尽管元素周期表已经诞生150年,人们仍然不了解很多重元素,如黄金、白金以及便携式电子产品中的稀土元素等是怎么产生的。近日,一项最新研究称,绝大部分宇宙中的金、铀和其他重元素,都是由迅速旋转的坍缩恒星产生的,这个发现就解答了上述问题。

　　事有凑巧,今年正好是门捷列夫的元素周期表诞生150周年,人类对于元素的探索历史,真是一部波澜壮阔的故事。这个新发现,也为这则故事画上了圆满的句号。

　　本报记者　王昱　　　　　　　

　　古老炼金术“美梦成真”

　　“氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖,钠镁铝硅磷,硫氯氩钾钙……”但凡初高中学过化学课的人,相信都会对元素周期表的口诀耳熟能详,不知你是否曾经好奇过,如此众多的化学元素,究竟是怎样被发现的呢?

　　说来有趣,元素是从更简单物质中“创造”出来的这个真相,其实早在人类文明的蒙昧时代,就已经被世界各个文明“预感”到了。无论东方的金木水火土“五行说”,还是西方的水火土气“四素说”,其本质都是在试图用几种有限的基本物质去解释世界的构成。这样的“自然哲学理论”很自然地让人产生了这样一种常识——既然基本物质构成是单一的,那么能不能通过增减这些基本物质的配比,将廉价的贱金属变为贵重的金银等贵金属呢?这种常识,造成了曾经在欧洲大行其道的炼金术。无数的聪明头脑曾为这个梦想而转动,即便聪明如牛顿,在其上也花费了远比研究万有引力问题多得多的时间,但他仍未将其实现。

　　讽刺的是,终结炼金术理想的恰恰是化学这门学科的出现。随着越来越多的炼金尝试的失败,人们逐渐发现构成物质中的某些东西是无法被分割的,这些物质被称为“元素”。于是人们开始不再幻想炼金,而开启了一场元素发现之旅,氧、氮、钙、钾、纳……一个又一个元素的发现似乎昭示着世界的构成,非但不是像古代自然哲学家们所设想的那样有序,反而杂乱无章,似乎毫无规律可循。对元素的研究似乎成了一门“博物学”,只需埋首寻找就可以,不需再寻什么规律。

　　然而,就在此时,门捷列夫来了,他的那张表,揭开了化学史上的新篇章。

　　门捷列夫发明元素周期表的最初动因其实很简单,1869年,身为化学教授的门捷列夫正在写一本名为《化学原理》的教科书,这本书的初衷是想将当时已发现的元素一个一个介绍个遍,然而出于教师的本能,门捷列夫意识到必须给元素分分类,这样才方便学生记忆。于是他在第一册中谈了性状极为相似的氟氯溴等卤素族。门捷列夫发现这样写确实很方便记忆,但紧接着问题来了——接下来该谈什么?是锂、钠、钾等异常活泼的碱金属?还是氦氖氩等惰性气体?爱玩桥牌的门捷列夫将当时已经发现的元素名称、原子量等写在扑克牌上,在自己的桌子上排列。排着排着,他惊奇地发现,这些元素的分布居然是有规律可循的——按照元素质量的大小,各个元素周而复始地呈现某种特性。

　　门捷列夫被这个发现所振奋,在极度兴奋中工作了一整晚,终于在天明时沉沉睡去。而在梦中,他梦见了一个表格,表格中的元素宛如音符一般整齐地排列起来。梦醒之后,门捷列夫依照梦中的构思制成一张表,这就是人类史上第一张化学元素周期表。在这个表中,周期是纵行,族是横行。在门捷列夫的周期表中,他大胆地为尚待发现的元素留出了位置,并且在其关于发现元素周期表的论文中指出:按照原子质量由小到大的顺序排列各种元素,在原子量跳跃过大的地方会有新元素被发现。

　　虽然门捷列夫的元素周期表在后世被认为是伟大的发现,但在当时,包括门捷列夫的老师在内的一些欧洲科学家,都不认可他的发现并嘲笑他。但是门捷列夫相信自己是对的。后来,他预留位置的11种元素陆续被发现,科学事实证明他的研究是正确的。

　　但美中不足的是,门捷列夫并没能解答元素为何会按照其质量呈现规律的排序,只是预言其中隐藏着重大的秘密。而他可能也始料未及的是,人类破解这个秘密的过程,居然历经了整整150年。

　　填补元素形成问题

　　的最后缺环

　　事实上,人类真正摸到门径,来解决门捷列夫的难题,要等到20世纪核物理学和宇宙学取得丰硕成果之后。研究表明,宇宙中三种最轻的元素——氢、氦和锂,都诞生于宇宙的最早时刻。当时,宇宙还是一锅温度高得难以想象的“粒子粥”,而高温度就意味着粒子的高速度,各种粒子在超高速度下互相撞击、融合,用了仅仅不到一分钟的时间,就产生了极大量的氢、少量的氦和更为稀少的锂。于是元素周期表的前三位出现了。

　　从锂到铁中间那些元素的诞生,则是太阳这样的恒星的功劳。在宇宙中,最重要的天体就是恒星,而现代核物理研究表明,恒星的本质其实就是一个个“熔炉”,它们利用核聚变将轻元素转化为重元素的过程中,释放能量并发光放热,其中氢元素聚变能量释放最多,随着原子质量的增加,聚变效率越差,而铁元素是一个临界点。聚变铁元素时,需要的能量与释放的能量平衡,而铁元素以后的元素聚变反而要吸收能量。

　　所以,铁元素也就成了恒星这个熔炉生命的终点,这其实也解释了为什么我们生活中包括铁在内的轻元素,为何远远多于重元素的原因——它们其实都是某场恒星爆炸后向宇宙散播的“炉渣”。

　　那么,比铁重的元素究竟是怎样形成的呢?关于这个问题,此前科学家们一直有构想却无具体解答——先前的研究提出了一个关键线索:“r-过程”,或称为快中子捕获过程,是在核心发生塌缩的超新星中创造富含中子且比铁重的元素的过程。换而言之,人们猜测是那些质量超级巨大的恒星死亡时产生的超新星制造了重元素。但这个理论缺乏对该过程的具体描述。

　　突破出现于2017年,借助激光干涉引力波天文台(LIGO)和“处女座”(Virgo)引力波探测器探测到的“涟漪”,天文学家发现了中子星之间的碰撞。引力波的发现使研究人员认为,大多数“r-过程”元素都是在中子星合并的“物质茧”中形成的。

　　由此,以加拿大圆周理论物理研究所科学家为首的团队,开发了一种计算机模拟的吸积盘(由弥散物质组成的、围绕中心体转动的结构,常见于绕恒星运动的盘状结构),并预测了可能会形成的塌缩。通过电脑模拟,科学家们发现,在这些吸积盘中,很多物质都围绕着新生的黑洞高速运动,运动中产生的超高温、高压是一个比恒星更高效的物质熔炉,研究人员表示,这些“物质茧”令人难以置信地热且密,在最内部区域,产生了“形成重元素,如金和铂金所需的初始条件”。研究认为,坍缩物应该产生了至少80%的重元素含量,而近20%来自中子星合并。

　　加拿大研究者最近的这个发现,有望填补元素形成问题的最后缺环——在门捷列夫发明元素周期表整整150年后,这个问题终于得到了圆满的解答。

　　时至今日,我们居然发现,古老的炼金术也美梦成真了——在浩渺无际的宇宙中,真有一些被称为“物质茧”的地方,在批量地“点铁成金”。