核合成的因素。大爆炸核合成持续的时间大约二十分钟,在此期间内质子和中子通过核力结合在一起形成氢、氦以及它们的同位素和极少量的锂。令人惊叹的是,理论所预言的宇宙原初氢和氦元素的丰度与今天的天文观测实验结果符合得非常好。大爆炸核合成理论的成功,连同美国科学家哈勃于1929年所发现的宇宙膨胀现象以及彭齐亚斯和威尔逊于1964年所观测到的宇宙微波背景辐射,构成了支持大爆炸宇宙学的三大里程碑。

 

但是元素周期表中那些比锂原子核重的元素却并非来自大爆炸核合成。它们主要诞生于恒星内部的核合成过程,因此远远没有氢和氦元素那样长的历史。沿着大爆炸之后的时间线顺流而下,宇宙在38万岁的时候容许原子核和电子组成中性原子,因为那时穿梭于宇宙空间的光子已经与物质分开,并形成我们今天所观测到的宇宙微波背景。直到宇宙年龄接近10亿年,星系才开始形成。人类赖以生存的太阳系形成于46亿年前,即宇宙大约90亿岁高龄的时候。“元素诞生的故事”一文以显浅生动的语言告诉我们,生命所必需的碳和氧元素是在恒星晚年通过内部的核合成制造出来的;而当恒星“平静地死亡”之际,会将各种元素抛洒到宇宙空间。超过太阳质量八倍以上的大质量恒星最终会“壮烈地死亡”,以引力坍塌型超新星爆发的方式向宇宙空间释放巨额的能量和多种元素。超新星爆发时的亮度相当于1000亿颗恒星的总亮度,但它的能量却主要是被中微子带走的。1987223日,日本物理学家小柴昌俊领导的地下实验室首次探测到大麦哲伦星云内部的超新星爆发所放射出来的中微子事例,他本人因此获得了2002年度的诺贝尔物理学奖。科学家对诸如此类的超新星爆发、聚星系内的超新星爆发以及其他极为剧烈的天体事件开展了系统深入的研究,揭示出宇宙空间中比铁更重的元素的可能起源。在地面上利用高能加速器等设备人工合成超重元素的实验,不仅能够不断地更新元素周期表,也有望在不久的将来重现宇宙演化过程中实现核合成的完整物理图象。

 

元素的诞生历程证明了人类与浩瀚的宇宙息息相关。但这并非故事的全部。从宇宙的年龄达到几百岁开始,神秘的暗物质深刻地影响了宇宙的演化进程和大尺度结构的形成。是否存在暗元素、暗原子乃至暗人类?这类看似荒唐的问题正在吸引科学家们的好奇心和探索欲,也许更大的惊喜就隐藏在未知之中。

 

(邢志忠:本文是为科普杂志《科学世界》期刊2011年第三期特别策划文章“元素诞生的故事”所撰写的卷首语)



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