在1869年,俄羅斯化學(xué)家門捷列夫把當時發(fā)現(xiàn)的66種元素排列成現(xiàn)在著名的元素周期表,到目前為止,人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了118種元素,其中92種為天然元素,26種為人工合成的。
地球上的一切可以說都是由元素所構(gòu)成的,然而對于整個宇宙來說,地球應(yīng)該只能連一粒塵埃都算不上,十分都渺小,因此地球上的元素資源自然是非常稀缺的。
就拿氦來說,從整個宇宙的角度來說,宇宙豐富中最多的一種元素應(yīng)該為氫元素,其次為氦元素,而氫和氦不僅是分布最廣的兩種元素,還是宇宙中含量最高的兩種元素。
其中氫元素占到了宇宙總元素的75%左右,而氦元素也占到了23%左右,剩下不到2%的元素都是由其他元素共同組成的,但是氦元素在地球上卻十分稀缺。
為什么地球上的氦元素那么少呢?
氦作為宇宙元素中含量第二的物質(zhì),在宇宙星際中其主要來源是恒星以及星際能源的熱核反應(yīng),按理說氦元素應(yīng)該十分廣泛。
然而,在地球上氦元素卻是非常少。之所以氦元素在地球上非常稀缺,主要有以下幾個方面,其一是氦的原子序數(shù)是2,相對原子質(zhì)量為4.0026,所以氦太輕了。地球上的重力并不能把氦維持住,一陣太陽風(fēng)過來,就可以把氦給“吹跑了”。
其二就是氦本身是一種惰性氣體;其三,一千克鈾經(jīng)過5000萬年的衰變才產(chǎn)生了1克氦氣,所以氦元素的生成效率非常低。
目前地球上的氦元素主要都存在于地殼中,主要是由一些放射性元素經(jīng)過衰變后產(chǎn)生的,比如鈾元素發(fā)生阿爾法衰變后會產(chǎn)生氦元素,因此氦元素在地球上是非常稀有的。而且如今氦在多個領(lǐng)域都具有非常重要的作用,如充當冷卻劑。
元素的生成機制
原子是由原子核(質(zhì)子、中子)以及圍繞在原子核周圍的電子構(gòu)成,決定某個原子元素種類的,是這個原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)量,比如說氫的原子核只有一個質(zhì)子,它就是元素周期表上的1號元素,而氦的原子核內(nèi)有兩個質(zhì)子,它就是元素周期表上的2號元素,然后以此類推。
從理論上來說,只要把質(zhì)子一直進行組合,就可以創(chuàng)造出越來越重的元素,但在原子核內(nèi)部,一直存在著兩種基本力——強相互作用力(是將原子核內(nèi)的核子束縛在一起)以及電磁力(是將原子核內(nèi)的質(zhì)子分開)。
由于質(zhì)子帶正電,因此這兩種力相互排斥。強相互作用力雖然大,但作用范圍太短,相反電磁是個長程力,并可以無限疊加,不過就是比強相互作用力小。
因此當原子核內(nèi)的質(zhì)子達到一定數(shù)量,兩種力之間的排斥力就會發(fā)生疊加,而在這種情況下的原子核就會變得很不穩(wěn)定,從而發(fā)生衰變。
比如說α衰變就是原子核內(nèi)釋放出由兩個質(zhì)子和兩個中子構(gòu)成的α粒子,α衰變發(fā)生后,原子核的質(zhì)量數(shù)會減少4個單位,其原子序數(shù)也會減少了2個單位。
總而言之,當原子的原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)量越多,這個原子就越不穩(wěn)定,一旦原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)量超過臨界點時,這個原子就會發(fā)生衰變。
雖然宇宙浩瀚無垠,但在宇宙中的規(guī)則幾乎都是一樣的,也就是說任何元素都具有一定的特征,遵循一定的形成規(guī)律,因此宇宙中的元素也存在于地球上。
目前,我們對新元素的探索主要是從人工合成和自然探索這兩個方面進行的,其中人工合成主要是通過高能中子的長期輻照、核爆炸和重離子加速器等現(xiàn)代實驗手段來實現(xiàn)的。
除此之外,我們還可以從宇宙射線、衛(wèi)星石以及天然礦物等等發(fā)現(xiàn)新元素。如今人類已經(jīng)可以在實驗室里通過核碰撞來創(chuàng)造出新元素。
2014年,日本曾使用rilac直接加速器加速鋅粒子并撞擊一片鉍箔,創(chuàng)造出了第113號元素“Unt”,但人工元素的壽命極短,而這個113號元素只存在萬分之三秒,就發(fā)生了衰變,變成了其他元素。
再來說2016年,科學(xué)家們用人工元素锎去撞擊鈣,制造出一個原子核中含有118個質(zhì)子的新原子,然而這種元素僅僅存在了1毫秒,不過這卻是人類制造出最重的元素。