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元素的形成之旅

2018-09-17 10:29白石溪
科學(xué)之謎 2018年4期
關(guān)鍵詞:種元素周期表超新星

白石溪

宇宙中的物質(zhì)豐富多彩,大到天體,小到塵埃,都是由元素組成的。隨著科學(xué)研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)了越來越多的元素,但元素的起源曾經(jīng)困擾科學(xué)家們很長一段時間,直到我們在宇宙大爆炸理論中找到了答案。

宇宙大爆炸之初,所有的元素都不存在。宇宙像是熬著一鍋熱騰騰的“粒子湯”,從最開始的夸克和膠子,形成質(zhì)子和中子后組成原子核,再結(jié)合電子即可形成原子,宇宙從此開啟了漫長的合成元素之旅。

大爆炸以及宇宙射線帶來了元素周期表的前幾種元素——氫、氦以及少量的鋰、鈹、硼。當(dāng)宇宙塵埃和氣體從大爆炸中冷卻下來,形成恒星,然后這些恒星聚集在一起形成星系。在自然界中發(fā)現(xiàn)的其他86種元素就是在一些大大小小的恒星以及超新星爆發(fā)中的核反應(yīng)形成的。

恒星是元素的主要生產(chǎn)者,比如我們的太陽,在其核心內(nèi)的高溫高壓迫使氫的原子核融合在一起聚變?yōu)楹?。?dāng)恒星將氫消耗殆盡后,恒星就會開始消亡。這個垂死的恒星膨脹成一個紅巨星,且開始融合氦原子來制造碳原子。

恒星制造元素的種類與其質(zhì)量有關(guān),小恒星只能合成像碳、氧等輕元素,而大恒星才能逐漸形成從氧到鐵等更重的元素(周期表中越往后的元素越重)。但是由于能量的問題,大恒星上的核聚變反應(yīng)也不是一直能夠進行下去、無限合成越來越重的元素。

那么比鐵還重的元素應(yīng)該如何形成?當(dāng)大恒星演化到后期時,核內(nèi)的鐵積攢到一定程度,就會發(fā)生大規(guī)模的爆發(fā),科學(xué)家稱為超新星爆發(fā)。而爆發(fā)中所釋放的大量能量就可以進一步合成鐵之后的元素,如鈾和金。而且隨著爆發(fā),所有這些元素都被噴射到非常遙遠的地方,我們因此才在地球上看到了如此豐富多彩的元素。

而除了這91種自然存在的元素,周期表上的其他元素是人工合成的??茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn),通過在粒子加速器中將原子相互碰撞,就可以制造出新元素。這才形成了我們現(xiàn)在所看到的排滿了七個周期的118種元素的周期表。當(dāng)然,很多人都相信,這個并不是周期最終完整的樣子,下一個周期的元素還等待我們繼續(xù)去發(fā)掘。

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