為什么元素周期表中元素,越靠後,越稀有,武力值也越高

2020-12-06 探究研習社

化學元素周期表,我們在上化學課的時候都反覆背誦過,氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟...可是我們有沒有發現,我們掌握的化學元素,在周期表裡,越往後,我們的文明等級就越高階。石器文明、青銅文明、鐵器文明、鋼鐵文明、量子文明,隨著我們對元素掌握越多,我們的文明也在不斷躍升。

元素的降維打擊

如果把我們人類的身體和動物的身體按照化學元素來區分,我幾乎沒有任何的差別。人體所有的DNA包含2040億個原子,這些原子全部都是由碳、氫、氧、氮、磷構成的,沒有別的材料。

如果有一個擁有利爪的狼,奔向原始人,原始人手裡如果沒有任何工具的話,是如何也抵擋不了的。原始人掌握了更先進的武器,或者說他們掌握了動物們掌握不了的元素,那就是矽酸鹽,俗稱為石頭。矽酸鹽要比生物身體當中最硬的骨骼還要堅硬,所以我們能戰勝獅子、老虎、狼等獵食者,甚至能戰勝比我們大十幾倍的猛獁象,而且我們一度把猛獁象給吃滅絕了。

公元前6000年,西臺人用元素周期表當中第26號元素-鐵,打造出了鎧甲以及武器。當他們騎著高頭大馬,出現在巴比倫人面前的時候,感覺是外星人對巴比倫人進行降維打擊。在史書上,巴比倫人把西臺人描繪成了戰神。西臺人把紅色的石頭放在木炭上加熱,之後就造出了比石頭更加堅硬的盾牌,以及武器。

隨著人類科技的發展,鐵元素成為武器的代名詞,鐵血戰士、鐵血宰相,都是形容戰爭當中的勇士,或者戰爭當中有突出貢獻之人。隨著更加高階金屬的加入,金屬鐵也超越了純鐵所擁有的性能。1918年,德國人造出了一臺「巴黎大炮」,在距離巴黎100多公裡開外,直接轟炸到巴黎市區。

當時的人們很難想像,德國人是如何超越金屬鐵性能的?按照當時的鑄造技術,無論如何也造不出,能耐住如此高溫的金屬,而且鍛造出的炮管長度達到36米,超出了鐵金屬的強度極限。

德國人掌握了更加高階的42號元素「鉬」。只要在炮管當中加入這種金屬,整個合金的強度還有耐熱程度都大幅提高。在之後的二戰,德國人在炮管當中加入各類稀有金屬,這讓德國的坦克所向披靡。

這些合金在工業領域,被稱為金屬的「食鹽」。比如鈧,只要往鋁中添加不到0.2%,這種鋁就克服了軟的特點,結構穩定,焊接性能強,而且還具備了鋁的導電性等特點。我們現在無論是航天、還是汽車,鋁材當中都添加的有鈧。還有金屬鈮,只要豌豆大小的鈮放入1噸鋼材裡,能讓鋼材的強度提高一倍。

但是終結二戰的是更加靠後的金屬鈽和鈾,它們是原子彈的主要原料,屬於放射性元素。原子彈的威力超越了以往任何熱兵器,現在整個世界之所以多年和平,也是有耐於核武器的威懾力。

最初的元素

元素周期表為何越往後,所擁有的能量為何越巨大呢?這和原子所形成的溫度有密切的關係。宇宙大爆炸之初,其實整個宇宙只有兩種元素,那就是元素周期表的第一二名的氫和氦。

最初的宇宙就像一鍋湯,湯裡的主要原料就是質子和中子。在今天宇宙世界裡,質子和中子的比例是7:1。我們知道中子是極其不穩定的,如果它沒有被吸納進入原子核當中,它會發生β衰變,變成質子。

那麼質子與中子7:1的比例是如何形成的呢?在宇宙大爆炸的3分46秒形成的。在宇宙大爆炸的0.01秒,宇宙溫度達到1000億攝氏度,要知道太陽表面也只有6000度,這個溫度是太陽溫度的1600萬倍。

