中子星密度達百萬億噸,這是什么元素?是否表示宇宙還有未知元素

2020-12-04 星辰大海路上的種花家

我們已知的元素總共有118號,一般我們認為自然界中能長期存在的元素是92號鈾之前(包含鈾)的元素,之後則有與半衰期以及自然狀態下沒有生成機制,需要人工合成,元素序號越高,它的半衰期也越短,到了118號元素,半衰期只有12毫秒,它的存在時間極短。什麼才是區分元素的標準?

元素的種類是由什麼決定的?

我們經常聽到的是幾號元素,其實這個元素的區分標準就隱藏在這個幾號這個數字中!我們知道,某種元素就是某種元素的原子組成的,而決定原子種類的就是處在原子中間的原子核,那麼原子核是什麼組成的呢?

質子和中子

質子在所有元素中都存在,而中子卻不一定,比如氫的同位素氕它就沒有中子,只有一個質子+一個電子,最簡單的結構構成了宇宙中最豐富的元素,從氕以後,所有的元素都會有中子的存在,質子和中子在原子核中的分工是不同的:

質子數的多少決定了元素的類別中子數的多少決定了元素同位素的類別

比如氫的同位素氘有一個中子,氚則有兩個中子,氕氘氚這三種同位素化學屬性幾乎就相同,但物理屬性卻大相逕庭,比如氕的很難達到聚變條件,而氘和氚則很容易,氕和氧構成的水就是我們常見的水,而氘和氧也能生成水,但卻是重水。

重水和普通水非常相似,都是無色無臭的液體,但密度略大,冰點也略高,化學性質幾乎一樣,但普通水是生命之源,重水卻可能會引起死亡。但重水可以作為裂變反應堆中的中子減速劑。

當質子數增加時則元素需要會相應增加,比如兩個質子的氦,三個質子的鋰,四個質子的鈹,只要你願意,可以對著元素周期表念個一兩分鐘。

為什么元素序號高了會不穩定?

粘合原子核中的質子和中子之間的作用力是強力,它的特性非常有趣,我們先來看看四種基本作用力:

在質子與種子的度下,引力就不用考慮了,弱力也太弱,只有強力和電磁力兩種可以在這裡發生作用,強力有一個特徵,太近和稍遠都不行,只有剛剛好它的作用力才最強,因此它有一個作用範圍,而電磁力則不然,屬於長程力,它可以無限疊加,這會發生一個有趣的結果:

強作用力儘管很強大,但能穩定束縛的質子數也是有限的質子都帶正電荷,在強作用力打瞌睡的時庫倫斥力就開始作用了,結果就是α衰變,原子核強力束縛不住,有部分質子和中子跑出來了,比如地球上存在的氦元素大都是鈾和釷的α衰變產生。中子的存在會調和這個矛盾,因為不帶電荷,只提供強作用力。但中子多了會有β衰變的概率。α衰變,元素的原子序數會-2,β衰變則原子序數會+1,因為中子衰變成了質子,多了一個質子,原子序數自然就增加一號了,這也是重元素的產生機制之一。

中子星上的超重物質是什么元素?

既然聊到了中子星,那麼簡單說說中子星物質的結構,我們都知道原子中存在巨大的空間,因此這也就是物質可以極度壓縮的原理,但請注意這顆不是普通的壓縮空氣之類的概念,那個是真實壓縮了分子之間的間隙而已,而原子內部空間的壓縮則只有真正到了白矮星級別才能算得上壓縮。

但白矮星有質量有限,只是將外圍電子壓縮到了原子核附近,但在電子簡併力的支撐下引力並沒有突破最後一刻,但能誕生中子星的天體引力非同尋常,突破了電子簡併力,將電子壓入了原子核,和質子中和成了中子,簡單的理解:中子星的物質就是一堆中子構成的!它的密度就是原子核的密度,每立方釐米高達百億噸(白矮星則遜色不少)!

前文說明了質子數才是元素種類區分的標準,那麼只有中子沒有質子的物質是什麼?有一種0號元素的說法也許是最合適的是,那麼在地球上存在這種只有中子的物質無嗎?

答案是有

它廣泛存在於裂變發生過程中,自由中子就是這種傳說中的物質,但它不能長時間存在,它會通過弱作用放出一個電子和一個反中微子後衰變為質子,平均壽命為896秒。也就是說0號元素無法長期存在,它會通過β衰變成為1號元素氫原子核。隨後則會通過捕獲電子正式成為氫原子,因此核反應堆中的微量氫就是這樣來的,當然這並不是氫累積的原因,因為自由中子都是非常寶貴的,要將它減速更多地參與到核反應中來,或者讓它轟擊鋰6生產氚,或者轟擊U238生產鈽,你說這自由中子這麼寶貴,還讓它衰變?氫的主要來源是核燃料外殼中鋯金屬元素在高溫下分解水所致。

