2021年07月27日 星期二
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元素的起源

2021-7-27 8:07:06 来源:中国矿业报 作者: 赵九江

2015年国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)确认了第118号元素的发现,美国和俄罗斯的科学家通过设在俄罗斯杜布纳的U400回旋加速器实验设备,两次将高速钙-40离子加速,用来轰击人造元素锎-249,从而制造出3颗新原子。每颗新原子的原子核包含118个质子和179个中子,它是人类合成的最重元素。研究人员将第118号元素命名为oganesson(缩写Og),用来向极重元素合成先驱者、俄罗斯物理学家尤里·奥加涅相致敬。作为元素工厂里面的生产线,这台回旋加速器生成出来的新元素少得可怜,只有3个原子,而这3个原子在不到万分之一秒的时间里就消失了。

与加速器类似,宇宙射线在轰击其它原子时也能形成一些元素。当质子宇宙射线以接近光速的速度撞击碳或者氧原子时,它们携带的能量足以让原子分裂,这会形成硼、铍等更小更轻的元素。宇宙射线裂变产生的其它元素所占比重不高,但几乎所有硼和铍都通过这种方式形成。

宇宙大爆炸

那么宇宙中的其它主要的物质都是怎么生产出来的呢?我们就要看看宇宙元素生产工厂的其他生产线了。这里面最大的一条生产线就是宇宙大爆炸。根据大爆炸理论,宇宙起源于一个无体积,且能量和密度极大的奇点,奇点经过一次爆炸之后逐渐膨胀,最终形成现在的宇宙。大爆炸之后100秒以内,第一批元素的原子核诞生了,它们就是氢和氦的原子核以及极少数的锂,其中氢占了大约3/4,氦占了大约1/4,它们是宇宙元素工厂的原材料。虽然这个最大的生产线停产了137亿年,不过它的产品决定了宇宙中物质的组成以及今后的演化。

大爆炸之后4亿年过去了,新的元素生产线-恒星诞生了。氢和氦的气体星云在引力作用下聚集成团,内部压力逐渐增大,温度上升,最终在高温高压下,氢核聚变被引发了, 4 个质子合成为1 个氦核,并产生两个正电子和两个中微子,恒星被点亮了。初代恒星起始阶段是氢核聚变,产生了氦原子核,这时并没有新元素产生,恒星的聚变辐射光压与本身引力达到平衡,恒星就开始了漫长的稳定发光发热阶段。随着恒星氢元素逐渐耗尽,辐射光压减少,引力让星球进一步压缩,压力温度进一步升高,从而引发了氦核的聚变,3个氦核聚变成碳原子核,这是宇宙元素工厂第一次利用原材料生产出来新的元素。随后,恒星继续元素生产,当氦消耗殆尽的时候,引力继续压缩恒星,引发了碳聚变燃烧,合成了氖。如果恒星质量足够大,那么它将依次经历氖燃烧、氧燃烧、硅燃烧,产生一系列元素,直至铁。由于铁与铁的聚变反应是吸热反应,不能放出能量与引力进行对抗,核心反应堆停止了核能的产生,恒星内部核燃烧熄灭。当恒星质量较小的时候,它会停留在氦或者碳燃烧阶段,星体膨胀成一颗红巨星,红巨星的体积可达到太阳的1000倍,外层气体膨胀并最终被抛离出星体,同时将氦燃烧形成碳和氧、锡、铅等元素抛入星际空间,内核最终形成一个白矮星,原子被引力紧密地压缩在一起,与电子简并力达成平衡,孤独在宇宙中悬浮。

超新星爆发

当恒星质量大于10个太阳质量时,恒星中电子简并力不能阻挡引力,电子被压进了原子核,与质子结合形成中子,核外电子的消失导致恒星核心的塌缩,外壳层物质以自由落体的形式砸向塌缩的核心,引起剧烈爆炸,恒星演化成(II 型)超新星。一个新的宇宙元素生产线产生了,这就是超新星爆炸。前面所说的密度极高的白矮星如果与另一颗恒星的距离足够近,便会吸取邻居恒星的氢。随着时间推移,白矮星质量不断增加,当超过了钱德拉塞卡极限时,也会形成Ia型超新星爆炸并向星际空间抛射出大量元素物质。这两种超能新星爆发,生产出来了大量的重元素。在几秒钟的时间内,超新星会释放出巨大的能量,冲击波将核心附近壳层中的原子核打碎成质子和中子,等冲击波过后,这些质子和中子重新组合成新的原子核。1957 年,Burbidge 夫妇、Fowler 和Hoyle以及Cameron提出重元素主要由种子核(例如铁-56)通过一系列中子俘获反应和β衰变产生。如果中子俘获反应速率远低于β衰变速率,称为慢速中子俘获过程(s-过程);反之,称为快速中子俘获过程(r-过程)。s-过程产生近一半从铁到铋的重元素;r-过程产生另一半从铁到铋的重元素,以及钍和铀。

双中子星合并

近些年,随着激光干涉仪引力波天文台的投入使用,一个新的元素生产线被观测到了,那就是双中子星合并。2017年8月17日,激光干涉引力波天文台LIGO和Virgo 同时探测到首例由双中子星并合产生的引力波信号。大约在引力波信号之后1.74s,Fermi卫星上的伽马射线暴监测器(GBM)在同一天区探测到了一个持续时间约为2s 的短伽马射线暴GRB170817A,在引力波事件约10 小时后,南半球许多不同的光学望远镜均观测到双中子星合并在其他波段上的辐射,9 天之后在X射线以及射电波段人们又观测到伽马暴余辉。这是人类首次观测到引力波的多种电磁对应体。ESO甚大望远镜(VLT)的X-shooter仪拍摄了从紫外线到近红外光的各种光谱,对这些光谱的初步分析表明,这次事件确实创造出新的重元素,但直到现在,天文学家才鉴定出其中一个重元素的身份:原子序数38的锶(Strontium,化学符号Sr)。其实在光谱中,不仅有锶,还可能有钌(ru)、钡(Ba)、碲(Te),甚至金(Au)和铂(Pt)等元素,只是由于它们的谱线并不是非常显著,科学家还不能确定其真实存在。

从宇宙大爆炸开始,到恒星的演化,中子星的激烈碰撞,产生了构成我们的身体、我们的地球以及我们所处的世界的全部物质。当我们仰望星空,会不会感觉与整个宇宙融为了一体呢?

(作者单位:中国w88体育app调查局国家w88体育app实验测试中心)

网站编辑:宫莉