元素周期表是根据原子质量大小和元素的性质,进行分类的一种表格,由俄国化学家门捷列夫首先制作出雏形。
大家可能不知道这一张元素周期表里蕴含了宇宙140多亿年的历史。在大众的认知中,宇宙是和物理学有关的研究,殊不知化学也在其中。那么元素周期表里有什么惊喜是大家不知道的?
最惊喜的一点就是,元素的序号,除了代表它本身的原子个数,还代表它在宇宙中出现的顺序。很多人认为元素周期表上的元素是地球自带的,其实不然,有时候遇到的元素,它很有可能不是来自地球。
来自宇宙中的元素
元素周期表上的所有元素都来自于宇宙的爆炸,而氢元素是这里面最早出现的,理论上,其他元素都是在它的基础上得到的,它是当之无愧的“元素之王”。
在宇宙没有诞生之前,是没有时间和空间以及物质的,一切的一切都只是一个起点。爆炸产生后,出现的物质也不是元素,而是原子、光子等粒子。随着爆炸之后的冷却,出现原子核,接着它和电子一起组成了原子。
只有一个原子核,外层只有一个电子的是氢原子,元素周期表上的第一个元素诞生。随后两个氢原子发生核聚变,形成2号元素氦,之后是3号元素锂,这也是宇宙中诞生的第一种金属元素。
核聚变会产生能量,这些能量可以驱动物质运动,因而会出现星云。星云其实就是各种粒子的混合体,而这些粒子就是形成星体的原材料。它们在聚集的过程中密度变大,质量逐渐聚集在中心,慢慢地一颗恒星的雏形便诞生了。星云并没有全部形成中心恒星,它还有一些残余会在恒星微弱的引力之下围绕它旋转,这是最初始的行星。随着粒子聚集得越来越紧密,以中心恒星为主体的恒星系产生。
这时的恒星含量最多的是氢元素,其次是氦元素,内核含有多种元素。理论上,恒星内部的核聚变反应是可以合成所有元素,但是需要很长的时间,而恒星是有寿命的。因此光是凭借自身的核聚变,恒星最多只能得到28号元素镍。那28号以后的元素从何而来?它来自比核聚变还要猛烈的超新星爆炸。
元素镍
超新星爆炸
宇宙中有超过1亿颗恒星,它们大小不一,质量各有差异,并且寿命也有长有短。没有长生不老的恒星,最后都要走向死亡,但是根据质量的不同,恒星最后的结局会不一样。
一般质量在8个太阳以上的恒星,会产生超新星爆炸。爆炸过程中会产生28号元素以后的其他元素,因为爆炸这些元素会被喷射到宇宙中。超新星爆炸的本质是恒星在主序星时期消耗完自己的氢后,发生内部的坍塌,爆炸喷射出来的部分会成为星云,进行下一个恒星的诞生。
星云里包含一个恒星系形成所需要的粒子,当然这里面也有一些粒子是不需要的,比如爆炸产生的那些元素,它们会在连同这些粒子一起参与新恒星系的形成。因此,一颗恒星上出现的28号以上的元素,基本上来自超新星爆炸产生的星云。
地球是行星,几乎是和太阳系同时形成的,因此它的大部分重元素也是来自太空中的超新星爆炸。元素大部分存在于地球的地幔与地核中,它们会在地质变迁的过程中通过各种形式到达地壳。地球表面超过70%都是海洋,是含元素最多的大宝库。
日本的一家石油公司在勘测时,发现了两种不属于地球的物质。发现的海域位于太平洋,是目前地球上最大的海洋。之所以要加一个目前,这是因为对于地球来说,任何的大陆和海洋结构都不是永恒的,它们会变化,只不过时间通常都是百万年起步,人类很难观测到具体的变化。太平洋有全世界最深的海沟——马里亚纳海沟,深度在1万米,是地球的最低处。因为面积最大,太平洋也理所应当地成为了资源最丰富的海洋,自然也会被发现罕见的物质。
铁-60
人类在太平洋底部发现的第一种元素是铁-60,也就是相对原子质量60的铁元素,属于铁的同位素。我们都知道铁是26号元素,并且地球的地核存在大量的铁元素,按理说它应该算是地球的地核通过核聚变自己合成的元素。但是,地球上的普通铁元素的相对原子质量是56,铁-60比一般的铁原子多了四个中子,因此变得十分不稳定。
同位素最容易发生的就是衰变,铁-60的半衰期为260万年,半衰期完成后,它就会变成普通的铁元素,即我们常说的铁-56。我们的地球有46亿年的历史,这样算下来,如果还能发现铁-60,说明其半衰期还没有结束。宇宙中,铁的同位素有34个,它们都有相同的26个原子核质子数,不同之处在于里面的中子数量。
铁元素在我们生活中很常见,但是铁-60在生活中几乎都见不到,因为它是铁的同位素,具有放射性。它会发射出人类肉眼看不见的辐射,有害身体健康。
钚-244