在如此高的溫度當中,原子核根本無法穩定存在,哪怕質子和中子結合在一起,也會被立刻遭到轟擊,重新裂成碎片。所以這個時候質子與中子是可以相互轉換的,質子也可以轉換為中子,中子也可以轉換為質子。如果質子被一個足夠能量的電子撞擊,就會變成中子,可是如果溫度下降,這些電子也喪失了足夠的能量,中子的衰變就不可逆了。

宇宙大爆炸後的14秒鐘,宇宙溫度由之前的1000億度,下降到30億度,而且質子與中子的比例也來到5:1,此時宇宙當中高能量的電子以及正電子都大規模的消失,剩下不足1%。沒有了電子的撞擊,再加上中子的β衰變,所以中子越來越少。

如果照這個趨勢一直發展下去,那麼我們這個世界將會只剩下質子。如果在中子β衰變之前,能夠和質子形成一個原子核,那麼中子衰變也會停止。當溫度到達9億度的時候,也就是宇宙大爆炸的3分46秒,在中子沒有完全衰變之前,宇宙當中剩下的中子全部都結合到原子核中。

整個宇宙從這一刻起,質子與中子的比例也就沒有發生變化。氦原子是兩個質子與兩個中子組成的穩定組合,幾乎所有的中子最後都進入了氦原子當中,剩下的質子只能組成氫元素。

在之後的38萬年,本來處於自由狀態下的電子,被吸收到原子核附近。原子的形成,也就意味著我們所看到的物質世界的形成。這些不帶電的普通物質,慢慢聚集起來,形成了無數像太陽一樣的恆星,它們再一次把整個宇宙給點亮了。

這些因為核聚變而被點亮起來的恆星,像一個個大熔爐,元素周表當中不同的元素,開始在這個大熔爐當中被鍛造出來。當然此時宇宙只有兩種最輕的元素,那就是元素周期表前兩位的氫與氦。

元素都是如何形成的?

恆星高溫環境當中,氫和氦進一步變化,從氦變成了碳,碳變成了氧,氧變成了矽,只要恆星的溫度越高,就越有可能生成周期表越靠後的元素。但是元素的聚變到最後只能能形成鐵原子,因為鐵是最穩定的元素,哪怕再聚變也釋放不出任何能量了。

當恆星聚變為鐵元素之後,沒有了足夠的核聚變,它們也維持不了自己核心溫度,同時又抵抗不了自身的壓力,於是在恆星爆炸一瞬間,釋放出巨大的能量,把自己的外層甩到宇宙當中去,自己只留下一個很小的內核。

這個內核呈現出什麼樣子,還和恆星爆炸時的溫度有關,如果核心的溫度比較低,那麼會形成一顆中子星,如果這個恆星比較大,會形成一個黑洞。在這些超新星爆炸的時候,還會把鐵變成更重的元素,比如金、銀、銅等元素。我們地球上很多元素,都是在超新星爆炸的時候產生的。

現在我們地球上金、鉛,是大於我們太陽8倍以上的恆星,在走向毀滅的時候,發生超新星爆炸之時產生的。所以我們地球上,每一克的黃金都是超新星爆發的痕跡。

元素的新時代

歷史學家喜歡用石器時代、青銅時代、鐵器時代、鋼鐵時代來劃分人類的發展史。我們人類目前把元素周期表裡能用的元素都已經被利用了,但是如果我們把這些元素結構進行調整,會出現更為神奇的作用。

比如鑽石當中每個碳原子會跟周圍的4個原子連接在一起形成一個正四面體結構,所以它特別硬。如果把它們像網一樣疊在一起,每一層看上去像蜂窩一樣,網眼呈正六邊形結構的時候,它的材質則比較軟。

這種軟的材質就是現在大火的石墨烯,石墨烯是一種特別薄的石墨,最薄的只有一層碳原子的網,可以稱它為「二維機構」,如果從側面看,這種材料的厚度只有原子的直徑,1克石墨烯材料,可以鋪開半個足球場大的面積。

這種材料是目前已知的最薄、最輕,也是最強韌的,它能承受很大的重量,而且幾乎完全透光、導電和電熱性能都非常優異。我們對元素的運用又呈現出新的局面。

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