我们已知的元素总共有118号,一般我们认为自然界中能长期存在的元素是92号铀之前(包含铀)的元素,之后则有与半衰期以及自然状态下没有生成机制,需要人工合成,元素序号越高,它的半衰期也越短,到了118号元素,半衰期只有12毫秒,它的存在时间极短。什么才是区分元素的标准?
元素的类别由什么所决定的?
我们经常听到的是几号元素,其实这个元素的区分标准就隐藏在这个几号这个数字中!我们知道,某种元素就是某种元素的原子组成的,而决定原子种类的就是处在原子中间的原子核,那么原子核是什么组成的呢?
质子和中子
质子在所有元素中都存在,而中子却不一定,比如氢的同位素氕它就没有中子,只有一个质子+一个电子,最简单的结构构成了宇宙中最丰富的元素,从氕以后,所有的元素都会有中子的存在,质子和中子在原子核中的分工是不同的:
质子数的多少决定了元素的类别
中子数的多少决定了元素同位素的类别
比如氢的同位素氘有一个中子,氚则有两个中子,氕氘氚这三种同位素化学属性几乎就相同,但物理属性却大相径庭,比如氕的很难达到聚变条件,而氘和氚则很容易,氕和氧构成的水就是我们常见的水,而氘和氧也能生成水,但却是重水。
重水和普通水非常相似,都是无色无臭的液体,但密度略大,冰点也略高,化学性质几乎一样,但普通水是生命之源,重水却可能会引起死亡。但重水可以作为裂变反应堆中的中子减速剂。
当质子数增加时则元素需要会相应增加,比如两个质子的氦,三个质子的锂,四个质子的铍,只要你愿意,可以对着元素周期表念个一两分钟。
为什么元素序号高了会不稳定?
粘合原子核中的质子和中子之间的作用力是强力,它的特性非常有趣,我们先来看看四种基本作用力:
在质子与种子的度下,引力就不用考虑了,弱力也太弱,只有强力和电磁力两种可以在这里发生作用,强力有一个特征,太近和稍远都不行,只有刚刚好它的作用力才最强,因此它有一个作用范围,而电磁力则不然,属于长程力,它可以无限叠加,这会发生一个有趣的结果:
强作用力尽管很强大,但能稳定束缚的质子数也是有限的
质子都带正电荷,在强作用力打瞌睡的时库伦斥力就开始作用了,结果就是α衰变,原子核强力束缚不住,有部分质子和中子跑出来了,比如地球上存在的氦元素大都是铀和钍的α衰变产生。
中子的存在会调和这个矛盾,因为不带电荷,只提供强作用力。但中子多了会有β衰变的概率。
α衰变,元素的原子序数会-2,β衰变则原子序数会+1,因为中子衰变成了质子,多了一个质子,原子序数自然就增加一号了,这也是重元素的产生机制之一。
中子星上的超重物质是什么元素?
既然聊到了中子星,那么简单说说中子星物质的结构,我们都知道原子中存在巨大的空间,因此这也就是物质可以极度压缩的原理,但请注意这颗不是普通的压缩空气之类的概念,那个是真实压缩了分子之间的间隙而已,而原子内部空间的压缩则只有真正到了白矮星级别才能算得上压缩。
但白矮星有质量有限,只是将外围电子压缩到了原子核附近,但在电子简并力的支撑下引力并没有突破最后一刻,但能诞生中子星的天体引力非同寻常,突破了电子简并力,将电子压入了原子核,和质子中和成了中子,简单的理解:中子星的物质就是一堆中子构成的!它的密度就是原子核的密度,每立方厘米高达百亿吨(白矮星则逊色不少)!
前文说明了质子数才是元素种类区分的标准,那么只有中子没有质子的物质是什么?有一种0号元素的说法也许是最合适的是,那么在地球上存在这种只有中子的物质无吗?
答案是有
它广泛存在于裂变发生过程中,自由中子就是这种传说中的物质,但它不能长时间存在,它会通过弱作用放出一个电子和一个反中微子后衰变为质子,平均寿命为896秒。也就是说0号元素无法长期存在,它会通过β衰变成为1号元素氢原子核。随后则会通过捕获电子正式成为氢原子,因此核反应堆中的微量氢就是这样来的,当然这并不是氢累积的原因,因为自由中子都是非常宝贵的,要将它减速更多的参与到核反应中来,或者让它轰击锂6生产氚,或者轰击U238生产钚,你说这自由中子这么宝贵,还让它衰变?氢的主要来源是核燃料外壳中锆金属元素在高温下分解水所致。
因此我们认为中子星物质并非是我们所不认识的新元素,而是地球上的条件无法长期存在这种物质,当然也并不是说宇宙中就没有新元素的生成条件,只是可能无法长期存在或者自然界难以存在这种元素的生成条件。但相信我们无法排除存在这种可能。