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為什么地球上幾乎找不到第43號元素?

發布時間:2021-06-08 11:49 來源:Forbes宇宙大爆炸專欄

  整個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為更重的元素

  -超新星爆發產生更重的元素

  -更暴力的宇宙現象,比如中子星合并,會產生最重的元素

  -還有就是恒星遺跡中的星云物質發生衰變,或遭遇高能宇宙射線轟擊后變為其它元素

  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,它們發生在宇宙演化的每一個階段,而這些不斷變化中的物質構成了整個宇宙:星云、恒星和行星等,也包括我們人類所處的太陽系。我們生機勃勃的世界中超過90%的物質源自恒星,這里所指的恒星并不是現在的太陽,而是前幾代演化過程中的恒星。

  但是,當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,其中半衰期最長的也只有幾百萬年。如果早期地球曾經有過一定量的锝,但40億年過去了,地球上基本找不到锝。但事實上,有種情況會有锝產生,理論上鈾礦中物質衰變會有微量的锝產生。估計每克鈾能夠產生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,F實中我們人類還將一種制備出的锝同位素用于醫療。雖然現在地球自然環境中幾乎找不到锝,但恒星可以產生锝,產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定的S過程-慢中子捕獲中產生的。

  幾個典型恒星的年齡和大小,橫軸十億年計

  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時會產生自由的中子。我們的太陽終將有一天變為巨星,體積擴大超過現在的100倍。這時就會發生上述作用,額外的中子與內部的重元素作用,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達到一定程度。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/。

  現實中,這種慢中子捕獲過程會構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,在恒星內核區域形成的锝還要出現在外層后,我們才會觀測到?茖W家在20世紀30年代就通過實驗室制造出锝,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生锝,恒星終結的時候會通過爆發將包括锝這樣的物質散布到周圍,形成行星狀星云,爾后繼續演化成下一代的恒星和行星;另一方面是锝的半衰期較短,幾百萬年時間后絕大部分锝就變為了其它元素。

  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,锝早已經消失了。目前科學家甚至沒有在行星狀星云中發現過锝。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!


編輯:徐菁
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