因此我們認為中子星物質並非是我們所不認識的新元素,而是地球上的條件無法長期存在這種物質,當然也並不是說宇宙中就沒有新元素的生成條件,只是可能無法長期存在或者自然界難以存在這種元素的生成條件。但相信我們無法排除存在這種可能。

相關焦點

  • 中子星密度高達每立方釐米1億噸,是否意味著還存在未知的元素?
    中子星是超大質量恆星在演化末期形成的一種高密度星體,密度在每立方釐米8000噸至20億噸之間。這意味著,如果你能從中子星上取一湯匙物質,它的質量比地球上一座山峰的質量還高。中子星上的物質只是密度極大,而這種高密度物質是在超強的引力作用下形成的,在普通環境下很難創造這種物質。
  • 中子星密度高達每立方釐米1億噸,是否意味著還存在未知的元素?
    中子星是超大質量恆星在演化末期形成的一種高密度星體,密度在每立方釐米8000噸至20億噸之間。這意味著,如果你能從中子星上取一湯匙物質,它的質量比地球上一座山峰的質量還高。中子星上的物質只是密度極大,而這種高密度物質是在超強的引力作用下形成的,在普通環境下很難創造這種物質。
  • 中子星每立方釐米重達億噸,是由什麼特殊未知元素組成的嗎?
    一直有許多人對中子星物質奇高的密度百思不得其解,由此得出兩個結論,一是不相信,二是認為由什麼特殊元素組成,只是人類還沒有發現。這不有人就提出,中子星每立方釐米億噸密度,是不是代表那裡有人類未知元素存在呢?肯定回答:不代表。
  • 每立方釐米超1億噸,中子星密度如此之大,還有我們未知的元素嗎
    要回答這個問題,我們首先要明白元素的定義。根據化學教科書上的定義,元素是具有相同核電核數的一類原子的總稱,也就是說原子內部的質子數量決定了元素的種類。接下來,我們要了解中子星的形成以及其內部組成,看它是否符合元素的定義。我們知道,質量和引力息息相關。
  • 中子星密度能達到每立方釐米1億噸以上,這是由什么元素構成的?
    中子星是大質量恆星在生命演化周期的後期所形成的一類特殊天體,在已知的天體結構中,其物質密度僅次於黑洞,組成物質每立方釐米可以達到上億噸,這在我們現實世界中是非常難以想像的,那麼中子星的組成物質是什麼呢?其中是否含有我們所未知的元素?
  • 每立方釐米重1億噸的中子星物質,是否代表還有我們未知的元素?
    目前,科學家已經發現或者是人工合成了119號元素,至於還有沒有未知的元素沒被發現,這是有很大可能的,而對於像中子星上的物質,它的密度為何如此之大,這要詳說一下中子星的誕生過程。在宇宙中,每一個可以自行發光發熱的星體都是恆星,然而,它們發光發熱不是一個永恆的過程,就像人的一生一樣,從年輕走向衰老。一般來講,對於那些恆星演化到末期時,它們的產物有4種,分別是白矮星、中子星、夸克星(假設中可能存在的緻密星體)以及恆星級黑洞。
  • 中子星到底有什麼用?如果沒有中子星,宇宙將缺少很多元素
    中子星到底有什麼用?比如大家比較熟悉的核武器,沒有這些元素,人類的科學文明就不可能在繼續前進,而遠古時期的恆星爆發,就能夠產生這樣的元素,而我們也知道,恆星爆發還有這一種特殊的情況,那就是成為中子星,這也是我們今天要說的,而中子星同樣也會產生出大量的元素,就如同宇宙當中的一個元素工廠一樣,為生命的誕生提供必要的元素基礎。
  • 你從哪裡來,宇宙重元素
    然而,最近發表在《物理評論快報》上的一項新理論模型表明,微型黑洞從其內部毀滅中子星,可能也會製造出重元素,其中包括貴重的黃金。除此之外,對於重元素的來源還有一些其他推測。但也有科學家給出了不同的可能性,他們指出,這些重元素的起源可能是一種更加狂暴而罕見的機制——密度超高的中子星之間發生的相撞。  中子星是恆星衰亡並發生超新星爆發之後殘留的遺骸,其密度極高。直徑數百公裡的一顆中子星,質量可以和太陽一樣甚至更高。在地球上,如果你拿著一勺中子星物質,那麼這一勺子物質的重量將達到50億噸。
  • 地球上的元素就是全部?科學家:宇宙某個角落,存在未知元素!
    古希臘有四元素之說,當然我們現在知道這是一個完全錯誤的答案,但事實上在2000多年前就能用這種嚴謹的思維來思考整個世界,其實也是難能可貴的!這是比較可惜的是古希臘燦爛的文明之後,科學居然停滯了1500多年,一直到歐洲文藝復興時期才重新開始發展!
