为什么自然界中最重的元素是铀?宇宙中没有比铀更重的元素吗?

事实上自然界中还有两种比铀重元素能长期存在分别是93号元素镎和94号元素钚,但两者都是微量存在,因此如果有人告诉你自然界中最重的元素是铀,也不是没有道理,毕竟只有铀才是大量存在的!

为什么最重的元素前面需要加个稳定存在?

一般我们在查最重的元素时,前面都会有一个描述用的“稳定存在”,难道元素还能变了不成?事实上元素还真的会变成另外一种元素,而且连天王老子都无法约束它,即使你将它放在全世界牢固的保险箱中,过阵子它就慢慢变成另外一种元素了!

从轻元素到重元素,从重元素到轻元素

物质是由原子构成的,而构成原子的则有中子和质子以及电子,区分元素的主要参数是质子的数量,多少个质子就是多少序号的元素,中子的多少则只决定这种元素是哪号同位素,而电子则和质子数一起决定元素的化学属性!

质子带正电,电子带负电,中子不带电;原子是电中性的,因此有多少个质子就会有多少个核外电子中和!能让质子和中子待在一起的是强作用力,强作用力能让质子克服电磁斥力结合在一起,而中子则在中间起到了调和作用。

氢元素到重元素

轻元素可以通过几种手段变成重元素,第一种是聚变,太阳最初的核聚变模式就是两个氕原子核(质子)通过量子隧穿效应聚变成氘,再由氘和氕聚变氦!另一种则是通过中子俘获再经β衰变称质子,使得元素序号再增加一号!在红巨星的内部经常发生满中子俘获,超新星内部则发生快中子俘获,但元素序号增加的原理是一样的!

聚变的质子反应链

中子捕获生成重元素

重元素到轻元素

重元素也可以通过衰变和裂变变成氢元素,比如铀-235(大部分核反应堆中的核燃料)可以通过α衰变成钍-231,因为α衰变跑出去的是一颗氦原子核,两个质子+两个中子,因此原子序数-2,成了90号元素钍!

还有一种途径是裂变,铀-235受到热种子撞击时会产生裂变,产物是钡-141和氪-92,当然这些元素还会继续衰变,如下图:

当然还会跑出多余的2-3个中子,这几个中子又会祸害别的铀原子,因此链式反应就发生了!但很多时候由于铀的质量不够,还没有撞击到第二个铀原子之前就飞到了铀块外了,所以必须要足够大的铀块才能保证在飞出前撞击到,这就是铀的临界质量!

为什么元素会变来变去?

聚变似乎比较容易理解,毕竟强作用力是宇宙中最强大的力量,因此只要靠得足够近,就能让原子核结合形成新的重元素!但重元素为什么会裂变可能就想不通了,因为强作用力力量那么强大,原子核中的质子和中子越多,合力不是越大吗?

其实这里有一个问题,质子和质子都带正电荷,它们之间有电磁斥力(库伦斥力),而且电磁力属于长程力,在原子核内可以叠加,但强作用力却不行,它的范围很小,因此当原子核越来越大时的表现就会不稳定,强作用力无法约束住蠢蠢欲动的原子核内各个中子和质子!

上图是原子核滴线,总共有三种原子核,分别为黑色的稳定核、不稳定核以及理论预言核,这些的区别是稳定核不会发生裂变,也不会发生衰变,但中子捕获不在此列,不稳定核会衰变或者裂变,理论预言则是可能存在的原子核!

稳定岛

当原子核中的质子或中子数为幻数或者两者均为幻数时,原子核特别稳定!已经发现的幻数有2、8、20、28、50、82、126,对应的元素分别为氦、氧、钙、镍、锡、铅,但126号元素一直未能发现,到现在为止,也仅仅到了118号元素!

宇宙中还有比铀更重的元素吗?

其实地球上就有比自然界更重的元素,只是这些元素非常不稳定,从93号镎的百万年年到97号锫的千年,再到100号元素镄的百天内,之后就是分钟,秒,最后到118号元素Og的毫秒级别,你会发现,半衰期是几何计算减少的!

除了100号元素镄还可以通过俘获中子大量生产外,之后的元素仅仅只能供科学研究,即使生产出来也无法长时间存在!

气奥-294同位素的衰变途径和衰变能量以及平均半衰期。绿色数字为进行自发裂变的原子比率。

117号元素的衰变链

所以这些玩意儿即使在宇宙中某个星球上大量存在,它也会默默的变成衰变链上的其它元素,最后则变成稳定的,地球上也存在的元素,想要控制它衰变也可以,比如比较特殊的电子俘获放射性衰变模式可以通过激发或使原子的电子形成与原子核重叠较少的状态,可以延长半衰期,但这个时间增加的级别仅仅在1%的比例以下!

除了将改变化学键外,俘获电子的衰变还可以通过剥离电子成为离子的模式来永久改变,比如铷-83可以通过剥离所有电子而永不衰变,但对于α粒子的衰变就无能为力了!或者你将这种放射性元素放到一个光速飞行的飞船中,过了100年回到地球,它就像刚出发的那样!除了这几个方法外就很难找出别的方式了!

宇宙中真的没有更重的稳定元素了吗?

其实宇宙中真还有这种元素,但也可以说没有!为什么会有这种奇葩的答案?在我们的元素区隔的标准中,质子数是区分元素类别的唯一标准,中子则是同位素!所以大量的质子和中子集合在一起又不稳定!

但宇宙中有一个地方却是稳定存在的,那就是中子星!它是恒星在超新星爆发中形成的,物质的引力坍缩超过了电子简并态所能提供的支撑,直接将电子压入了原子核,和质子中和成了中子!但中子简并态抵抗住了引力坍缩,中子星就是处在了这种稳定的模式下!

但这种大量中子的集合,只能算是0号元素!但这种0号元素却只能稳定存在于中子星上,一旦它失去了这种条件,比如弄一块中子星物质到地球上来,中子就会开始衰变,它会通过“β衰变”释放一个电子和一个反中微子,然后转变为质子,自由中子的寿命大约是15分钟。

质子和中子的某种组合能构成稳定物质,所以这块物质的各个团块会在重元素的某处停止衰变,产生黄金的比例是极高的,再不济也是各种贵金属!但很可惜这块物质的质量极大,衰变会释放出巨大的能量,甚至可能将地球给炸裂了!

比中子星更NB的物质,那就是突破了中子简并力,但仍然在夸克简并态支撑下的物质,但这种知识理论上存在的夸克星,之后更大质量的坍缩就是黑洞,到此时已经没法说元素了,因为坍缩称了一个奇点,无法用元素来形容!