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為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

科學 星辰大海路上的種花家

事實上自然界中還有兩種比鈾重元素能長期存在分別是93號元素鎿和94號元素鈈,但兩者都是微量存在,因此如果有人告訴你自然界中最重的元素是鈾,也不是沒有道理,畢竟只有鈾才是大量存在的!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

為什麼最重的元素前面需要加個穩定存在?

一般我們在查最重的元素時,前面都會有一個描述用的“穩定存在”,難道元素還能變了不成?事實上元素還真的會變成另外一種元素,而且連天王老子都無法約束它,即使你將它放在全世界牢固的保險箱中,過陣子它就慢慢變成另外一種元素了!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

從輕元素到重元素,從重元素到輕元素

物質是由原子構成的,而構成原子的則有中子和質子以及電子,區分元素的主要參數是質子的數量,多少個質子就是多少序號的元素,中子的多少則只決定這種元素是哪號同位素,而電子則和質子數一起決定元素的化學屬性!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

質子帶正電,電子帶負電,中子不帶電;原子是電中性的,因此有多少個質子就會有多少個核外電子中和!能讓質子和中子待在一起的是強作用力,強作用力能讓質子克服電磁斥力結合在一起,而中子則在中間起到了調和作用。

氫元素到重元素

輕元素可以通過幾種手段變成重元素,第一種是聚變,太陽最初的核聚變模式就是兩個氕原子核(質子)通過量子隧穿效應聚變成氘,再由氘和氕聚變氦!另一種則是通過中子俘獲再經β衰變稱質子,使得元素序號再增加一號!在紅巨星的內部經常發生滿中子俘獲,超新星內部則發生快中子俘獲,但元素序號增加的原理是一樣的!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

聚變的質子反應鏈

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中子捕獲生成重元素

重元素到輕元素

重元素也可以通過衰變和裂變變成氫元素,比如鈾-235(大部分核反應堆中的核燃料)可以通過α衰變成釷-231,因為α衰變跑出去的是一顆氦原子核,兩個質子+兩個中子,因此原子序數-2,成了90號元素釷!

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還有一種途徑是裂變,鈾-235受到熱種子撞擊時會產生裂變,產物是鋇-141和氪-92,當然這些元素還會繼續衰變,如下圖:

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當然還會跑出多餘的2-3箇中子,這幾個中子又會禍害別的鈾原子,因此鏈式反應就發生了!但很多時候由於鈾的質量不夠,還沒有撞擊到第二個鈾原子之前就飛到了鈾塊外了,所以必須要足夠大的鈾塊才能保證在飛出前撞擊到,這就是鈾的臨界質量!

為什麼元素會變來變去?

聚變似乎比較容易理解,畢竟強作用力是宇宙中最強大的力量,因此只要靠得足夠近,就能讓原子核結合形成新的重元素!但重元素為什麼會裂變可能就想不通了,因為強作用力力量那麼強大,原子核中的質子和中子越多,合力不是越大嗎?

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

其實這裡有一個問題,質子和質子都帶正電荷,它們之間有電磁斥力(庫倫斥力),而且電磁力屬於長程力,在原子核內可以疊加,但強作用力卻不行,它的範圍很小,因此當原子核越來越大時的表現就會不穩定,強作用力無法約束住蠢蠢欲動的原子核內各個中子和質子!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

上圖是原子核滴線,總共有三種原子核,分別為黑色的穩定核、不穩定核以及理論預言核,這些的區別是穩定核不會發生裂變,也不會發生衰變,但中子捕獲不在此列,不穩定核會衰變或者裂變,理論預言則是可能存在的原子核!

穩定島

當原子核中的質子或中子數為幻數或者兩者均為幻數時,原子核特別穩定!已經發現的幻數有2、8、20、28、50、82、126,對應的元素分別為氦、氧、鈣、鎳、錫、鉛,但126號元素一直未能發現,到現在為止,也僅僅到了118號元素!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

宇宙中還有比鈾更重的元素嗎?

其實地球上就有比自然界更重的元素,只是這些元素非常不穩定,從93號鎿的百萬年年到97號錇的千年,再到100號元素鐨的百天內,之後就是分鐘,秒,最後到118號元素Og的毫秒級別,你會發現,半衰期是幾何計算減少的!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

除了100號元素鐨還可以通過俘獲中子大量生產外,之後的元素僅僅只能供科學研究,即使生產出來也無法長時間存在!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

氣奧-294同位素的衰變途徑和衰變能量以及平均半衰期。綠色數字為進行自發裂變的原子比率。

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

117號元素的衰變鏈

所以這些玩意兒即使在宇宙中某個星球上大量存在,它也會默默的變成衰變鏈上的其它元素,最後則變成穩定的,地球上也存在的元素,想要控制它衰變也可以,比如比較特殊的電子俘獲放射性衰變模式可以通過激發或使原子的電子形成與原子核重疊較少的狀態,可以延長半衰期,但這個時間增加的級別僅僅在1%的比例以下!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

除了將改變化學鍵外,俘獲電子的衰變還可以通過剝離電子成為離子的模式來永久改變,比如銣-83可以通過剝離所有電子而永不衰變,但對於α粒子的衰變就無能為力了!或者你將這種放射性元素放到一個光速飛行的飛船中,過了100年回到地球,它就像剛出發的那樣!除了這幾個方法外就很難找出別的方式了!

宇宙中真的沒有更重的穩定元素了嗎?

其實宇宙中真還有這種元素,但也可以說沒有!為什麼會有這種奇葩的答案?在我們的元素區隔的標準中,質子數是區分元素類別的唯一標準,中子則是同位素!所以大量的質子和中子集合在一起又不穩定!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

但宇宙中有一個地方卻是穩定存在的,那就是中子星!它是恆星在超新星爆發中形成的,物質的引力坍縮超過了電子簡併態所能提供的支撐,直接將電子壓入了原子核,和質子中和成了中子!但中子簡併態抵抗住了引力坍縮,中子星就是處在了這種穩定的模式下!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

但這種大量中子的集合,只能算是0號元素!但這種0號元素卻只能穩定存在於中子星上,一旦它失去了這種條件,比如弄一塊中子星物質到地球上來,中子就會開始衰變,它會通過“β衰變”釋放一個電子和一個反中微子,然後轉變為質子,自由中子的壽命大約是15分鐘。

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

質子和中子的某種組合能構成穩定物質,所以這塊物質的各個團塊會在重元素的某處停止衰變,產生黃金的比例是極高的,再不濟也是各種貴金屬!但很可惜這塊物質的質量極大,衰變會釋放出巨大的能量,甚至可能將地球給炸裂了!

為什麼自然界中最重的元素是鈾?宇宙中沒有比鈾更重的元素嗎?

比中子星更NB的物質,那就是突破了中子簡併力,但仍然在夸克簡併態支撐下的物質,但這種知識理論上存在的夸克星,之後更大質量的坍縮就是黑洞,到此時已經沒法說元素了,因為坍縮稱了一個奇點,無法用元素來形容!

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