· 正 · 文 · 來 · 啦 ·
同學們好！
地球上的物質資源和材料，說白了，也就是在地球上我們能方便找到的各種元素及其化合物。那么，它們是從哪里來的呢？為什么有些元素如此之少，而有些元素又如此豐富呢？那么，我們現在就來看看自然資源的前世今生。
地球上的元素是從哪里來的，這是一個古老的話題，但也許我現在問這個問題的時候，大家還是覺得有些新鮮，對不對。我們現在已經深刻地認識到，地球只是茫茫宇宙中的一員，在化學元素的形成上毫無特殊性可言。也就是說，有關地球元素哪里來的問題，其實就是宇宙中化學元素的起源問題。
從1889年，克拉克發表了有關地殼中各種化學元素的平均含量，人們就開始注意積累有關隕石、太陽、恒星、星云等各種天體中化學元素及其同位素分布的資料。我們通常用這樣的作圖法來表示不同元素隨原子量大小變化的豐度，橫軸是原子量大小的變化，縱軸是相對豐度的變化，并用對數坐標軸。一般把硅的豐度值取為106，其它元素的豐度按相對比例確定。
從1937年開始，人類首次繪制出了太陽系各種元素相對豐度曲線。40年代，人們只知道大多數恒星的化學組成與太陽相似，因而就認為整個宇宙的元素豐度可能是一樣的。后來發現，不同類型恒星的元素分布差別很大。1956年，科學家根據地球、隕石和太陽的資料，繪制出更為詳細、更為準確的元素豐度曲線。1973年，科學家又綜合了更多的資料，繪制了一個更廣泛的太陽系元素豐度分布圖，也就是我們現在見到的這個樣子。
從太陽系元素豐度來看，氫最多，為1010，其次是氦，為109，以下是氧、碳、氖、為107，氮、鎂、硅為106。豐度最小的化學元素，是核能的原料鈾，僅為10-2。
也許，我們馬上會意識到一個問題，那就是，地球上元素的豐度與太陽系相比，有很多相似性，但似乎也有很大差別。我們來舉個例子，在地球上，氦的含量很小，幾乎找不到可以標定的位置，而在太陽系中，氦的豐度名列第二位。那么，緊接著，鋰、鈹、硼的含量很少，不管是地球還是太陽系，都很少，看來這是一個普遍規律了。我們還可以看到，總體上，輕元素的含量要多一些，重元素的含量相對少，這似乎也是一個普遍規律。為什么會是這樣呢？
我們前說的1889年，克拉克對地殼中各種化學元素的平均含量進行了研究，他當年還同時提出了元素起源于原始的“不可分原質”的設想，1949年，伽莫夫等提出宇宙起源大爆炸模型。另一個設想是通過恒星核反應過程建造宇宙元素，開創了恒星核反應逐步合成重元素研究的現代歷史。還有許多有關化學元素的起源假說，比如平衡過程、中子俘獲、聚中子裂變等，這些早期的假說，都是試圖用單一的某個過程，來解釋全部元素的形成原因，結果發現是顧此失彼，不能自圓其說。1957年，伯比奇夫婦、福勒和霍伊爾以宇宙的元素豐度為基礎，綜合了前人的研究成果，推出了元素在恒星中合成的元素起源假說。
也就是著名的B2FH理論，這是取的四位科學家姓名的英文字頭，B2，代表伯比奇夫婦，F代表福勒，H代表霍伊爾。該理論是以一篇論文《恒星中元素合成》展示出來的，文章計算了各種核素合成過程，初步解釋了元素宇宙豐度的基本特征，奠定了元素起源現代理論的基礎。這篇論文我下載翻看了一下，有108頁。目前仍然是現代物理學中的經典論文。我們后面的說法，也就是基于這個理論的。
要說清該理論，我們要回到138億年前，宇宙剛誕生的時候，也就是宇宙大爆炸big bang。根據化學元素形成的B2FH理論，各種化學元素都是由氫逐步形成的，氫當然是最豐的元素，氫聚變可以生成穩定的氦，我們的太陽就正在發生這種變化。所以，大爆炸之初，氫和氦是最常見的兩個元素，也是形成其他一切元素的初始材料。
之后，恒星成為元素合成的主戰場。當宇宙形成大量氫和氦后，氣態物質由于引力收縮形成恒星和星系，又因為自轉加速，恒星的溫度逐漸升高，發生了一系列由輕元素轉變為重元素的核反應。三個氦原子聚合，形成碳；氦原子與碳原子聚合，形成氧；兩個碳原子聚合，形成鎂。在氦燃燒階段，3個氦-4跨越鋰、鈹、硼直接生成碳-12和氧-16，因此恒星內的核過程不能生成鋰、鈹、硼，這樣導致整個宇宙中鋰、鈹、硼的含量都很少。那么，鋰、鈹、硼是如何產生的呢？我們后面再講。
具體來說，B2FH理論認為，所有的化學元素并非通過單一過程一次形成的，而是由氫通過與恒星不同演經階段相應的8個過程逐步合成的，然后由恒星拋到宇宙空間。最簡單的元素氫，是形成其他元素的基本單位，越到后面的重元素，需要的步驟越多，所以總體上輕元素的豐度相對多一些。如果某個元素容易形成，且能成為比較穩定的元素，豐度就大；形成比較困難，形成量比較少，而又不穩定的重元素，豐度很小。
讓我們來看看這8個過程。首先，在溫度高于700萬度條件下，每4個氫核聚變為1個氦核；然后，在溫度高于1000萬度條件下，由氦-4核聚變為碳-12和氧-16等；之后是α過程，α粒子與氖-20相繼反應生成鎂、硅、硫、氬等；此時在溫度高、密度高的條件下，生成了平均結合能最大的鐵系元素，例如釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳等元素，進入一個平衡過程；恒星內部溫度繼續升高，甚至發生爆炸而產生大量中子，經過慢中子俘獲和快中子俘獲過程，已合成的各種核素進一步俘獲中子而形成比鐵系更重的重核元素。如果發生質子俘獲過程，就會生成一些低豐度、質子多的同位素。還有一些目前并不甚清楚的X過程，用來解釋生成重氫、鋰、鈹、硼等低豐度輕元素。
