打开原子的大门-第20章

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有待天文学家们进一步观察研究。
　　宇宙是有限还是无限的呢？是无限的。我们目前用哈勃望远镜已经观测到120亿光年远的天体！但这只是我们目前认识的前缘，并不是宇宙的极限。在我们的宇宙体系外肯定还有别的宇宙体系。正像古代哲学家说的：宇宙是大小相含，无穷无尽，宇宙之外还会有更大的体系。只是目前我们的认识暂时还难以达到而已。
下编　元素的诞生
（二）
地球为什么有这么多种元素？
　　打开元素周期表，可以看到，我们居住的地球上现已发现有110种化学元素；而且科学家们还在研制人造重元素。可是，大家也都知道，太阳主要是由氢这种元素组成的。为什么地球有这么多的元素呢？
　　原来，万物都在运动、变化，都有自己的起源和演化规律，构成宇宙万物的各种元素也不例外。的确，在地球现今的条件下，我们还没有看到铁演化成金的过程。但是，一些放射性元素如铀、钍等，确实正在不断蜕变为铅。人们不禁要问：再经过一段长时间，铀、钍等放射性元素既然都会变成铅而消失，那在此以前，这些重元素又是如何产生的呢？这就是元素的起源和演化问题。这个问题和天体的起源和演化密切相关，同样是科学家们探索的重大问题。
　　早在1886年，英国著名科学家克鲁克斯曾发表了一篇论文《元素的产生》，提出：所有的元素都是由一种原始物质逐渐凝聚成的，这种在元素产生以前就存在的物质名叫“Protyl”。此后，人们关于放射性、核反应、核能的发现，使得人们对元素的认识更深了一步。但真要解决问题，只有跳出地球，到大宇宙去研究才有可能。也就是说，先要解答宇宙间的元素是从哪里来的。
　　　尤里先生和宇宙化学
　　尤里先生是美国人，谈到他总是把他和重氢的发现联系在一起。
　　前面我们已经讲过，老汤姆逊是怎么样称量原子核的，并且和他的学生阿斯顿一起发现空气中的氖有两种不同质量的原子，也就是说氖有两种同位素——　20　Ne和　22　Ne。后来阿斯顿又制成了质谱仪——称量原子和分子质量的仪器，发现大多数元素都有几种同位素。
　　但是，最轻的元素——氢有没有同位素呢？许多科学家都在找，但是一直没有找到。玻尔的学生尤里1931年底在蒸发了大量液体氢之后，把残留的液体氢用光谱检测，终于发现了原子核质量数为2的氢的同位素。因为这个同位素太重要了，所以得到单独的命名和符号，那就是氘（符号为D，音刀）。1934年，卢瑟福又人工制造了氢的质量数为3的放射性同位素，它也得到单独的命名和符号，那就是氚（符号为T，音川）。人们通常把氘叫做重氢，而把氚叫做超重氢，相应的氘和氧化合生成的水就名叫重水（分子式为D＇＇＇2　O）。
　　由于发现了重氢，尤里在1934年获得诺贝尔化学奖，当时他仅仅41岁。他所以能发现重氢，是利用了在波尔那里学来的知识，首先计算出原子核质量数为2的氢的同位素的原子光谱谱线的位置（谱线的波长），又参考了老汤姆逊和他的学生阿斯顿一起验证空气中的氖有两种同位素的实验方法，终于获得了成功。
　　重氢和重水是发展原子能事业的重要材料，1933年尤里在美国的老师路易斯利用电解水的方法得到了第一小滴纯重水，并且测定重水的密度是1。108，沸点是101。42℃。1934年挪威利用廉价的电力建成世界第一座重水工厂。二次世界大战期间，美国研制原子弹，尤里是重要的科学顾问，负责铀…235的分离和重水的工业生产。
