元素周期表里的宇宙

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很多人而言,元素周期表只是一个在中学课本上满是格子的图,而我们稍有认识的也只是中考、高考里常出现的前20个元素。虽被大众遗忘,但元素周期表的光芒并不会因此消减。这张图表是人类文化的第一标志,它是全人类科学探索的见证——包括发生在实验室里的,粒子加速器里的以及宇宙研究前沿领域的。

元素周期表里的宇宙
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那么,元素周期表里的元素是从哪里来的?你可能会说——地壳,没错,那么地壳里的元素又是从哪来的?要回答这个问题,还真得了解一下宇宙的起源和演化。

元素周期表里的宇宙

宇宙元素来源(图片来自知乎网友)

 

只有三种元素(氢、氦、锂)是在宇宙大爆炸时“炸”出来(自然出现)的,其余都是从高温的恒星核心以及垂死恒星爆炸后的余烬中锻造而来,可以说恒星是制造重元素的工厂。后代的恒星系统又吸纳了这些重元素,从而形成行星,继而诞生人类。

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  氢(H)

氢(H)是最轻最简单的元素,原子核内只有一个质子,它完全是大爆炸时期产生的。在94种天然元素中,氢占据了人体内所有原子数目的三分之二还多,在宇宙的所有原子中更是超过90%,包括太阳系在内的所有尺度都是如此。每一天每一秒,在太阳那个温度高达1500万开尔文的核心里,就有45亿吨高速移动的氢原子核撞击形成氦,转变成(人类赖以生存的)能量。

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氦(He)

氦(He)是元素周期表里第一个也是唯一一个在地球以外发现的元素。1868年一名法国天文学家在观测日食时,对太阳光谱分析,发现其中存在一种地球上不存在的元素。作为来自太阳的新物质,他被赋予了一个从希腊文(helios太阳)拼出的名字,这就是氦(Helium)。直到1895年,人们才在地球上发现了氦。

氦气是一种低密度气体,当你吸入氦气时,会暂时提高你的气管和喉咙的振动频率,使你的声音听起来像米老鼠。氦是宇宙中第二简单和丰富的元素。虽然丰度(原子数比例)小于氢,但它的含量是宇宙中除了氢之外所有元素总和的4倍以上。在氦元素在地球上被发现并分离出来的30年之前,1868年日全食期间,天文学家们在太阳的日冕光谱中探测到了氦。正因此,氦(helium)才得名于希腊太阳神Helios。氦的浮力是氢的92%,但不那么易燃易爆炸,所以节日的庆典活动上用的大型充气人偶就是用氦作为填充气体的,这也使得举办这种活动的商场等单位,成了仅次于军队的第二大氦元素用户。

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节庆时的大型充气玩偶充的大多是氦气

锂(Li)

锂(Li)是宇宙第三简单元素,原子核里有三个质子。就像氢、氦一样,锂也是在大爆炸中制造出来的,但是锂会被每一个已知的核反应所破坏,容易成为反应原料。

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科学家猜想新星爆炸可能是锂的主要生产工厂

碳(C)

碳(C)元素能够合成很多分子,其种类要比其他所有不含碳的分子总和还要多。宇宙中有大量的碳,它们在恒星核心里被锻造,又被翻搅到恒星表面,并大量释放到星系空间里,所以碳是最适合成为化学和生物多样性的基础元素了。

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碳的聚变反应生成氖、氧

氧(O)

氧(O)丰度排名略胜于碳,是从爆炸恒星的残骸里锻造而出的。氧元素是宇宙中丰度排第三的元素,这个排位得益于:1、其他元素要么不参与主流的反应,要么在晋级的路上成为炮灰(比如锂);2、多数恒星终结于碳和氧;3、氧元素的产量高,碳、氖的燃烧(聚变)等过程都产生氧。

钠(Na)

钠(Na),除了作为食盐的活性成分外,也是目前城市路灯最常见的发光气体。钠光灯比白炽灯“燃烧”得更亮,寿命也更长,但都比不过LED灯,因为LED在特定的功率下更亮,也更便宜。钠灯有黄白色的高压钠灯和橙色光的低压钠灯。低压钠灯对天体物理学研究的干扰是最小的。

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  铝(Al)

铝(Al)占据了地壳的近10%,但我们的曾祖父母对它并不熟悉。它直到1827年才被识别分离出来,到20世纪60年代才进入普通家庭。抛光后的铝可制成几近完美的可见光反射镜,是今天几乎所有望远镜的首选涂层。

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铝箔具有很高的反射率

钛(Ti)

钛(Ti)的密度是铝的1.7倍,但强度却是其2倍以上。因此这个地壳中第九丰富的元素已经成为许多用品的宠儿,比如假肢、军用飞机部件,都需要高强度且轻便的金属。钛氧化物的特征充满了红色恒星的光谱,它对地球也并不陌生:星光蓝宝石和红宝石的星彩就是由晶格中的钛氧化物杂质造成的。此外,望远镜圆顶的白色涂料含有钛氧化物,它的作用在于能大大减少望远镜周围空气中积累的阳光热量,黄昏时分,靠近望远镜的空气温度能迅速与夜间空气温度一致,使得恒星和其他宇宙天体的光线变得锐利而清晰。

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星光蓝宝石戒指

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  铁(Fe)

铁(Fe)从很多方面都可以说是宇宙中最重要的元素,也是在大质量恒星中心制造出的元素。铁的特殊之处在于,它的每个核粒子具有的总能量最小。这意味着:如果通过核裂变分裂铁原子,它们会吸收能量,如果通过聚变来合成铁原子,它们也会吸收能量。别忘了恒星就是在忙着制造能量,随着大质量恒星在其核心制造和积累元素,它们也正在接近死亡。如果没有丰富的能量来源,这颗恒星就会在自己的重量下坍塌,紧接着反弹,形成猛烈的超新星爆发。在超过一周的时间里,它就会比10亿个太阳还亮。

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巨蟹星云具有富金属元素的气体

  铱(Ir)

铱(Ir)是元素周期表里三种最重的元素之一,三个桶装水(56升)的铱,重量就比一辆坦克还重。铱是这些事件的铁证:在世界各地的白垩纪、古近纪地层交界处,都发现了可追溯到6500万年前的铱元素。

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标志为白垩纪-古近纪界限的地层中含有铱元素(红色箭头所示)

并非巧合的是,当时凡是比登机箱大的陆地物种都灭绝了,包括传奇一般的恐龙。铱在地球表面实为罕见,但在直径10千米的金属小行星上相对常见,当小行星撞上地球时,会因撞击而气化,于是把它带来的铱洒在了地球表面。所以,无论你喜欢哪种恐龙灭绝说,来自外太空的一颗珠峰大小的杀手小行星都应该名列榜首。

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 小小的表格,元素周期表,细细斟想,却有来自宇宙深处无限的魅力。最后,让我们默默致敬150年前,总结出元素周期律的科学家门捷列夫。

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科学不但能“给青年人以知识,给老年人以快乐”,还能使人惯于劳动和追求真理,能为人民创造真正的精神财富和物质财富,能创造出没有它就不能获得的东西。

       ——门捷列夫

 

美编:HCN

校对:张腾飞

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