和铁不同,钚元素本身就具备放射性,是现实生活中核电站里面的重要材料。钚的元素周期表序号是94,相对原子质量为244,它的同位素钚-239是重要的核武裂变剂,二战时期的曼哈顿计划中,就使用到了钚元素。
钚元素
钚元素属于锕系元素,拥有半衰期,时间为24.5万年。纯金属渣外表具有银色金属光泽,极易与氧气发生反应,生成黯淡无光的二氧化钚。人类一度认为钚就是元素周期表的最后一个元素,而事实证明,山外有山,人外有人,元素之外还有元素。
钚及其同位素都具备放射性,钚会产生α射线,经过研究发现,这种射线并不会穿透人类的皮肤,可它依然会被人体吸收。如果钚进入到人的身体里,它的α射线会伤害细胞结构、损害染色体,结果就是产生癌变。
不过纵观所有放射性元素,钚的α射线对人体的伤害算是比较小的了,原因在于它的半衰期很长,单位时间内的辐射量相对来说比较小。钚一般是在人的肝脏和骨骼聚集,所以被钚污染的身体,多半是脏器出现损伤和癌变。
天外来客
这次在太平洋发现的铁-60和钚-244,量非常少,科学家们预估连最基本的毫克单位都达不到,仅仅只有几百个原子。然而这些元素数量虽少,价值却大,科学家们认为它们本不该出现——它们并非地球自身产生的,而是“天外来客”。
根据计算,地球上的重元素很大一部分可能是630万年前,一颗超级大恒星发生超新星大爆炸的时候留下来的,爆炸距离我们的地球大约250光年。天文学家们估计这颗恒星的亮度非常大,在地球上大白天肉眼可见。
而且更加让人惊喜的是,类似于这样的重元素还在源源不断地到地球上来。宇宙中几乎每天都在发生恒星的出生和死亡,每时每刻都有超新星大爆炸,数以亿计的重元素们被甩向了太空,这其中只有很小的一部分到达了地球。
像钚元素这样的超铀元素,在元素周期表里属于重中之重,它们很有可能来自1.3亿年前的两颗中子星大碰撞。越是能量巨大的天体运动,越能产生原子制止越大的元素。可以说这个宇宙的质量都是守恒的,一个恒星的灭绝伴随着另一个恒星的诞生,我们的太阳系也是前一个恒星系爆炸后产生的星云再形成,在46亿年的时间里,不断吸收外界星系的粒子,最后有了太阳、八大行星、小行星和矮行星等。
因此在普通人眼里元素周期表上平平无奇的元素,其历史可以上亿年。在科学家眼里,元素表不单单是一个化学规律的总结,也是一张时间表,代表元素们的出生顺序、形成时间、生成的困难度等等。
我们总是认为,地球有大约46亿年的历史,因此地球上的元素都十分古老,是和地球差不多的时间诞生的。事实却是,很多元素,尤其是序号28以后的重元素们,年龄比我们想象中的年轻。甚至有可能这里面的元素,昨天才刚刚到达地球表面。
实际应用
铁-60属于铁元素的同位素,地球上被用在生活中的同位素有很多。因为同位素会发生衰变,使用最多的就是核技术。核能是一种清洁能源,理论上它是可以一直聚变裂变循环使用的,可惜人类的技术无法保证它能量不流失,因此现实中需要补充原材料进去。同位素就是这其中的裂变剂,同理,像钚-244这样本身就是放射性元素,更是裂变剂的绝佳材料。
不过核能虽然清洁,要求却极其高,因为谁也不想发生核泄漏。钚元素的α射线已经被证实是所有放射性元素中伤害最小的,可这不代表它对人类完全没有影响。更何况有些核电站使用的是铀元素,这是一种比钚元素伤害大很多的重元素,因为其含量更高被广泛应用,成本也低于钚。如果不泄露它比钚更划算,可如果发生意外,它造成的破坏远超过钚。
同位素和重元素的衰变,也非常利于追踪。生物和医学上都会运用到放射性元素或者放射性同位素,对病变部位进行标记、追踪、观察,最后得出结论。尤其是医院里有很多放射性治疗,涉及到这方面的科室被称为放射科,总得分为体外放射治疗和体内药物放射治疗。
同位素的衰变还可以计算时间。我们在考古的时候需要判定一些化石的时间,比如恐龙化石,这个时候就要用到一种叫做碳十四的同位素,通过它的半衰期规律,得到化石的年龄。此外,在探究地球年龄的时候,碳十四也发挥了重要作用,没有它我们甚至都不知道地球究竟有多少岁。目前地球上已发现的最古老的岩石年龄有大约40亿岁,对我们推测早期地球的样貌有参考价值。
这些宇宙赋予地球的礼物,被人类发挥了巨大的作用。核能是未来化石能源枯竭后的首选,也是人类能够想到的星际移民的能量来源。人类现在正在攻克人造太阳,即人类模拟太阳的核聚变,有了这个技术,即使以后移民到一颗寒冷的星球,人类也不用惧怕。而人造太阳的原料,正是来自宇宙的重元素们。