宇宙中的元素是有限的吗?

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  1869年,俄国化学家门捷列夫将当时发现的66种元素排列成著名的元素周期表,并由此预言了新元素的存在及其属性。迄今为止人类共发现了118种元素,其中92种是天然存在的,另外26种元素是人工合成的。第92号元素铀是地球上已知的原子序数最大的天然元素,人工制造出来的、原子序数大于92的超铀元素都是不稳定的放射性元素。那么,元素的这张名单,到底有没有尽头?会不会再有新元素出现呢?
  
  宇宙中还有地球上不存在的元素吗?
  
  从门捷列夫发明化学元素周期表以来,不断有新的元素被人们发现。目前寻找新元素的工作,主要从人工合成和在自然界里寻找两个方面进行。人工合成新元素是主要的,它主要是利用高能中子长期照射,核爆炸和重离子加速器等现代实验手段来实现的。另外,也可从宇宙射线,从陨石和月岩中,以及从自然矿物中寻找新元素。如今,人们已经能够在实验室中通过核碰撞创造出新的元素。例如2004年日本利用“RILAC”直接加速器将锌粒子加速,撞击一片铋箔,从而创造出第113号元素“Unt”。然而这些人造元素的寿命极其短暂,113号元素只存在了万分之三秒,就立刻衰变成其他元素。2006年,科学家用一种人造元素锎去撞击钙制造出一种新的原子,这种原子核中有118个质子。这种新元素仅仅存在了1毫秒,但这却是人类迄今为止制造的最重的元素。创造新型元素的这一过程在宇宙中也会出现,通常发生在一些年轻的星体上。然而,直到目前为止,在宇宙中并没有找到和地球上不同的元素。从理论上来说,任何元素都有一定的特性并遵循一定的形成规律,因此宇宙中的元素在地球上也是存在的。
  
  宇宙中还有多少人类没有发现的元素?
  
  宇宙中肯定有我们没有发现的元素,但是很可能不像各位想象的那么多,而且它们绝大部分肯定极其不稳定。我们的地球总的来说是宇宙中的一个很普通的角落,我们所处的环境与宇宙中的绝大部分地方没有什么不同。要知道,通过光谱研究,我们现在能够发现几亿光年之外的微量元素,我们的观测范围已经很庞大了。因此,在我们可以观测到的范围里,应该具备宇宙中最普遍的环境,在这种环境中应该产生宇宙中最普遍的物质。当然,宇宙中肯定还存在一些特殊的环境和物质,但是这种环境一定不是普遍的,一定是非常稀有的。因为如果这样的环境不稀有,那么在地球的附近就一定能够观察到在这种环境下产生的特殊物质。而且,在这些特殊环境中产生的特殊物质,一定是不稳定的,存在时间极短或者存在条件极其苛刻。因为如果这样的物质是稳定的,在100多亿年的宇宙历史中,它们一定会在整个宇宙中弥散开,从而被我们观测到。
  
  宇宙中的元素是为何是有限的?
  
  元素是由原子核中的质子和中子数目决定的,这两种粒子要聚拢在一起形成原子核,就必须有力量将它们“捆绑”在一起。不过,都带正电的质子彼此之间存在有斥力。值得庆幸的是,质子和中子(最强)、中子和中子、质子和质子间存在强力,这种力就将质子和中子粘在了一起。但是,强力的有效作用距离非常有限,同时,质子之间斥力的“电磁力”有效作用距离则很长。这样就造成,好不容易被身边中子粘起来的质子,受到远处质子的排斥,反而被踢出了原子核。随着原子序数上升,质子之间的斥力也上升,这也就是高原子序数元素不稳定的原因。原子序数越高越不稳定,高原子序数的元素即使生成,也会在很短的时间内衰变殆尽。所以,在地球上92号(铀)以上的元素几乎不存在,新发现的高原子序数的元素(超铀元素)都是人工合成的。目前发现序数最高的118号元素寿命只有1毫秒,序数再高寿命可能会更短,从这个意义上说,宇宙中的元素种类应该是有限的。
  
  为什么宇宙中最多的元素是氢?
  
  现代意义上的化学元素中,最古老、最轻的元素当属氢,它是由英国化学家波义尔于1671年在铁与硫酸的化学反应中发现的。宇宙含量最多的元素为氢元素。根据大爆炸理论,首先产生的是元素中最简单的元素,而最简单的元素便是氢了。所以宇宙中氢是首先产生的,而且其含量非常多。有了氢以后,这个氢逐渐在通过原子核的聚变过程不断生成其他元素。
  宇宙的最早期只包含一些运动速度接近光速的基本粒子,如电子、夸克、中微子及其反粒子。在大爆炸之后几微秒的时间之内,夸克结合成质子和中子,但它们却无法形成稳定的原子核,原因在于此时质子和中子不断地受到中微子和反中微子的骚扰。只有当宇宙的年龄接近1秒钟,温度下降到大约100亿摄氏度,使得中微子和反中微子不再与核子发生相互作用,大爆炸核合成才真正开始。氢原子核是最简单的元素,只含有一个质子。当宇宙的年龄接近两、三分钟时,氢的同位素、氦元素以及氦的同位素才会出现。但是元素周期表中那些比锂原子核重的元素却并非来自大爆炸核合成。它们主要诞生于恒星内部的核合成过程,因此远远没有氢和氦元素那样长的历史。
  
  为什么地球上会有这么多种元素?
  
   如果我们银河系的初始状态全部是氢,那么第一代恒星应当全部由氢组成;第一代恒星死亡后,生成的各类元素弥散开来,使银河系的组成发生变化,于是再凝聚成的第二代、第三代恒星的原始组成就复杂了。我们的太阳现处于氢燃烧阶段,但已有铁等重元素,可以肯定它不是第一代恒星。而地球也只能是由第一或第二代恒星的残骸形成,地球的铁核、地球上的各种元素和放射性物质,都说明了这一点。这就是地球上为什么有这么多种元素的原因。
  岩石圈中地壳蕴藏有90多种自然存在的化学元素,其中氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁等8种元素的含量,约占地壳总重量的97.13%,其余几十种元素的总含量不足3%。地壳中含量最多的元素是氧,约占地壳总含量的一半,其次是硅,占1/4强;上地幔的物质成分为铁镁质硅酸盐类。正是由于地壳中存在着丰富的化学物质,才构成了地球中丰富多样的矿产资源。
  【责任编辑】蒲晖
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