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为什么地球上几乎找不到第43号元素?

新浪科技综合2021-06-08 10:40:140阅

源自Forbes宇宙大爆炸专栏,作者Ethan Siegel

翻译:毛明远

本文转自牧夫天文

整个元素周期表中仅有氢和氦来自宇宙大爆炸,其它的所有元素均形成于恒星。

-恒星核聚变将轻元素变为更重的元素

-超新星爆发产生更重的元素

-更暴力的宇宙现象,比如中子星合并,会产生最重的元素

-还有就是恒星遗迹中的星云物质发生衰变,或遭遇高能宇宙射线轰击后变为其它元素

X射线和可见光影像合成

Credit:X-ray: NASA/CXC/SAO/D.Patnaude, Optical: DSS, via http://chandra.harvard.edu/photo/2012/kepler/。

上述理化过程丰富了宇宙的物质,它们发生在宇宙演化的每一个阶段,而这些不断变化中的物质构成了整个宇宙:星云、恒星和行星等,也包括我们人类所处的太阳系。我们生机勃勃的世界中超过90%的物质源自恒星,这里所指的恒星并不是现在的太阳,而是前几代演化过程中的恒星。

但是,当我们检视元素周期表,我们的世界中竟然缺少第43号元素锝。它是一种密度和铅相似的灰色闪亮金属,熔点超过3000华氏度。

太阳系元素丰度分布图

Credit:Image credit: Wikimedia Commons user 28bytes, under a CC-BY-SA-3.0, with annotations added by E。 Siegel。

太阳系没有锝的原因是:所有锝的同位素均是放射衰变物质,其中半衰期最长的也只有几百万年。如果早期地球曾经有过一定量的锝,但40亿年过去了,地球上基本找不到锝。但事实上,有种情况会有锝产生,理论上铀矿中物质衰变会有微量的锝产生。估计每克铀能够产生1皮克(10^-12 g)锝。(译者注:然而自然界的铀元素半衰期又极长,几种同位素中丰度最高的铀238半衰期长达44.7亿年)

天然铀矿石

Image credit: Andrew Silver, USGS, via Wikimedia Commons, of naturally occurring Uranium Ore, composed of one-trillionth Technetium。

当然,人类有手段制造锝,方法一是利用核裂变;方法二是粒子加速器轰击。现实中我们人类还将一种制备出的锝同位素用于医疗。虽然现在地球自然环境中几乎找不到锝,但恒星可以产生锝,产生锝的过程并不是开篇列举的四大方式,而是通过在某种类型的恒星上较稳定的S过程-慢中子捕获中产生的。

几个典型恒星的年龄和大小,横轴十亿年计

Image credit: European Southern Observatory (ESO)/M。 Kornmesser, via http://www.eso.org/public/images/eso1337a/。

巨星让氦聚变碳13或氖22时会产生自由的中子。我们的太阳终将有一天变为巨星,体积扩大超过现在的100倍。这时就会发生上述作用,额外的中子与内部的重元素作用,向着元素周期表上行。这一过程并不快,但特定阶段下锝的丰度还是会达到一定程度。这一类恒星我们又称其为锝星,我们可以通过光谱分析来确定它,此类恒星的亮度非常高。

太阳和红巨星对比

Image credit: European Southern Observatory (ESO), via http://www.eso.org/public/images/eso0729a/。

现实中,这种慢中子捕获过程会构建铁元素以上的重元素,直至铅和铋元素,但正如上文所述锝的情况比较特殊,我们只能在这样的巨星中观测到。此外,在恒星内核区域形成的锝还要出现在外层后,我们才会观测到。科学家在20世纪30年代就通过实验室制造出锝,但直至1952年才在巨星中观测到锝。

有趣的是一方面在巨星阶段下逐步产生锝,恒星终结的时候会通过爆发将包括锝这样的物质散布到周围,形成行星状星云,尔后继续演化成下一代的恒星和行星;另一方面是锝的半衰期较短,几百万年时间后绝大部分锝就变为了其它元素。

星云

Images credit: NASA / ESA and the Hubble Space Telescope, via hubblesite.org at http://hubblesite.org/hubble_discoveries/10th/photos/slide27.shtml。

新一代的恒星和行星形成之时,锝早已经消失了。目前科学家甚至没有在行星状星云中发现过锝。如果非要在自然条件下获取锝,一种方式是前文描述过的足够量的合适的衰变;另一种就是待到太阳巨星绚烂之时!

人造锝

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