在元素周期表中,我們的太陽製造不出來的元素有哪些?

2020-12-05 科技領航人

我們的太陽是整個太陽系中最大的熱和光的來源,在其核心的核連鎖反應中將氫熔化成氦。因為氦原子核比它所產生的四個氫原子核輕0.7%,核聚變釋放出非常有效的能量。在45億年的生命周期中(到目前為止),太陽已經失去了土星的質量,這是由於大量的氫通過愛因斯坦的E=mc^2熔合成氦,這是我們在地球上接收到的所有太陽光的根本來源。

圖註:通過可見光吸收特性顯示太陽中元素的高解析度光譜。不過,太陽內部的活動遠不止把氫(最輕的元素)熔化成氦(第二輕的元素),而且能夠製造出比這更多的元素。但是元素周期表有很多太陽永遠無法製造的元素。

我們很幸運,我們的太陽不是宇宙中最早的恆星之一。大爆炸後不久,宇宙完全由氫和氦組成:99.999999%的宇宙是由這兩種元素單獨組成的。然而,第一批大質量恆星不僅把氫熔化成氦,而且最終把氦熔化成碳,把碳熔化成氧,把氧熔化成矽和硫,然後把矽和硫熔化成鐵、鎳和鈷。

圖註:元素周期表當內核達到足夠大的重元素濃度時,發生了一次災難性的超新星,產生了迅速的中子爆發,並散落到其他核中。很快,宇宙中存在的元素種類就在周期表上不斷攀升,創造出我們在自然界中所發現的一切,許多元素甚至比這個還要重。即使是最早的核崩塌超新星也產生了超出我們在地球上發現的極限的元素:甚至比鈾和鈽還重的元素。

圖註:在超新星發生的過程中,許多超鈾元素是通過快速中子俘獲產生。但我們的太陽不會變成超新星,也不會形成這些元素。在超新星中發生的中子快速爆發允許元素通過R-過程(快中子捕獲過程)產生,元素在R-過程中迅速吸收中子,並以巨大的跳躍爬上周期表。取而代之的是,我們的太陽將燃燒其核心的氫,然後收縮並加熱,直到它能夠開始熔化其核心的氦。在生命的這個階段——我們的太陽將成為一顆紅巨星——是所有恆星都會發生的事情,這些恆星的質量至少相當於我們太陽的40%。

圖註:該圖是大犬座 VY(VY Canis Majoris),是一顆位於大犬座的紅特超巨星。我們太陽也會演化成一顆紅巨星。達到合適的溫度和密度,同時進行氦聚變,是區分紅矮星(無法到達那裡)和所有其他恆星(能夠)的原因。三個氦原子融合成碳,然後通過另一個氫融合途徑——CNO循環——我們可以製造氮和氧,同時我們可以繼續向不同的原子核中添加氦,以爬上周期表。碳和氦製造氧;碳和氧製造氖;碳和氖製造鎂。但有兩種非常特殊的反應會產生我們所知道的絕大多數元素:

碳-13將與氦-4融合,產生氧-16和自由中子,並且 氖-22將與氦-4熔合,生成鎂-25和自由中子。

自由中子並不是大量產生的,數量相對較少,因為這些原子中有一小部分實際上是碳-13或氖-22。但這些自由中子平均只能在周圍停留15分鐘,直到衰變消失。

圖註:中子β衰變的兩種類型(輻射和非輻射)。幸運的是,太陽內部的密度足夠大,15分鐘足夠讓這個自由中子進入另一個原子核,當它進入時,它被吸收,形成一個新的原子核,該原子核比之前重一個原子質量單位。這幾個原子核是行不通的:不能創造質量為5的原子核(比如氦-4)或質量為8的原子核(比如鋰-7),因為它們天生就太不穩定了。但其他的一切要麼在至少數萬年的時間尺度上是穩定的,要麼通過發射一個電子(通過β衰變)而衰變,從而使一個元素在周期表上移動。

在任何一顆恆星的紅巨星氦燃燒階段,這使太陽能夠通過慢中子俘獲過程,在碳和鐵之間建立所有元素,並通過同樣的過程從鐵一直到鉛形成重元素。這個過程被稱為S-過程(因為中子的產生和捕獲速度很慢),當它試圖製造比鉛重的元素時,就會遇到一個問題。鉛最常見的同位素是鉛-208,有82個質子和126個中子。如果給它加一個中子,它β衰變為鉍-209,然後它可以捕獲一個中子,β衰變再次成為釙-210。但與其他同位素不同的是,釙-210的壽命只有幾天,然後才釋放出α粒子(或氦-4核)並以Pb-206的形式返回鉛。

