化学元素是指具有相同的核电荷数(即核内质子数)的一类原子的总称,截至目前共有118种元素被发现,其中94种存在于地球上。
这些元素来自哪里,它们是如何形成的?这要从宇宙大爆炸说起。宇宙大爆炸理论于1948年被科学家提出,用来解释元素的核合成起源。
138.1亿年前,全部物质都以中子形式存在于温度和密度极高的“奇点”之中。爆炸时,中子经β衰变转变成质子,中子和质子通过与第一代轻子反应来保持平衡状态;随着宇宙温度降低,质子和中子聚变形成轻核,其中最轻的原子核,即由质子和中子组成的氘首先形成;宇宙温度持续降低,当其远低于氘结合能后,氘聚变率远大于氘离解率,此时将有更多的氘被合成,从而使氦以及其他一些轻元素的系列合成反应成为可能。
核子反应发生在宇宙大爆炸最初的3分钟内,产生了氢、氦、锂,以及它们的同位素,更重的元素很久以后则在恒星内产生。
化学元素按照其在宇宙中的不同起源可分为以下几种类型:宇宙大爆炸核合成、宇宙射线裂变、濒死的低质量恒星、爆炸的大质量恒星、爆炸的白矮星、中子星合并,以及没有恒星残留的半衰期极短的放射性同位素。
氢元素由宇宙大爆炸核合成而产生;氦元素除了主要来自于宇宙大爆炸核合成外,濒死的低质量恒星、爆炸的大质量恒星也提供了一部分氦;锂元素一部分来自于宇宙大爆炸核合成,但主要由濒死的低质量恒星提供,另外还有一部分由宇宙射线裂变形成;铍和硼元素由宇宙射线裂变形成;碳、氮、锶、钇和锆元素主要由濒死的低质量恒星产生,还有一部分来自于爆炸的大质量恒星;从元素周期表的第8号元素氧元素到第37号元素铷元素,主要由爆炸的大质量恒星提供,部分元素还可由爆炸的白矮星产生;第41号铌元素及后面高质量数的元素则主要由濒死的低质量恒星、中子星合并产生,部分元素为没有恒星残留的半衰期极短的放射性同位素。
不同类型恒星的形成与死亡所产生的不同元素,不断地丰富着银河系的气体,从而成为破译恒星的化学指纹,并为探讨黑洞形成时的大质量恒星的性质及统计宇宙中黑洞数量提供了理论基础。
放射性同位素被广泛应用于岩石和矿物的年龄测定,为行星演化历史提供了精确的年代学信息,并用于标定地质年代表。例如,科学家们通过精确测定阿连德碳质球粒陨石中富钙和铝包体的铀、铅含量和相关同位素比值,提出太阳系形成于距今约45.67亿年前。
稳定同位素则多被用来探讨岩石样品的来源及性质。例如,地球样品和月球样品不但具有一致的氧同位素组成,还具有一致的钛同位素组成,为月球撞击成因说提供了强有力的证据。
那么,元素能否消失?元素起源与宇宙大爆炸和星际演化密切相关,因此元素未来的命运也一定受宇宙的命运所决定。如果假定宇宙将会继续膨胀和冷却下去,那么整个宇宙的重元素丰度将不断增加,元素也将不会消失;如果假定宇宙经过一定时间后停止膨胀,而转向收缩,最终回归到“奇点”,那么元素将最终消失,并成为下一个宇宙循环的开始。(石玉若)