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地球之外还有未知元素?解密门捷列夫的元素周期表

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一般科学认为:身体的60%到80%是由水组成的。水就代表着氧元素和氢元素,植物中的光合作用会将二氧化碳转化为氧气。而在我们地球上,硅占了地壳总重量的一大部分。这些都是化学知识所告诉我们的。

一提到化学,就让很多人头昏眼花吧。先别担心。这次我们想帮助大家了解这个部分,并找出太空中有哪些东西是不存在于地球上的。

门捷列夫的苦难



元素周期表在一些国家也被称为门捷列夫周期表,甚至还有一些传闻说这个表是门捷列夫晚上睡觉时在梦中想出来的。不过关于做梦这个故事,其实是胡编乱造的。据说门捷列夫本人觉得这个传言深深的冒犯到了他,毕竟自己从事了20年的研究想法,却被说是在一个晚上梦里得到的。事实上,早在他之前,就已经有些人开始进行建立元素周期表的研究了。

19世纪出现了一种技术,可以通过拆分分子来测量原子。大约在这个时候,人们逐渐的明白,并非所有的物质都是一个个单独的元素,大多数物质的分子都是由单独的材料组成的,这个材料就是化学元素的原子。举个例子来说,葡萄糖的化学式是C6H12O6。也就是说,没有一种叫做葡萄糖的独立化学元素。葡萄糖是由6个碳原子、12个氢原子和6个氧原子组成的化学结构,那些原子才是独立的元素。



19世纪上半叶,纽兰兹和尚古尔多阿等杰出科学家提出了自己的元素周期率。不过,这些元素周期表有一些根本上的问题。他们根据已知元素特性的相似性,将其分成不同的组别,但却没有为往后可能发现的新元素留下空间。事实证明,还有许多人类尚未发现的元素。这一点正是门捷列夫的成就所在。他制作出一个已知元素的列表,并根据那些元素的原子质量进行排序。另外还为未知元素留出了空格。门捷列夫的表格可以根据不同的特征对元素进行分组。它最终将这个表格发展成现在的形式,也就是按周期和族对元素进行分类。新发现的元素完全符合周期表空格的部分,并且具有预期中的特性。而且当之后发现了原子核的新特性时,还是和门捷列夫的表没有任何的出入。



同位素

同位素是化学元素的变体,它们的不同之处不是原子质量或电荷,而是壳层结构。因此,虽然同位素在整体上符合标准元素的基准,但还是存在着一些差异。例如说普通的锶是一种柔软且容易融化的金属,对人类来说几乎没有什么用途。而另一方面,同位素的锶,以元素周期表上的位置来看,有38个带正电的质子和52个中子。因此锶就具有高度的放射性,并且与其他放射性元素一样非常不稳定。



例如,锶90的半衰期略少于28年。换句话说,如果我们在某个地方发现了这种同位素的样本,30年之后它会因为衰变而失去大约一半的质量。相较之下,新元素消耗的比较快。自然界中最后发现的元素是钫,这是于1939年发现的。那个时候,在已知的元素之中,核电荷最大的是钍和铀。随着人类知识的累积,空白部分被填补上,陆续发现了新的元素,人们也开始提出了疑问。铀是自然界中最重的元素。虽然铀是一种放射性元素,但与其他元素相比,它的放射性并不是很强,半衰期为数百万年至数十亿年。如果不是这样的话,地球上就不会有铀矿石的存在了。这是否意味着铀基本上处于稳定极限,即使合成了一种核电荷比铀还要高的元素,也会在几分钟或是几秒钟之内就衰变了?



起初科学家们对锕系元素的存在感到非常的兴奋,这种元素在门捷列夫的元素周期表中占据了第89至103位,铀也包括在里面。这些元素合成出的同位素可以持续存在数千年,甚至是数百万年。然而锕系元素随着原子序数越高,情况就变得越糟糕。

例如说钔有一个同位素的半衰期是51天,还有一个是28天,另外半衰期为1.5小时的同位素只有一个。其他同位素的半衰期都是一小时多一点,或者是更短。锕系元素中的最后一个元素铍的某种同位素具有11个小时的寿命,但是其他的同位素又更加不稳定。此外,铹之后的所有超铀元素都只能存在很短暂的时间。例如说目前门捷列夫元素周期表上最后一个元素是原子序数为118的oganesson,它应该是属于氦和氡等惰性气体族群,不过这个事情还没有证据来确定。这是因为,即使是寿命最长的oganesson的同位素,半衰期也只有1毫秒而已。在这么短暂的时间,根本就无法调查任何事情。

寻找未知的元素

综合刚刚说的内容,可以得出一个结论。尽管我们还有可能在宇宙中找到钍和铀,但已经没有机会再找到超铀元素了。因为这种元素衰变的速度如此之快,以至于它们在行星和小行星形成的100万年之后就不复存在了。如果能找到的话,应该会是在以下两种情况之下。

第一种情况是在另一个星球上发现了一个天然核能反应炉,200亿年前地球上曾经存在过,位置是现今的加蓬共和国。在这个地区里,聚集了铀矿床、水和其他元素等要件的特殊环境,产生了自发核分裂反应,这种状况持续了十万年之久。如果我们能够发现并研究太阳系外行星上的现代版天然核能反应炉,也许就能够在其副作用上检测到一些超铀元素,不过不要抱有太高的希望。我们不太可能获得一种特别稳定的同位素,并将它带回地球进行研究的。



第二种情况就更加有趣了。那就是超新星。当超新星爆炸的时候,会合成重元素,其中也包括短寿命的元素。这里的关键是在正确的时间出现在正确的地点,必须要在大灾难引起的火焰,超出人类极限的辐射、重力甚至空间条件下存活下来才行。然而,超新星爆炸仍然是宇宙中最具破坏性的灾难。无论是宇宙中最稳定、耐久力最强的行星,也可能无法生存下来。即使在不久的将来,我们有足够高的技术建造出能够到达遥远恒星的宇宙飞船,但也找不到那些行星吧。



不过太空仍然是一个神秘的地方,化学元素的数量确实是有限的,但是同位素和化合物却没有的极却没有极限。这就是为什么我们要继续挑战遥远星系和期待新的发现。

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