圖註:在S-過程的末端的連鎖反應這導致了一個循環:鉛捕獲3個中子,變成鉍,再捕獲一個,變成釙,然後衰變回鉛。在我們的太陽和所有不會發生超新星的恆星中,這就是終點。再加上在氦和碳之間沒有好的途徑獲得元素(鋰、鈹和硼是宇宙射線產生的,而不是在恆星內部),你會發現太陽總共可以製造80種不同的元素:氦,然後是從碳到釙的所有元素,但沒有什麼更重的元素。想獲得更重的元素,需要超新星或中子星碰撞。

圖註:兩顆中子星相撞,這是宇宙中許多最重的周期表元素的主要來源。但想想看:在地球上所有自然存在的元素中,有90%是太陽產生的,這些元素都來自於一顆沒有特殊宇宙意義的微小恆星。

相關焦點

  • 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。
  • 元素周期表中的元素到底是咋來的?
    在我們上初中化學課時,我們都會接觸元素周期表,甚至很多人還能背下來前20號元素。實際上,元素周期表在200多年前就已經有了,被譽為近代化學之父的拉瓦錫就曾經寫出了他的元素周期表版本,也是人類史上第一份元素周期表。後來,又有一些人給出一些其他的版本。
  • 元素周期表新玩法
    根據最後一個電子所處亞層是s、p、d、f中的哪一個,周期表又分成4個區,分別為s區、p區、d區、f區。大多數周期表將組成f區的元素單獨分離出來,組成鑭系和錒系,放在總表的下方。儘管這種做法已被大家普遍接受,但關於f區元素該包含哪些元素仍存在爭議。
  • 元素周期表中的元素都是從哪來的?
    我們現在所熟知的元素周期表中的元素都是從哪裡來的呢?它們是由地球創造的嗎?還是早於地球就存在了?宇宙中,別的星球裡,也具有這些元素嗎?首先我們要明確的一點是,這些元素都是早於地球的存在就存在了。這些看似微小的元素與宇宙和恆星的演化有著密不可分的關係,它們都是在宇宙中就產生的,而非是人類創造或者是地球自主創造的。那它們究竟是如何產生的呢?
  • 元素周期表中的元素都是從哪來的?
    我們現在所熟知的元素周期表中的元素都是從哪裡來的呢?它們是由地球創造的嗎?還是早於地球就存在了?宇宙中,別的星球裡,也具有這些元素嗎?,分別是氫和氦,這也是元素周期表中的1號和2號元素。這時候有的同學就發問了,但是我們的元素周期表不止到鐵啊,那其它的重元素哪裡來的呢?
  • 一張不一樣的元素周期表
    ——卡爾·薩根2016年的時候,有四個新元素獲得了元素周期表的永久席位。它們分別是原子序數為113號的「Nihonium」、115號「Moscovium」、117號「Tennesine」和118號「Oganesson」。下面這張元素周期表就是我們所熟悉的:△ 最新版本的元素周期表,包括了四個最新的元素。(圖片來源:IUPAC by C.
  • 元素周期表到底有沒有盡頭?
    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。
  • 元素周期表的來源
    相形之下,最右列的元素在室溫下都是氣態,並且無色、無味,極其不活潑。表中的列稱為族,行稱為周期。1869年,門捷列夫發表了自己的元素周期表。填補空格門捷列夫並非第一個這樣嘗試排列化學元素的人,但他是第一個主要根據元素性質排列元素的人,儘管這樣周期表中就會空出一些空格。
  • 元素周期表中哪些化學元素以人名命名?
    「你不知道的化學」系列已經更新了四期,今天第五期,小白和大家聊聊,元素周期表中有哪些元素是以人命名的。前四期文章連結:元素周期表中最毒的元素人體的化學成分有哪些?元素周期表中有14種以人命名的元素,不過只有13種名稱被國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)正式接受。
  • 元素周期表中最貴的元素是什麼?
    鑥目前已知的元素達到了118種,元素周期表中的前七個周期已經剛好填滿。從1號氫元素到94號鈽元素都可以在地球上找到,而94號元素後面的元素都是人工合成的。元素周期表正所謂物以稀為貴,自然界中存在非常少的元素,或者需要依靠昂貴的人工方法製造出的人造元素都非常昂貴。
  • 元素周期表有盡頭麼?最後一個元素是幾號元素?
