中子星密度達百萬億噸,這是什麼元素?是否表示宇宙還有未知元素

我們已知的元素總共有118號,一般我們認為自然界中能長期存在的元素是92號鈾之前(包含鈾)的元素,之後則有與半衰期以及自然狀態下沒有生成機制,需要人工合成,元素序號越高,它的半衰期也越短,到了118號元素,半衰期只有12毫秒,它的存在時間極短。什麼才是區分元素的標準?

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元素的種類是由什麼決定的?

我們經常聽到的是幾號元素,其實這個元素的區分標準就隱藏在這個幾號這個數字中!我們知道,某種元素就是某種元素的原子組成的,而決定原子種類的就是處在原子中間的原子核,那麼原子核是什麼組成的呢?

質子和中子

質子在所有元素中都存在,而中子卻不一定,比如氫的同位素氕它就沒有中子,只有一個質子+一個電子,最簡單的結構構成了宇宙中最豐富的元素,從氕以後,所有的元素都會有中子的存在,質子和中子在原子核中的分工是不同的:

質子數的多少決定了元素的類別中子數的多少決定了元素同位素的類別

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比如氫的同位素氘有一箇中子,氚則有兩個中子,氕氘氚這三種同位素化學屬性幾乎就相同,但物理屬性卻大相徑庭,比如氕的很難達到聚變條件,而氘和氚則很容易,氕和氧構成的水就是我們常見的水,而氘和氧也能生成水,但卻是重水。

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重水和普通水非常相似,都是無色無臭的液體,但密度略大,冰點也略高,化學性質幾乎一樣,但普通水是生命之源,重水卻可能會引起死亡。但重水可以作為裂變反應堆中的中子減速劑。

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當質子數增加時則元素需要會相應增加,比如兩個質子的氦,三個質子的鋰,四個質子的鈹,只要你願意,可以對著元素週期表念個一兩分鐘。

為什麼元素序號高了會不穩定?

粘合原子核中的質子和中子之間的作用力是強力,它的特性非常有趣,我們先來看看四種基本作用力:

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在質子與種子的度下,引力就不用考慮了,弱力也太弱,只有強力和電磁力兩種可以在這裡發生作用,強力有一個特徵,太近和稍遠都不行,只有剛剛好它的作用力才最強,因此它有一個作用範圍,而電磁力則不然,屬於長程力,它可以無限疊加,這會發生一個有趣的結果:

強作用力盡管很強大,但能穩定束縛的質子數也是有限的質子都帶正電荷,在強作用力打瞌睡的時庫倫斥力就開始作用了,結果就是α衰變,原子核強力束縛不住,有部分質子和中子跑出來了,比如地球上存在的氦元素大都是鈾和釷的α衰變產生。中子的存在會調和這個矛盾,因為不帶電荷,只提供強作用力。但中子多了會有β衰變的機率。α衰變,元素的原子序數會-2,β衰變則原子序數會+1,因為中子衰變成了質子,多了一個質子,原子序數自然就增加一號了,這也是重元素的產生機制之一。

中子星上的超重物質是什麼元素?

既然聊到了中子星,那麼簡單說說中子星物質的結構,我們都知道原子中存在巨大的空間,因此這也就是物質可以極度壓縮的原理,但請注意這顆不是普通的壓縮空氣之類的概念,那個是真實壓縮了分子之間的間隙而已,而原子內部空間的壓縮則只有真正到了白矮星級別才能算得上壓縮。

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但白矮星有質量有限,只是將外圍電子壓縮到了原子核附近,但在電子簡併力的支撐下引力並沒有突破最後一刻,但能誕生中子星的天體引力非同尋常,突破了電子簡併力,將電子壓入了原子核,和質子中和成了中子,簡單的理解:中子星的物質就是一堆中子構成的!它的密度就是原子核的密度,每立方厘米高達百億噸(白矮星則遜色不少)!

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前文說明了質子數才是元素種類區分的標準,那麼只有中子沒有質子的物質是什麼?有一種0號元素的說法也許是最合適的是,那麼在地球上存在這種只有中子的物質無嗎?

答案是有

它廣泛存在於裂變發生過程中,自由中子就是這種傳說中的物質,但它不能長時間存在,它會透過弱作用放出一個電子和一個反中微子後衰變為質子,平均壽命為896秒。也就是說0號元素無法長期存在,它會透過β衰變成為1號元素氫原子核。隨後則會透過捕獲電子正式成為氫原子,因此核反應堆中的微量氫就是這樣來的,當然這並不是氫累積的原因,因為自由中子都是非常寶貴的,要將它減速更多地參與到核反應中來,或者讓它轟擊鋰6生產氚,或者轟擊U238生產鈽,你說這自由中子這麼寶貴,還讓它衰變?氫的主要來源是核燃料外殼中鋯金屬元素在高溫下分解水所致。

因此我們認為中子星物質並非是我們所不認識的新元素,而是地球上的條件無法長期存在這種物質,當然也並不是說宇宙中就沒有新元素的生成條件,只是可能無法長期存在或者自然界難以存在這種元素的生成條件。但相信我們無法排除存在這種可能。

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