Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 第三篇：宇宙间的元素
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年05月22日11:00:08 星期四), 站内信件

　

    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—20Ne和
22Ne。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。

    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B2FH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。B2FH理论基本解释了尤里的宇宙间元素的分布曲线。

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