　　第二次世界大战后，尤里转而研究宇宙化学。他对半个多世纪以来科学家们积累的关于地球、陨石、太阳、恒星、星云等各种宇宙体的元素和同位素分布的资料，进行了统计分析并于1951年第一次发表了元素在宇宙间的分布数据，1956年进一步修订后，作了一张元素在宇宙间的分布曲线图。这张图是以宇宙间元素的同位素的相对含量为纵坐标，以核的质量数为横坐标画出来的。概括地说，氢最多，氦次之，再次为碳、氮、氧，并且随相对原子质量的增加而迅速减少，但到了铁时有一个突然增多，而比铁更重的元素则又是逐渐减少。
　　这样，就进一步发展了元素起源和宇宙学理论。
　　　宇宙间的元素是从哪里来的？
　　尤里的宇宙元素相对含量分布图，和前面讲的恒星的光谱…光度图一样，对宇宙学的研究工作十分重要。科学家们必须对我们观测到的现在宇宙的元素分布作出科学的解释，还要说明其演化过程。
　　宇宙间元素的分布规律又与天体的演化态有关。一般说来，在早期形成的星中，金属／氢的比值很小，而年老的星这个比值则增大，在超新星爆发时，会生成放射性元素，甚至还发现有超铀元素。于是，元素的演化又成了宇宙学家研究的课题，他们先后提出了平衡过程假说，中子俘获假说，聚中子裂变假说等，但都难以圆满解释现有宇宙中元素分布的规律。成功的是1957年提出的恒星中生成元素的假说（这个假说由Burbidge夫妇、Fowler和Hoyle共同提出，所以简称B　2　FH学说），这个假说也是建立在大爆炸宇宙学的基础上的。
　　这个假说认为随着恒星的形成、演化和衰亡的过程，在恒星的核心分阶段地生成了由轻到重的各种元素。B　2　FH理论基本解释了尤里的宇宙间元素的分布曲线。
　　　大爆炸
　　现代宇宙学认为：原始宇宙是完全由中子组成的非常炽热、非常稠密的大火球。后来，宇宙开始膨胀并变冷，这时中子蜕变为质子和电子。这种由中子、质子和电子组成的原始物质名叫“太素”（Yelm）。
　　当原始宇宙温度下降到10　9　～10　10　K时，原始物质开始结合成氘和氦（当然绝大部分还是氢），这是原始的星际物质。根据B　2　FH理论，原始的星际物质靠引力收缩形成一些团块——原始恒星，同时内部温度逐渐升高，当恒星内部温度升到7×10　6　K以上时，氢的核聚变开始，核反应的辐射膨胀与恒星的引力收缩相抵制，恒星发光并进入相对稳定状态，这时恒星内部的核聚变有质子…质子循环和碳…氮循环两种。这是恒星氢燃烧阶段，一般可稳定进行100万～100亿年。我们的太阳已进行了约46亿年，估计还将继续50亿年。这一阶段在恒星核心生成氦，同时还有一些碳、氮、氧等元素的形成。
　　当恒星核心的氢全部转为氦（约占恒星总质量10％～15％）时核反应停止，引力收缩占优势，结果使核心温度上升，恒星外壳膨胀，变成红巨星。当核心温度升高到10　8　K，密度也骤增，开始了新的核反应——氦燃烧。这时恒星变成脉动变星（这类恒星有规律的膨胀和收缩像脉搏一样）。氦燃烧主要是三个氦原子核结合成碳核的聚变反应，然后再生成氧。
　　如果恒星足够大，那么还将继续收缩升温，发生碳和氧燃烧（聚变）过程，生成硅、钙等元素。更进一步则是硅燃烧（又名α过程），其核反应机理是硅核光解生成高能α粒子，α粒子又与别的核结合生成铁族元素。当恒星演化到这个阶段，核心的温度可以增高到4×10　9　K，这就使核达到统计平均状态，生成元素周期表上铁附近的多种元素。这个过程是e过程（平衡过程），结果是生成铁质核心。到这时，恒星就进入风烛残年了。
