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元素周期表里的宇宙

 風吟樓 2019-09-04

很多人而言,元素周期表只是一個在中學課本上滿是格子的圖,而我們稍有認識的也只是中考、高考里常出現的前20個元素。雖被大眾遺忘,但元素周期表的光芒并不會因此消減。這張圖表是人類文化的第一標志,它是全人類科學探索的見證——包括發(fā)生在實驗室里的,粒子加速器里的以及宇宙研究前沿領域的。

那么,元素周期表里的元素是從哪里來的?你可能會說——地殼,沒錯,那么地殼里的元素又是從哪來的?要回答這個問題,還真得了解一下宇宙的起源和演化。

宇宙元素來源(圖片來自知乎網友)

只有三種元素(氫、氦、鋰)是在宇宙大爆炸時“炸”出來(自然出現)的,其余都是從高溫的恒星核心以及垂死恒星爆炸后的余燼中鍛造而來,可以說恒星是制造重元素的工廠。后代的恒星系統(tǒng)又吸納了這些重元素,從而形成行星,繼而誕生人類。

  氫(H)

氫(H)是最輕最簡單的元素,原子核內只有一個質子,它完全是大爆炸時期產生的。在94種天然元素中,氫占據了人體內所有原子數目的三分之二還多,在宇宙的所有原子中更是超過90%,包括太陽系在內的所有尺度都是如此。每一天每一秒,在太陽那個溫度高達1500萬開爾文的核心里,就有45億噸高速移動的氫原子核撞擊形成氦,轉變成(人類賴以生存的)能量。

氦(He)

氦(He)是元素周期表里第一個也是唯一一個在地球以外發(fā)現的元素。1868年一名法國天文學家在觀測日食時,對太陽光譜分析,發(fā)現其中存在一種地球上不存在的元素。作為來自太陽的新物質,他被賦予了一個從希臘文(helios太陽)拼出的名字,這就是氦(Helium)。直到1895年,人們才在地球上發(fā)現了氦。

氦氣是一種低密度氣體,當你吸入氦氣時,會暫時提高你的氣管和喉嚨的振動頻率,使你的聲音聽起來像米老鼠。氦是宇宙中第二簡單和豐富的元素。雖然豐度(原子數比例)小于氫,但它的含量是宇宙中除了氫之外所有元素總和的4倍以上。在氦元素在地球上被發(fā)現并分離出來的30年之前,1868年日全食期間,天文學家們在太陽的日冕光譜中探測到了氦。正因此,氦(helium)才得名于希臘太陽神Helios。氦的浮力是氫的92%,但不那么易燃易爆炸,所以節(jié)日的慶典活動上用的大型充氣人偶就是用氦作為填充氣體的,這也使得舉辦這種活動的商場等單位,成了僅次于軍隊的第二大氦元素用戶。

節(jié)慶時的大型充氣玩偶充的大多是氦氣

鋰(Li)

鋰(Li)是宇宙第三簡單元素,原子核里有三個質子。就像氫、氦一樣,鋰也是在大爆炸中制造出來的,但是鋰會被每一個已知的核反應所破壞,容易成為反應原料。

科學家猜想新星爆炸可能是鋰的主要生產工廠

碳(C)

碳(C)元素能夠合成很多分子,其種類要比其他所有不含碳的分子總和還要多。宇宙中有大量的碳,它們在恒星核心里被鍛造,又被翻攪到恒星表面,并大量釋放到星系空間里,所以碳是最適合成為化學和生物多樣性的基礎元素了。

碳的聚變反應生成氖、氧

氧(O)

氧(O)豐度排名略勝于碳,是從爆炸恒星的殘骸里鍛造而出的。氧元素是宇宙中豐度排第三的元素,這個排位得益于:1、其他元素要么不參與主流的反應,要么在晉級的路上成為炮灰(比如鋰);2、多數恒星終結于碳和氧;3、氧元素的產量高,碳、氖的燃燒(聚變)等過程都產生氧。

鈉(Na)

鈉(Na),除了作為食鹽的活性成分外,也是目前城市路燈最常見的發(fā)光氣體。鈉光燈比白熾燈“燃燒”得更亮,壽命也更長,但都比不過LED燈,因為LED在特定的功率下更亮,也更便宜。鈉燈有黃白色的高壓鈉燈和橙色光的低壓鈉燈。低壓鈉燈對天體物理學研究的干擾是最小的。

  鋁(Al)

鋁(Al)占據了地殼的近10%,但我們的曾祖父母對它并不熟悉。它直到1827年才被識別分離出來,到20世紀60年代才進入普通家庭。拋光后的鋁可制成幾近完美的可見光反射鏡,是今天幾乎所有望遠鏡的首選涂層。

鋁箔具有很高的反射率

鈦(Ti)

鈦(Ti)的密度是鋁的1.7倍,但強度卻是其2倍以上。因此這個地殼中第九豐富的元素已經成為許多用品的寵兒,比如假肢、軍用飛機部件,都需要高強度且輕便的金屬。鈦氧化物的特征充滿了紅色恒星的光譜,它對地球也并不陌生:星光藍寶石和紅寶石的星彩就是由晶格中的鈦氧化物雜質造成的。此外,望遠鏡圓頂的白色涂料含有鈦氧化物,它的作用在于能大大減少望遠鏡周圍空氣中積累的陽光熱量,黃昏時分,靠近望遠鏡的空氣溫度能迅速與夜間空氣溫度一致,使得恒星和其他宇宙天體的光線變得銳利而清晰。

星光藍寶石戒指

  鐵(Fe)

鐵(Fe)從很多方面都可以說是宇宙中最重要的元素,也是在大質量恒星中心制造出的元素。鐵的特殊之處在于,它的每個核粒子具有的總能量最小。這意味著:如果通過核裂變分裂鐵原子,它們會吸收能量,如果通過聚變來合成鐵原子,它們也會吸收能量。別忘了恒星就是在忙著制造能量,隨著大質量恒星在其核心制造和積累元素,它們也正在接近死亡。如果沒有豐富的能量來源,這顆恒星就會在自己的重量下坍塌,緊接著反彈,形成猛烈的超新星爆發(fā)。在超過一周的時間里,它就會比10億個太陽還亮。

巨蟹星云具有富金屬元素的氣體

  銥(Ir)

銥(Ir)是元素周期表里三種最重的元素之一,三個桶裝水(56升)的銥,重量就比一輛坦克還重。銥是這些事件的鐵證:在世界各地的白堊紀、古近紀地層交界處,都發(fā)現了可追溯到6500萬年前的銥元素。

標志為白堊紀-古近紀界限的地層中含有銥元素(紅色箭頭所示)

并非巧合的是,當時凡是比登機箱大的陸地物種都滅絕了,包括傳奇一般的恐龍。銥在地球表面實為罕見,但在直徑10千米的金屬小行星上相對常見,當小行星撞上地球時,會因撞擊而氣化,于是把它帶來的銥灑在了地球表面。所以,無論你喜歡哪種恐龍滅絕說,來自外太空的一顆珠峰大小的殺手小行星都應該名列榜首。

 小小的表格,元素周期表,細細斟想,卻有來自宇宙深處無限的魅力。最后,讓我們默默致敬150年前,總結出元素周期律的科學家門捷列夫。

科學不但能“給青年人以知識,給老年人以快樂”,還能使人慣于勞動和追求真理,能為人民創(chuàng)造真正的精神財富和物質財富,能創(chuàng)造出沒有它就不能獲得的東西。

       ——門捷列夫

美編:HCN

校對:張騰飛

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