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1恒星,宇宙的元素工厂-探索元素世界

时间:2023-11-20 理论教育 版权反馈
【摘要】:别小看这个最简单的氢元素,宇宙中的一切元素、物质甚至是生命,都是由这个最简单的元素逐渐组合创造出来的。但对于质量是太阳质量8倍以上的大恒星而言,核聚变反应就可以一直进行到26号铁元素。科学家们通过建立模型和理论计算,预测了宇宙元素的三个终点,分别是126号元素、137号元素和172号元素。

1恒星,宇宙的元素工厂-探索元素世界

道德经》云:“一生二,二生三,三生万物。”那宇宙中的元素是怎么来的呢?

宇宙浩瀚无际,没有人知道宇宙到底有多大。人类能够观测到的宇宙就达到了138亿光年,看似平静的宇宙实际却是在高速地运转,大家可能会好奇,宇宙的运转到底有多快呢?

当然,宇宙的演化不光是天体间的相互运动这么简单,更重要的是物质的演化。宇宙在形成之初,物质的组成极其简单,甚至是单调,绝大部分是氢元素,还有少量的氦元素,也就是元素周期表中的第一号和第二号元素。

氢元素是宇宙中最简单的元素,原子核内只包含1个质子,原子核外只有1个电子别小看这个最简单的氢元素,宇宙中的一切元素、物质甚至是生命,都是由这个最简单的元素逐渐组合创造出来的。

你知道质子、电子,分别是什么吗?

质子:一种带正电荷的粒子,元素的种类是质子数量决定的。

电子:最早发现的一种负电荷粒子,电量的最小单元

既然宇宙形成之初元素种类如此单一,那么整个元素大家庭的成员是如何被制造出来的呢?

想要将氢元素相互组合生成更多更丰富的元素,就需要一个制造工厂,这个工厂就是恒星,元素的生产过程就是恒星中发生的剧烈“燃烧”反应——核聚变

但是,我们的太阳在完成氦聚变之后,由于自身质量不够大,不能够引发更重元素的聚变,因此无法完成生产所有元素的任务。太阳最终会因为氦聚变的停止而逐渐熄灭形成白矮星。

但对于质量是太阳质量8倍以上的大恒星而言,核聚变反应就可以一直进行到26号铁元素。但是铁元素的原子核极其稳定,铁元素往后的核聚变反应会从放热反应反转成为吸热反应,所以自发的核聚变就会在进行到铁元素时戛然而止。

也就是说,铁以及铁之前的元素是通过自发的核聚变反应不断形成的,而铁以后的元素便不能通过自发核聚变形成了。此时,随着核聚变的戛然而止,这颗大恒星就会瞬间坍塌爆炸,也就是超新星爆发。

超新星爆发的过程中,恒星内部温度压力急剧升高,这就给铁元素提供了足够甚至远远过剩的能量,从而诱发铁元素进一步聚变,并最终形成铁元素之后的所有元素。

目前,人类在自然界中发现的天然存在的最重的元素是94号钚元素,并通过人工合成的方法一直制备到了118号元素。越重的元素越不稳定,很快就会衰变成较轻的元素,所以宇宙中能够通过超新星爆发生成的最重元素到底是多少号元素,现在人类还不得而知。

科学家们通过建立模型和理论计算,预测了宇宙元素的三个终点,分别是126号元素、137号元素和172号元素。当然,到底哪个对,就要靠科学家们进一步的研究和探索了。

前面讲到,太阳由于自身质量不够大,只能进行大约90亿年的氢聚变和10亿年的氦聚变,随后由于不能引发更重元素的聚变而熄灭,成为白矮星。

那这颗白矮星是什么样子呢?

太阳完成氦聚变后会变成一个由碳元素和少量氧元素组成的白矮星,同时渐渐冷却。

这些从高温、高压环境中冷却下来的碳元素将逐渐结晶为致密的晶体结构,而碳元素形成的最致密结构,是石墨烯的微观结构,还是金刚石的微观结构呢?

