世間萬物都是由形形色色的元素組合,時至今日,我們在地球上已經發現了118種元素(其中有92種是天然元素,其他的則是人工元素)。我們都知道,地球只能算是宇宙中的一粒塵埃,這不禁令人疑惑,宇宙那麼大,地球上是否集齊了宇宙中的所有元素?有沒有某些元素只有在外星球才有,而在地球上卻沒有?今天我們就來講一講。
原子是由核子(中子和質子)組成的原子核以及圍繞著原子核運動的電子構成,決定某個原子的元素種類的,是這個原子核內的質子數量,比如說氫的原子核只有一個質子,它就是元素週期表上的1號元素,而氦的原子核內有兩個質子,它就是元素週期表上的2號元素,其他的元素依此類推。
理論上來講,只要不停地把質子組合起來,就可以創造出越來越重的元素,但宇宙中的物理規則卻對此作出了限制。在有多個質子的原子核的內部,一直存在著兩種基本力的較量,一方是宇宙中最強大的基本力——強相互作用力,它的目的是將原子核內的核子束縛在一起,另一方則是排名第二的基本力——電磁力,它的目的則是將原子核內的質子分開(質子都帶正電,因此互相排斥)。
雖然強相互作用力比電磁力強大得多,但是這種力有一個弱點,那就是作用範圍太短,只有 10^-15 到10^-10 米,強相互作用力的這個弱點正是電磁力的強項,因為它是長程力,並且可以無限疊加。
我們可以看到,儘管強相互作用力的強度比電磁力要大得多,但如果原子核內的質子達到一定的數量,它們之間的排斥力就會疊加到強相互作用力無法束縛的程度,在這種情況下的原子核就會變得很不穩定,從而發生衰變,比如說α衰變就是原子核內釋放出由兩個質子和兩個中子構成的α粒子,在此之後原子序數減2。
由此可見,一個原子的原子核內的質子數量越多,這個原子就越不穩定,雖然在原子核內有中子可以充當質子與質子之間的“緩衝單位”,但是當原子核內的質子數量超過臨界點時,這個原子還是會不可避免地發生衰變,這就是地球上只有92種天然元素的原因。
宇宙雖然很大,但是宇宙中的物理規則都是一樣的,從這方面來講,我們可以認為,地球上的確是集齊了宇宙中的所有元素,並不會出現“某些元素只有在外星球才有,而在地球上卻沒有”這種情況。
科學家對宇宙的觀測資料也證明了這個推論的正確性,我們觀測到來自某個外星球的星光,其本質是構成這個外星球的原子吸收了能量進入激發態,然後在之後的退激過程中向外釋放的電磁波。在這個過程中,不同元素種類的原子,所發出的電磁波的波長都各不相同,根據這種現象,科學家就能夠通過對某個外星球的光譜進行分析,從而知道這個外星球所包含的元素種類以及丰度。
現在的觀測結果是,迄今為止,在對宇宙進行的所有觀測活動中,科學家都沒有在宇宙中發現任何地球上所沒有的元素。看上去浩淼又神祕的宇宙,居然也和地球一樣由同樣的元素組成,這實在是一件有意思的事情,你覺得呢?