  • 有「0元素」嗎?零號元素究竟是什麼?
    元素周期表你能背誦幾位? 如果你讓一位初中同學背誦元素周期表,他通常會這樣回答:「氫氦鋰鈹硼碳氮氧氟氖鈉鎂鋁矽磷硫氯氬鉀鈣......」。沒錯,元素周期表是從氫開始的,氫是宇宙中含量最多的元素,也是元素周期表的一號元素,氫的原子核中有一個質子。
  • 元素周期表到底有沒有盡頭?
    那中子星是什麼呢?其實這和恆星的演化有關,如果有一顆特大質量的恆星,質量大於8倍太陽質量以上(也有說是9倍,10倍的,反正大致就是這麼一個數量級),這個恆星到生命周期的末端時,會像一個巨型的洋蔥頭,一層一層的,每一層的核聚變反應都不一樣。
  • 這種宇宙中最多的元素,地球上卻沒有多少
    縱觀整個宇宙,最多的一種元素就是氫元素了,這可能會讓人覺得有些意外,因為我們並不常接觸到這種元素,因為它在地球上的數量並不算太多,如果以質量來計算,氫元素大約佔到地球總質量的百分之一左右,不過大多數情況氫元素並不是以氫原子的形式呈現的,而是以某種化合物的形式展現在我們的面前。
  • 科學家首次在中子星碰撞中發現重元素,這是一個重大的好消息
    那麼這118種元素是如何形成的?一直以來都是科學界的重大謎團,科學家一直都在積極研究探索元素起源之謎。要說起元素的起源,我們就不得不說宇宙的起源。我們都知道元素是在宇宙大爆炸之後不斷出現的,那麼這些元素在宇宙中形成的先後順利如何呢?
  • 元素周期表包含了宇宙中的所有元素嗎?
    不同元素的區別在於質子數的不同,例如,氫包含一個質子,氧包含8個質子,鐵包含26個質子。人類對於化學元素的正確認識始於門捷列夫,他找到了元素的周期規律,並製作出了能夠預測未知元素的元素周期表。此後,科學家不斷發現新的元素,逐漸填補了元素周期表的空白。在自然界中,人類可以找到從1號元素氫到98號元素鉲。
  • 白矮星中子星物質已經不能用元素解釋,那麼黑洞裡面還有物質嗎?
    本文完全是借題發揮,基於網友提出這樣一個問題:黑洞的密度無限大,那麼黑洞會是什么元素組成的?塌縮的鐵會形成新元素嗎?其實這個問題表述不是很準確。黑洞密度無限大只是指黑洞中心的奇點。現在人們認識黑洞一般把黑洞史瓦西半徑包括在內。
  • 密度無限大嗎?又是由什么元素組成的?
    黑洞並不是由任何元素組成的,另一方面黑洞的密度也不是無限大。我們先來看看這條史瓦西半徑公式:但很明顯這條公式裡,黑洞的質量跟密度並不成正比,而是跟半徑成正比,而半徑的三次方才是與密度成正比。因此,黑洞的密度並不是恆定的,也不是質量越大密度越大,而是剛好相反,黑洞的質量越大,密度反而越小。不過這裡得到的密度並不是真正的密度,而是平均密度。
  • 元素周期表中的未知元素合乎河圖璇璣
    再加上隱藏的14個錒系元素)再看偶數周期的規律,第6周期有16對元素(4*4=16平方): 銫 鋇 鑭 鉿 鉭 鎢 錸鋨銥鉑金汞鉈鉛鉍卜砹氡(再加上隱藏的14個鑭系元素)第4 周期有9對元素(3*3=9平方):鉀 鈣 鈧 鈦 釩 鉻 錳 鐵 鈷 鎳 銅 鋅 鎵 鍺 砷 硒 溴 氪第2周期有4對元素(2*2=4平方): 鋰 鈹 硼 碳 氮 氧 氟
  • 物質的密度能達到什麼程度?
    物質密度的極致是什麼?元素周期表的最後一個,「鋨」的密度是地球物質中最大的,每立方釐米22.59克。如果說鋨的密度就是物質密度最大的一個,那就大錯特錯了。白矮星的內部主要是由碳元素構成,然而它的密度卻非常大,一立方釐米能有一萬噸。這是地球上的我們很難理解的,碳的密度能有這麼誇張嗎?
  • 「第五元素」是什麼?
    古希臘認為世界由「四大元素」組成,現代宇宙學中其實也有四種基本元素。那麼「第五元素」是什麼?
  • 恆星核聚變到鐵元素就停止了,那鐵之後的重元素是如何形成的?
    此時,宇宙中主要的基本原子是氫原子和氦原子,氫元素和氦元素是元素周期表上最靠前的兩個元素。,這個溫度一般來說是達不到引發核聚變反應的。恆星內核的核反應主要是4個氫原子核反應生成1個氦原子核,這就實現了煉出原子序數更大原子的目標。