話說,從拉瓦錫開始,元素就成了化學(xué)家們的獵物,他們拼了老命去找各種元素,因?yàn)閾尩迷蕉啵删途驮礁摺S瘜W(xué)家戴維一個(gè)人就搶到7種;緊隨其后的是德國化學(xué)家拉姆塞,他搶到5種;瑞典化學(xué)家席勒、伯齊利烏斯搶到4種元素,并列第三。
戴維爵士
這場“尋找化學(xué)元素”大賽幾乎是貫穿了整個(gè)化學(xué)的興衰史,19世紀(jì)末達(dá)到了高潮,先是門捷列夫直接整出了一張化學(xué)元素周期表,像是給全體化學(xué)家開了黑。
接著,以居里夫人為代表的一票實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和化學(xué)家搶注了剩下的空缺,似乎每搶到一個(gè)都能拿個(gè)諾獎一樣。不過好景不長,后來大家都開始關(guān)注原子內(nèi)部的事情,即使發(fā)現(xiàn)了新元素,也頂多上個(gè)報(bào)紙,雜志,拿獎是不可能了。
別看化學(xué)界這么轟轟烈烈,其實(shí)物理學(xué)界也沒閑著,他們當(dāng)時(shí)正在探討一個(gè)更加終極的問題:元素到底是咋來的?
這還要從哈勃這位老朋友說起,他在觀測宇宙的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)離我們很遠(yuǎn)的星系正在越來越遠(yuǎn),意思就是,宇宙不是靜止不動的,而是正在膨脹。
于是,老爺子二話不說就發(fā)表了論文,引發(fā)了整個(gè)科學(xué)界的震驚。據(jù)說,愛因斯坦看到論文的時(shí)候都要哭了,畢竟他自己手賤給廣義相對論的動力學(xué)方程加了個(gè)常數(shù),導(dǎo)致在他自己的理論體系里,宇宙是靜止不動的。
科學(xué)家們紛紛開啟了腦洞,他們是這么想的:宇宙應(yīng)該是一直在膨脹,現(xiàn)在的樣子也應(yīng)該是以前膨脹來的,那如果把時(shí)間軸一直倒推到原點(diǎn),那最初不就是一個(gè)點(diǎn)了么?
于是,一套全新的理論被提出,也就是后來的宇宙大爆炸。
在這套理論里,宇宙是從一個(gè)奇點(diǎn)大爆炸而來,
其實(shí),這個(gè)理論還解釋了元素的產(chǎn)生,那就是宇宙中所有的元素都誕生于宇宙大爆炸,大爆炸之后宇宙中的元素含量(豐度)趨近于一個(gè)固定值,不再發(fā)生變化。
主張這個(gè)觀點(diǎn)的人就是大名鼎鼎的喬治·伽莫夫。就是寫《從一到正無窮》的那位,除了是一位杰出的科學(xué)家,還是一位了不起的科普作家。
不過這并不代表他主張的都是對的,他的理論在1938年之前,被科學(xué)界廣泛地接受,直到出現(xiàn)了恒星物理學(xué)的F4組合橫空出世,喬治·伽莫夫就被啪啪啪打臉。那究竟是咋回事呢?
話說當(dāng)時(shí)有一些科學(xué)家一直在研究'太陽的燃燒咋這么持久?“,最早有人認(rèn)為太陽是燒煤的,結(jié)果有科學(xué)家好事算了算發(fā)現(xiàn),如果太陽是個(gè)大煤球,也只夠燒3000多年的,要知道,人類自己的歷史都不止這個(gè)數(shù),這不是在逗么?
所以,科學(xué)家們開始找新的出路。
當(dāng)時(shí)有個(gè)叫漢斯·貝特以及其他兩位科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn),恒星內(nèi)部不僅有存在氫和氦,還可以形成其他元素。
漢斯·貝特
比如:碳、氮,而形成的方式就是核聚變,并且還得到了證實(shí)。這一下子就推翻了元素含量(豐度)不變的主張。
在科學(xué)史上,這個(gè)漢斯·貝特號稱是第一個(gè)知道太陽為啥會燃燒的人,據(jù)大物理學(xué)家費(fèi)曼說,這位鋼鐵直男在泡妞的時(shí)候,跟自己的女朋友說:我是第一個(gè)知道太陽咋燃燒的人。結(jié)果...他女朋友對成為第二個(gè)知道太陽是咋燃燒的人毫無興趣,直接終極了話題。
接著,1957年,有四位科學(xué)家一起在《現(xiàn)代物理評論》上提出了一篇關(guān)于恒星核合成的論文,這篇論文指出,所有比鋰元素重的元素都是在恒星的內(nèi)部產(chǎn)生的。這理論被稱為B2FH理論,之所以用這么奇怪的名字,是因?yàn)樗麄兪怯米约好值氖鬃帜竵砻@個(gè)理論的,而其中有兩個(gè)人的首字母都是B,所以就叫做B2FH理論。
B2FH
那這個(gè)理論是如何解釋重元素是咋來的呢?
他們是這么說的,大爆炸理論指出,宇宙大爆炸之后,提供了足夠多的氫和氘,恒星是在引力作用下形成的,實(shí)際上引力對恒星中心的作用可以理解成是一種壓力。所以引力越大,恒星內(nèi)部溫度就會越高,直到點(diǎn)著恒心中心的元素,產(chǎn)生核聚變。
這個(gè)時(shí)候就會開始燒氫,氫燒完就會生成氦。如果溫度夠,氦也會被點(diǎn)燃,發(fā)生核聚變,進(jìn)一步生成碳和氧。然后就這樣一步步,一直到鐵元素。為啥是到鐵呢?
我們可以粗暴地理解成,鐵核聚變反應(yīng)所需要的能量比產(chǎn)生的能量還要大,都入不敷出了,反應(yīng)當(dāng)然很難繼續(xù)下去。
我們的太陽,包括宇宙中大部分的恒星都停在了這里,最終都會成為一個(gè)實(shí)實(shí)在在的鐵球。
可是宇宙中還存在有一些恒星,要么質(zhì)量超級大(這里情況很復(fù)雜,就不細(xì)說了),結(jié)果超過了一定的極限,這個(gè)極限叫做:錢德拉塞卡極限,也就是1.44倍的太陽質(zhì)量。
錢德拉塞卡極限
超過了會咋樣呢?
因?yàn)樽陨硪?shí)在太大,合成鐵元素之后,還會繼續(xù)往中心壓縮,壓到極致的時(shí)候,就會發(fā)生超新星爆炸,這個(gè)爆炸就可以提供給鐵元素發(fā)生核聚變所需要的能量,這樣就會產(chǎn)生比鐵更重的元素。
超新星爆炸
這就是元素周期表中,那些重元素的由來。
有一種說法就認(rèn)為,地球所在的位置正好是上一代恒星發(fā)生超新星爆炸的地方,而我們地球上大量的碳元素也得益于此。
當(dāng)然,在元素世界中,還有一個(gè)物理學(xué)中最大的謎之一,那就是最大序號的元素是什么?
關(guān)于這方面的內(nèi)容,我們下期再詳細(xì)說。