　　据B　2　FH理论，比镍更重的元素不能靠聚变反应生成，而是由一些重元素核在恒星中连续俘获中子形成的。在大质量恒星（质量达到8～20个太阳质量）演化的末期，核心温度可以高达4×10　9　K，铁会转为氦和中子，大量吸热，使核心处于爆缩状态，随之是超新星爆发。这时强密度中子流会陆续击人元素核中生成铀、钍，甚至超铀元素和超重元素。
　　　恒星的生与死
　　根据爱因斯坦在20年代初提出的质能转化关系，贝特等在30年代末提出氢聚变为氦的热核反应是太阳发光发热的能源。通过对太阳内部结构的研究和分析，天文学家们进一步研究了恒星的能源和演化的关系。于是就产生了核天体物理学这样的一个天文学分支。由于恒星形成时的质量不同，发的光（能量）也不同。恒星越大发光越强烈（表面温度也高），在主星序内停留阶段也短，反而是质量小的恒星，能量消耗少，稳定发光的时间要更长。一般说来，高光度、大质量的O和B型星在主星序上停留只有几百万年、几千万年，而低光度、小质量的K和M型星则可以稳定发光长达几千亿年、几万亿年之久。太阳是G型星，据计算在主星序阶段可以停留100亿年左右，如今已过了50亿年，即已达到中年，估计还能维持50亿年或更长的寿命才进入晚年。
　　当恒星核心中氢的含量消耗到只剩1％～2％时，能量供应不足抵住引力，恒星开始收缩。收缩使核心温度进一步增高，这时恒星核心边层开始发生氢转变为氦的核反应，使得恒星外层温度增高而膨胀变成红巨星。而内部核心的温度升得更高，引发了氦的聚变，这时恒星会发生周期性的膨胀和收缩。
　　更进一步的情况是，小质量的恒星，因能源耗尽而收缩成红矮星。大质量的恒星，因引力收缩，使热核反应不断升级直到生成铁的核心。这时恒星的核心再进一步坍缩，外层就会爆发成为“新星”或“超新星”（“新”只是我们似乎观察测到一个新的星，而实际上是个快要老死的星），而其核心则变成为密度极大的白矮星或中子星。也有的爆发后就完全散开到宇宙空间去了。
　　例如，公元1054年在金牛座的超新星爆发，在我国的史书中有详细的记载。在今天我们还可以看到爆发时抛出的蟹状星云，和一颗中心遗留的中子星。新星和超新星爆发可以说是恒星晚年的回光返照。但这决不是一般的回光，一颗超新星爆发时光度可以达到10　7　～10　10　个太阳的光度（相当于整个星系的光度），即光度突然增大千万倍甚至上亿倍，同时放出极大的能量。这是恒星世界中已知最为激烈的爆炸，而爆炸得到的产物是比铁更重的元素，直到超铀元素。
　　根据爱因斯坦广义相对论还预言了一种特殊的天体——黑洞。1939年奥本海默等作过计算，认为星球有可能坍缩到它的引力半径之内（引力半径r＇＇＇g　＝2GM／c　2　，式中G为万有引力常数，c为光速，M为恒星质量。对于晚期高密度的恒星来说，当恒星质量超过引力半径公式给定的M值时，就会形成黑洞。也就是说连光线也不能从黑洞中逃逸出来，这样外界就无法再观察到它了。黑洞也是恒星终极的产物，天文学家们极力设法找寻黑洞，首先在双星体系内寻找黑洞。天文学家们描绘了这样的图景，黑洞天体不断地把它的伴星的物质像长虹吸水一样的吞噬着，它们也许最终会合并成一个黑洞。
　　一般说来，恒星是由低密度的星际物质凝缩而成，这是形成恒星的原料——原始星云，质量大约是几十个乃至一万多个太阳的质量。在凝缩过程的同时，不仅密度不断增加，而且核心温度也不断增加，辐射压力和引力相互较量之后，终于平稳地收缩成原恒星。在这过程中，原恒星的核心温度继续增大，增大到700万度