没错,就是金刚石微观结构!太阳在完成氦聚变之后,最终很有可能会形成一颗巨大的钻石星球

这个推断已经得到了间接证实,天文学家在距离地球约50光年,位于靠近南十字座的半人马座中发现了一颗比太阳略大的白矮星——BPM37093,这颗星球就是一颗巨大的钻石星球。(www.xing528.com)

这颗“钻石”也成了银河系中最大的钻石,直径超过3000公里,重量达到2000亿亿亿吨。而太阳和它质量相近,或许在约50亿年后,太阳熄灭形成白矮星时,也会形成另一颗大钻石,这可能就是太阳的“华丽”结局。

如果我们翻开元素周期表去看一看已经填满的118种元素的名称,就会发现,表示元素名称的汉字几乎都是新造的汉字,这些字被称为化学用字,这些生僻的汉字是汉语言中非常重要的组成部分,丰富了汉字的构成,也让汉字这种古老的语言文字不断与时俱进,跟随潮流向前发展。

但我们去了解这些元素名称的发音时,也会发现,绝大多数元素的中文读音是英文名称的音译,这说明什么问题呢?说明中国没有对这些元素命名的权利。归根到底,就是因为世界科学界认为这118种元素中没有任何一个是由中国人发现的。难道,事实真的是这样吗?

让我们把目光聚焦到33号砷元素。

砷元素现西方认可的发现过程是:在1250年前后,由德国炼金术师马格努斯用肥皂与雌黄共煮制得,被认为是人类发现的第11种元素。

但其实早在4世纪前半叶,我国东晋时期的炼丹术士葛洪就在他的著作《抱朴子》中记录了提取砷的方法,只是古时候我们把它称为“砒”,就是砒霜的砒,可是西方人并不承认这一点。这件事也说明:一个国家强大与否,是否有发言权会体现在各个方面,在小小的元素周期表中我们也能深刻地体会到这一点。

对于元素的命名会有很多种方式,在这里跟大家举一些有趣的例子,这些例子中所说的元素名称的原意,指的是元素英文名称单词的原意。

1. 纪念西方神话。22号钛元素原意为泰坦神族,希腊神话中的古老神族;46号钯元素原意为希腊神话中的智慧女神巴拉斯;61号钷元素原意为希腊神话中的众神领袖宙斯的儿子普罗米修斯,他为人类带来了火种。

2. 纪念元素的发现地。32号锗元素的原意是“德国”,113号元素的原意是“日本”。而87号钫元素和31号镓元素的原意都为“法国”,它们分别是根据法国国名的英文单词和拉丁文单词演变而来的。

3. 描述元素的特性。28号镍元素在发现时是绿色的,与铜锈很相似,所以其名称的原意为“假铜”;80号汞元素的原意为像水一样可以流动的白银;由于氯气是绿色的,所以17号氯元素的原意为绿色气体;78号铂元素在发现时被误认为是白银,所以其名称的原意即白银。

4. 纪念伟大的科学家。104号元素纪念英国化学家卢瑟福,107号元素纪念丹麦物理学家玻尔,111号元素纪念德国物理学家伦琴,112号元素纪念波兰伟大的天体物理学家哥白尼,101号钔元素,则是纪念元素周期表之父门捷列夫。

5.纪念天体的发现。92号铀元素、93号镎元素、94号钚元素,这三个元素的名称分别来源于天王星海王星冥王星的英文名称。

希望随着中国科研水平的日益提升,未来也会有纪念发现地为中国的元素出现!你们觉得叫什么名字好呢?

元素,在中文里是最基本单元的意思。

“元素”这个概念,是由古希腊科学家柏拉图正式提出的。人们从开始认识世界的时候就想寻找组成我们这个世界的最基本单元。在古希腊,哲学家们认为组成世界的基本要素是火、地、水、风。地的特性是坚硬,水的特性是湿润,火的特性是燥热,风的特性是运动。

这四个要素之所以能构成世界,源自它们的互相协调与互相牵制。当柏拉图首次提出了“元素”的概念后,“四元素说”变得更加清晰,易懂,更易传播,这种观点也在相当长的一段时间内影响着西方科学的发展。

中国作为东方文明的代表,自古以来就有着与西方文明并行的一套认知世界的体系。中国古代思想家认为,世界是由“五行”组成的,即金、木、水、火、土五种物质。五行相生相克,从而孕育了整个世界。

从这里可以看出,西方的四元素说和东方的五行学说,在思想上有一定的连通性,东西方两种文明虽然相隔万里,但是对世界的认知却有着相似的过程。虽然东西方对组成世界的基本单元进行了很多讨论和探索,但是这种讨论都是哲学层面的,是不以真实实验为基础的讨论与研究。

直到17世纪英国科学家玻意耳提出要从实验的角度去寻找和定义元素,用化学实验的方法来认知世界,这个理论也逐渐成为科学界的共识。玻意尔的科学精神和实验科学思想,凝结成了其不朽著作《怀疑的化学家》,这本著作让化学从哲学想法与生产生活经验成为真正的自然科学,也成为近代化学的开始。

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