在宇宙其他星球上,我們能否發現大量新的元素?

2020-12-06 優美生態環境保衛者

我們在地球上目前已經發現了118種元素,其中有92種常見元素,還有26種是可以短期存在的放射性元素或者人工合成元素。在元素周期表繪製出來以後,人們進一步了解到,不同元素之間,當原子序數相隔特定的數量之後,元素的物理和化學性質就會出現相近似的特徵,也就是說會出現周期性的變化規律。那麼按照這種規律排列下去,在現有118種元素之後,是否仍然會有大量新的元素這一問題存在成為很多科學家研究的重點領域。雖然通過多年來的研究,科學家們尚未在宇宙其它天體中發現新的元素,但這主要受限於我們的科學技術和觀測水平,不能因此而否定新元素的存在。

在下結論之前,我們首先來看一下元素形成的機理。19世紀60年代末,俄羅斯科學家門捷列夫在對當時已知元素的原子序數進行排列時,通過不同元素之間相近的理化性質繪製了元素周期表,但由於當時認知條件的限制,並未對產生這種周期性變化的原因作出解釋。20世紀初,紐西蘭物理學家盧瑟福發現了原子核中質子的存在,從而提出了標準的原子核結構模型,認為質子的多少是決定元素差異的決定性因素,同時預言原子核中還存在著一種「中性粒子」。

20世紀30年代,英國物理學家查德威克通過實驗證實了這種「中性粒子」的存在,將其命名為中子。在此之後,人們才逐漸意識到質子數最終決定著元素的種類,而質子數相同但中子數不同的原子,雖然歸屬於同一元素,但是物理化學性質也有著一定的差異,於是科學家們將其稱為這種元素的同位素。對於不同形式的元素來說,它們的形成主要依靠的就是質子聚變和中子俘獲,從而以氫元素為起點,在相應外界能量的輸入下,不斷增加原子核中質子和中子的數量,從而增加原子量的數值。

以地球為例,我們再來看一下地球上眾多元素的生成過程。根據科學家們的研究判斷,地球上眾多元素的形成過程,主要包括三個主要階段。第一個階段是元素的起點階段。以宇宙大爆炸為起點,在極短的時間內釋放出巨大能量,在非常高的溫度條件下,宇宙空間中充斥的基本粒子尚不能形成原子核,這個時期急速膨脹形成的宇宙空間就像濃稠的粥一樣,連光線都無法逃離。直到大爆炸後的38萬年,隨著宇宙整體溫度的下降,中子失去了自由存在的條件,或者發生衰變,或者與質子結合形成氫和氦等元素,由於氫的形成所需的條件最為「寬鬆」,因此早期的宇宙在形成中性原子以後,是以氫元素佔據主導地位的,佔比達到90%以上。

第二個階段是恆星核聚變階段。以氫元素為主的原始星雲,在漫長的引力擾動情況下,逐漸發生聚合和坍縮,中心區域的溫度越來越高,在量子隧穿效應的作用下,內核處開始發生「溫和」的核聚變反應,早期的恆星內部這種聚變是以氫向氦聚變為主要內容。而質量較大的恆星,內核的溫度和壓力,可以支撐著氦以後元素核聚變的繼續進行,從而在恆星內部由外到內依次分布著氫、氦、碳、氧,一直到鐵等元素,形成一種「洋蔥」圈層結構。由於鐵的比結合能最高,要使其發生核聚變,輸入的能量要大於釋放的能量,因此恆星內部的核聚變一旦進行到鐵就會停止。

第三個階段是超新星爆發階段。這是大質量恆星在生命末期通常要經歷的過程,隨著恆星內部參與核聚變的物質越來越少,外殼物質向內坍縮現象越來越劇烈,因坍縮過程中產生的高溫引發的不可控核聚變重啟,加上外殼物質坍縮至內核產生的劇烈反彈激波,使恆星組成物質大部分都被剝離出去,形成超新星爆發現象。如果核心沒有被「炸毀」,則繼續坍縮成中子星或者黑洞。而隨著超新星爆發,瞬間的溫度可以達到上千億度,在這種高溫環境下,釋放出的中子就會與之前恆星聚變的各種元素進行結合,從而能夠形成比鐵的原子序數還要大的重元素。超新星爆發之後所形成的由眾多元素形成的星雲物質,成為後來新的恆星和行星形成過程中的主要原料,我們太陽系中的太陽和包括地球在內的各大行星,其組成物質的來源,就是由上一任大質量恆星通過超新星爆發之後的產物。

根據上述元素形成的機理,我們可以看出,只要創造出適合質子聚變和中子俘獲的相應條件,理論上就可以製造出原子序數不斷加大的新元素,只不過這些新元素的形成所需的條件異常苛刻,而要使其穩定存在所需要的環境也同樣嚴格,因為隨著原子序數的增大,元素的穩定性會越來越低,在環境條件不滿足時極易發生衰變,因而我們在地球上很難觀測到超重元素的存在,即使之前有過它們的蹤影,也早已經衰變成其它物質了。而通過人工的方法,比如重離子加速器等,我們在創造的極高溫度下可以使基本粒子具有超高的能量,從而有一定概率突破原子核之間的庫侖斥力,繼而創造出新的超重元素,103號以後的超重元素大多就是這樣被創造出來的。

有科學家們就通過原子核的殼層理論,以質子和中子數量分別作為橫縱坐標,發現現有自然元素和人造元素排列起來,就像漂浮在海洋中的海島一樣,根據這樣的規律進行延伸預測,在此後的元素「海洋中」,勢必會存在著若干更重的元素「島」存在。只不過我們現有的科學技術水平,還無法提供那些更重元素形成的條件。但是,我們人力與宇宙的力量相比肯定微不足道,比如在星系中心黑洞附近的恆星密集區,以及恆星黑洞的吸積盤內或許有這樣的條件,在那裡應該有較大的機率形成地球上所沒有或者不能穩定存在的新元素,靜靜地待在那裡,等著我們去探索。

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