    元素周期表我們上初中的化學課時,就會接觸到元素以及元素周期表,甚至還被老師要求背誦元素周期表的前20位。到了高中,不僅要橫著背,而且還要豎著背。可以說,元素周期表就像是化學這個學科的武林秘籍。事實也是如此,化學這門學科從一開始就和元素在打交道,甚至有一段時間,化學家們以搶新元素為樂,在上世紀初,基本上能搶到新元素,就意味著提前預定了諾貝爾獎。但背了這麼長時間的元素周期表,不知道你有沒有思考過這麼一個問題,那就是元素周期表到底有沒有盡頭?
  • 有「0號元素」嗎?自由中子為什麼進不了元素周期表?
    元素周期表裡有118種元素,你能背出幾個呀?元素周期表從氫元素開始,這是因為氫的原子核裡只有一個質子。氫的重要性不言而喻,它不僅是元素周期表第1號元素,還是整個宇宙裡含量最高的元素。小小的氫蘊含著巨大的能量,氫能正在改變我們的生活。
  • 元素周期表的化學元素是怎麼來的?
    這時候主要的原子就是氫原子和氦原子,這兩個正好就是元素周期表最靠前的兩個元素,也相對容易形成。可能你要問了,為什麼沒有更高順位的元素?其實並不是沒有,而是因為更高順位的不夠穩定,最後又裂變成了更穩定的氦元素。所以,我們的宇宙最多的元素是氫,其次是氦,它們佔據了99%以上。而且它們也是年紀最大的元素,都達到了138億歲。
  • 恐怖的元素周期表!你知道買下1克表中的所有元素需要多少錢嗎?
    導讀:我們知道,雖然組成世界的物質多不勝數,但基本元素卻非常少,幾乎所有的物質都是這些元素之間相互作用的產物,而這些組成世界的基本元素之間存在著某種聯繫,而展示這些元素和其聯繫的表格便是元素周期表!不僅如此,這些元素在自然界中存在的數量也大不相同,其中個別元素甚至無法在自然界中找到!有人曾經這樣計算:如果將元素周期表中的全部118種元素各買1克,大約需要多少錢?如果你覺得不需要太多錢就可以買到,那就大錯特錯了!事實上,如果將元素周期表中的全部118種元素各買1克,需要的金錢甚至無法估量。
  • 元素如何在元素周期表中分組
    該表以最簡單的原子氫開始,然後用原子序數組織其餘元素,原子序數是每個元素包含的質子數。除少數例外情況外,元素的順序與每個原子的質量增加相對應。該表有七行18列。每行代表一個時期; 元素的周期數表示其能量水平中有多少容納電子。例如,鈉位於第三個時期,這意味著鈉原子通常在前三個能級中具有電子。向下移動,周期更長,因為它需要更多的電子來填充更大和更複雜的外層。
  • 看了這份圖像版的元素周期表才知道,原來生命的基礎是它
    一直以來,我們都知道自然界中有很多元素,而單單被人類發現的,就已經有118種之多了。但是我們卻不知道這些元素都在哪些地方,有什麼作用,人體中又有哪些元素。但是看了這份圖像版的元素周期表後,小夢終於對這些問題有一些了解了。
  • 物理學家正「製造」超重元素:元素周期表第八周期,即將被打開
    物理學家對小原子核和大原子核之間碰撞的測量,將為製造新元素的探索提供信息,並可能導致涉及超重元素的新化學。兩個誘人的目標幾乎在實驗核物理學家的掌握之中,一種是闖入元素周期表的第八周期。到目前為止,科學家們已經製作了前七周期的所有元素,即從氫(一個質子)到氣體(118個質子),因此,合成更重的元素將開闢新天地。
  • 元素周期表誕生150周年 化學給我們帶來什麼
    門捷列夫的天才之處體現在他為元素周期表留出的空白之中。他意識到某些元素是缺失的,還有待被發現;有些元素的原子量不符合它的規律,結果證明是原來的測定有錯誤。先前的科學家只是將已知元素進行排列,只有門捷列夫為未知元素留出了空間。  更令人驚訝的是,他準確地預測了缺失元素的性質。就在門捷列夫發表他新編的化學元素周期表3年後,法國化學家布瓦博德明發現了新元素鎵。
  • 元素周期表口訣 如何快速記憶元素周期表
    元素周期表口訣 如何快速記憶元素周期表很多學生覺得元素周期表很難背誦,想知道怎麼才能快速記憶元素周期表,下面小編為大家介紹一下元素周期表口訣快速記憶法。快速記憶元素周期表的方法諧音記憶周期表的具體方法如下:一、按周期記憶第一周期:「氫氦」。諧音:「輕嗨!」
  • 世上最貴的表就是元素周期表,每種元素買一克,世界首富也做不到
    最初發明的元素周期表中元素的種類只有現在的一半左右,隨著後來越來越多的元素被發現,元素周期表也得到了迅速的擴充,現在人類已知的元素已經達到了118種,而這118種元素按照原子序數有序地排列在了元素周期表中,這也使得元素周期表成為了世界上最貴的一張表,沒有任何人可以擁有這上面所有的元素。