自然科普:為什么地球上幾乎找不到第43號元素?
來源:牧夫天文
發(fā)布時(shí)間:2021-06-09
瀏覽次數(shù):1383

  源自Forbes宇宙大爆炸專欄,作者Ethan Siegel

  翻譯:毛明遠(yuǎn)

  本文轉(zhuǎn)自牧夫天文

  整個(gè)元素周期表中僅有氫和氦來自宇宙大爆炸,其它的所有元素均形成于恒星。

  -恒星核聚變將輕元素變?yōu)楦氐脑?/p>

  -超新星爆發(fā)產(chǎn)生更重的元素

  -更暴力的宇宙現(xiàn)象,比如中子星合并,會(huì)產(chǎn)生最重的元素

  -還有就是恒星遺跡中的星云物質(zhì)發(fā)生衰變,或遭遇高能宇宙射線轟擊后變?yōu)槠渌?/p>

  X射線和可見光影像合成

  CreditX-ray: NASA/CXC/SAO/D.Patnaude, Optical: DSS, via http://chandra.harvard.edu/photo/2012/kepler/。

  上述理化過程豐富了宇宙的物質(zhì),它們發(fā)生在宇宙演化的每一個(gè)階段,而這些不斷變化中的物質(zhì)構(gòu)成了整個(gè)宇宙:星云、恒星和行星等,也包括我們?nèi)祟愃幍奶栂怠N覀兩鷻C(jī)勃勃的世界中超過90%的物質(zhì)源自恒星,這里所指的恒星并不是現(xiàn)在的太陽,而是前幾代演化過程中的恒星。

  但是,當(dāng)我們檢視元素周期表,我們的世界中竟然缺少第43號元素锝。它是一種密度和鉛相似的灰色閃亮金屬,熔點(diǎn)超過3000華氏度。

  太陽系元素豐度分布圖

  CreditImage credit: Wikimedia Commons user 28bytes, under a CC-BY-SA-3.0, with annotations added by E。 Siegel。

  太陽系沒有锝的原因是:所有锝的同位素均是放射衰變物質(zhì),其中半衰期最長的也只有幾百萬年。如果早期地球曾經(jīng)有過一定量的锝,但40億年過去了,地球上基本找不到锝。但事實(shí)上,有種情況會(huì)有锝產(chǎn)生,理論上鈾礦中物質(zhì)衰變會(huì)有微量的锝產(chǎn)生。估計(jì)每克鈾能夠產(chǎn)生1皮克(10^-12 g)锝。(譯者注:然而自然界的鈾元素半衰期又極長,幾種同位素中豐度最高的鈾238半衰期長達(dá)44.7億年)

  天然鈾礦石

  Image credit: Andrew Silver, USGS, via Wikimedia Commons, of naturally occurring Uranium Ore, composed of one-trillionth Technetium。

  當(dāng)然,人類有手段制造锝,方法一是利用核裂變;方法二是粒子加速器轟擊。現(xiàn)實(shí)中我們?nèi)祟愡€將一種制備出的锝同位素用于醫(yī)療。雖然現(xiàn)在地球自然環(huán)境中幾乎找不到锝,但恒星可以產(chǎn)生锝,產(chǎn)生锝的過程并不是開篇列舉的四大方式,而是通過在某種類型的恒星上較穩(wěn)定的S過程-慢中子捕獲中產(chǎn)生的。

  幾個(gè)典型恒星的年齡和大小,橫軸十億年計(jì)

  Image credit: European Southern Observatory (ESO)/M。 Kornmesser, via http://www.eso.org/public/images/eso1337a/。

  巨星讓氦聚變碳13或氖22時(shí)會(huì)產(chǎn)生自由的中子。我們的太陽終將有一天變?yōu)榫扌?,體積擴(kuò)大超過現(xiàn)在的100倍。這時(shí)就會(huì)發(fā)生上述作用,額外的中子與內(nèi)部的重元素作用,向著元素周期表上行。這一過程并不快,但特定階段下锝的豐度還是會(huì)達(dá)到一定程度。這一類恒星我們又稱其為锝星,我們可以通過光譜分析來確定它,此類恒星的亮度非常高。

  太陽和紅巨星對比

  Image credit: European Southern Observatory (ESO), via http://www.eso.org/public/images/eso0729a/。

  現(xiàn)實(shí)中,這種慢中子捕獲過程會(huì)構(gòu)建鐵元素以上的重元素,直至鉛和鉍元素,但正如上文所述锝的情況比較特殊,我們只能在這樣的巨星中觀測到。此外,在恒星內(nèi)核區(qū)域形成的锝還要出現(xiàn)在外層后,我們才會(huì)觀測到。科學(xué)家在20世紀(jì)30年代就通過實(shí)驗(yàn)室制造出锝,但直至1952年才在巨星中觀測到锝。

  有趣的是一方面在巨星階段下逐步產(chǎn)生锝,恒星終結(jié)的時(shí)候會(huì)通過爆發(fā)將包括锝這樣的物質(zhì)散布到周圍,形成行星狀星云,爾后繼續(xù)演化成下一代的恒星和行星;另一方面是锝的半衰期較短,幾百萬年時(shí)間后絕大部分锝就變?yōu)榱似渌亍?/p>

  星云

  Images credit: NASA / ESA and the Hubble Space Telescope, via hubblesite.org at http://hubblesite.org/hubble_discoveries/10th/photos/slide27.shtml。

  新一代的恒星和行星形成之時(shí),锝早已經(jīng)消失了。目前科學(xué)家甚至沒有在行星狀星云中發(fā)現(xiàn)過锝。如果非要在自然條件下獲取锝,一種方式是前文描述過的足夠量的合適的衰變;另一種就是待到太陽巨星絢爛之時(shí)!



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