在宇宙大爆炸的核合成事件中，主要產物是氦4，但也合成極少量的2個原子量的H、氦3和7個原子量的鋰。然而，分析表明，宇宙中這些元素的含量比大爆炸所產生的至少要高出一個數量級，顯然宇宙中還有一種未被我們認識的核過程可以產生這些輕元素，還有9個原子量的鈹、10個和11個原子量的硼，它們的核合成途徑也不清楚，因此這一核合成過程被稱為X過程，即來歷不明的意思。研究表明，Li、Be和B等輕元素是由宇宙線中的高能質子和α粒子與星際氣體中豐度較高的重元素，如碳-12、氮-14、氧-16、氖-20等，相互作用而形成的，作用的方式是散裂反應，高能粒子將重元素母核打碎，形成一批質量數比母核少幾個到一二十個的子核，從而形成這些輕元素。
我們再來看這副太陽系的元素豐度圖，你有沒有發現，隨著原子序數的變化，豐度是交替上下波動的？具體來說，原子序數為偶數的核的豐度比其鄰近的奇數核的高。具有偶數質子數（P）或偶數中子數（N）的核素其豐度總是高于具有奇數的核素。這個被稱為奧多-哈根斯法則。因為質子具有核自旋的能力，都有一種俘獲另外一個質子配對而抵消自旋的趨勢，這樣才有比較高的穩定性。奇數質子的核一定存在質子沒有配對。所以，原子序數為偶數的核穩定性高，增加了該元素的豐度。中子呢，也有核自旋的能力，因此也有類似的性質。
說了這么多，現在回到我們前面的那個問題，為什么在太陽系中第二豐富的氦，在地球上很少呢？氦是惰性氣體，不與其他元素結合，所以只能以單質氣體方式存在于地球上，而地球的質量太小，其引力不足于將這么輕的氦拉住。你也許會問，為什么氫那么多呢？其實呀，大氣中單質的氫也是非常少的，地球上的氫只是被結合在水和其他化合物中而部分保留下來而已。所以，現在地球上氦元素就成為了非常稀有元素了，但是在恒星或大質量的行星上，都富含氫和氦兩種元素。
如果我們再將地球和太陽系、地殼中元素的成分進行對比，就會發現這些差異也非常大。這里將地球和太陽系、地殼三者中含量最高的十個元素進行排序，可以看出它們的相似性和相異性。我們前面的課程中介紹了地球物質的分異，也就是說，地球不同區域在物理性質和化學組成上都是不均一的，這種不均一性在垂向上的最突出表現是物質的物理性質和化學組成隨深度變化。而我們目前主要能獲得的物質資源，還是取自于地殼。
不過，作為資源來說，即使是同樣的元素，如果形成的條件不同，最后這些物質作為資源的用途也有很大的差別。比如，碳的同素異形體，金剛石、石墨、足球烯，都是由碳原子構成的，但它們的物理性質卻差別很大。我們知道，金剛石是自然界最硬的物質，石墨卻非常潤滑，由60個碳原子構成的足球烯分子，其獨特的結構和化學物理性質，已對化學、物理、材料科學產生了深遠的影響，在應用方面顯示了誘人的前景。而同樣受到關注的還有另外一個碳的同素異形體——石墨烯，它是只有一層原子厚度的二維晶體，是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，所以，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術、新產業革命。
另外一個例子是鋁元素。鋁元素在地球上的含量位列第三，但鋁太容易被氧化了，所以在自然界里，鋁都是以氧化鋁的狀態存在的。但是，氧化鋁的熔點非常高，大約是2000多攝氏度，用傳統的冶煉方法，很難達到這個熔點。因此，雖然鋁在自然界中含量十分豐富，人們卻無法把它冶煉出來。在理論上，這樣的金屬可以采用電解法提煉出來。對于鋁來說，提煉一噸鋁大約要消耗1.6萬度的電能。這在電力還沒有大量使用的時代，煉鋁是多么的不容易。物以稀為貴，當時鋁被認為是極其稀有的貴重金屬，價格遠遠高于黃金。
到了19世紀，人們開始慢慢摸索出一些冶煉鋁的方法。1807年，英國人戴維用電解法分離出了礬土中的鉀和鈉，但卻沒有用同樣的方法分解氧化鋁。在其他人采用了多種方法失敗后，霍爾打算繼續沿用戴維的思路：把電流通到熔融的金屬鹽中，使金屬的離子在陰極上沉積下來而分離。我們前面說過，氧化鋁的熔點很高，怎么辦？他經過反復嘗試，發現向氧化鋁中添加冰晶石，可以將純氧化鋁的熔點降低到950℃。方法的改進，突然之間，讓世界上的每個人都有可能大量獲得這種廉價的、輕便的、柔韌性極好的金屬材料了。
類似的故事，在人類歷史上其實是非常多見的，原本非常稀有的某種資源，一旦找到了某種革新的方法，就變得十分豐富了。道理其實非常簡單，事物的稀缺性依賴于環境。技術是一種解放資源的機制，它可以把過去相當稀缺的資源變得十分充裕。有關資源更多的思考，我將用另外一節課專門講授。今天的課就到這里，同學們，再見！
