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    元素的起源

    2021-7-27 8:07:06 來源:中國礦業報 作者: 趙九江

    2015年國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)確認了第118號元素的發現,美國和俄羅斯的科學家通過設在俄羅斯杜布納的U400回旋加速器實驗設備,兩次將高速鈣-40離子加速,用來轟擊人造元素锎-249,從而制造出3顆新原子。每顆新原子的原子核包含118個質子和179個中子,它是人類合成的最重元素。研究人員將第118號元素命名為oganesson(縮寫Og),用來向極重元素合成先驅者、俄羅斯物理學家尤里·奧加涅相致敬。作為元素工廠里面的生產線,這臺回旋加速器生成出來的新元素少得可憐,只有3個原子,而這3個原子在不到萬分之一秒的時間里就消失了。

    與加速器類似,宇宙射線在轟擊其它原子時也能形成一些元素。當質子宇宙射線以接近光速的速度撞擊碳或者氧原子時,它們攜帶的能量足以讓原子分裂,這會形成硼、鈹等更小更輕的元素。宇宙射線裂變產生的其它元素所占比重不高,但幾乎所有硼和鈹都通過這種方式形成。

    宇宙大爆炸

    那么宇宙中的其它主要的物質都是怎么生產出來的呢?我們就要看看宇宙元素生產工廠的其他生產線了。這里面最大的一條生產線就是宇宙大爆炸。根據大爆炸理論,宇宙起源于一個無體積,且能量和密度極大的奇點,奇點經過一次爆炸之后逐漸膨脹,最終形成現在的宇宙。大爆炸之后100秒以內,第一批元素的原子核誕生了,它們就是氫和氦的原子核以及極少數的鋰,其中氫占了大約3/4,氦占了大約1/4,它們是宇宙元素工廠的原材料。雖然這個最大的生產線停產了137億年,不過它的產品決定了宇宙中物質的組成以及今后的演化。

    大爆炸之后4億年過去了,新的元素生產線-恒星誕生了。氫和氦的氣體星云在引力作用下聚集成團,內部壓力逐漸增大,溫度上升,最終在高溫高壓下,氫核聚變被引發了, 4 個質子合成為1 個氦核,并產生兩個正電子和兩個中微子,恒星被點亮了。初代恒星起始階段是氫核聚變,產生了氦原子核,這時并沒有新元素產生,恒星的聚變輻射光壓與本身引力達到平衡,恒星就開始了漫長的穩定發光發熱階段。隨著恒星氫元素逐漸耗盡,輻射光壓減少,引力讓星球進一步壓縮,壓力溫度進一步升高,從而引發了氦核的聚變,3個氦核聚變成碳原子核,這是宇宙元素工廠第一次利用原材料生產出來新的元素。隨后,恒星繼續元素生產,當氦消耗殆盡的時候,引力繼續壓縮恒星,引發了碳聚變燃燒,合成了氖。如果恒星質量足夠大,那么它將依次經歷氖燃燒、氧燃燒、硅燃燒,產生一系列元素,直至鐵。由于鐵與鐵的聚變反應是吸熱反應,不能放出能量與引力進行對抗,核心反應堆停止了核能的產生,恒星內部核燃燒熄滅。當恒星質量較小的時候,它會停留在氦或者碳燃燒階段,星體膨脹成一顆紅巨星,紅巨星的體積可達到太陽的1000倍,外層氣體膨脹并最終被拋離出星體,同時將氦燃燒形成碳和氧、錫、鉛等元素拋入星際空間,內核最終形成一個白矮星,原子被引力緊密地壓縮在一起,與電子簡并力達成平衡,孤獨在宇宙中懸浮。

    超新星爆發

    當恒星質量大于10個太陽質量時,恒星中電子簡并力不能阻擋引力,電子被壓進了原子核,與質子結合形成中子,核外電子的消失導致恒星核心的塌縮,外殼層物質以自由落體的形式砸向塌縮的核心,引起劇烈爆炸,恒星演化成(II 型)超新星。一個新的宇宙元素生產線產生了,這就是超新星爆炸。前面所說的密度極高的白矮星如果與另一顆恒星的距離足夠近,便會吸取鄰居恒星的氫。隨著時間推移,白矮星質量不斷增加,當超過了錢德拉塞卡極限時,也會形成Ia型超新星爆炸并向星際空間拋射出大量元素物質。這兩種超能新星爆發,生產出來了大量的重元素。在幾秒鐘的時間內,超新星會釋放出巨大的能量,沖擊波將核心附近殼層中的原子核打碎成質子和中子,等沖擊波過后,這些質子和中子重新組合成新的原子核。1957 年,Burbidge 夫婦、Fowler 和Hoyle以及Cameron提出重元素主要由種子核(例如鐵-56)通過一系列中子俘獲反應和β衰變產生。如果中子俘獲反應速率遠低于β衰變速率,稱為慢速中子俘獲過程(s-過程);反之,稱為快速中子俘獲過程(r-過程)。s-過程產生近一半從鐵到鉍的重元素;r-過程產生另一半從鐵到鉍的重元素,以及釷和鈾。

    雙中子星合并

    近些年,隨著激光干涉儀引力波天文臺的投入使用,一個新的元素生產線被觀測到了,那就是雙中子星合并。2017年8月17日,激光干涉引力波天文臺LIGO和Virgo 同時探測到首例由雙中子星并合產生的引力波信號。大約在引力波信號之后1.74s,Fermi衛星上的伽馬射線暴監測器(GBM)在同一天區探測到了一個持續時間約為2s 的短伽馬射線暴GRB170817A,在引力波事件約10 小時后,南半球許多不同的光學望遠鏡均觀測到雙中子星合并在其他波段上的輻射,9 天之后在X射線以及射電波段人們又觀測到伽馬暴余輝。這是人類首次觀測到引力波的多種電磁對應體。ESO甚大望遠鏡(VLT)的X-shooter儀拍攝了從紫外線到近紅外光的各種光譜,對這些光譜的初步分析表明,這次事件確實創造出新的重元素,但直到現在,天文學家才鑒定出其中一個重元素的身份:原子序數38的鍶(Strontium,化學符號Sr)。其實在光譜中,不僅有鍶,還可能有釕(ru)、鋇(Ba)、碲(Te),甚至金(Au)和鉑(Pt)等元素,只是由于它們的譜線并不是非常顯著,科學家還不能確定其真實存在。

    從宇宙大爆炸開始,到恒星的演化,中子星的激烈碰撞,產生了構成我們的身體、我們的地球以及我們所處的世界的全部物質。當我們仰望星空,會不會感覺與整個宇宙融為了一體呢?

    (作者單位:中國地質調查局國家地質實驗測試中心)

    網站編輯:宮莉

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