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永不停息的融合

门捷列夫临终前,听说了这件他最不愿意相信的事:原子是由更微小的微粒构成,其中至少存在一些带负电荷的电子,还有一个带有正电荷的原子核。

他之所以不愿相信,是因为一旦存在这种可能性,他所建立的元素周期律,很可能就要崩塌。那是他一生中最为得意的作品,他不想就这样放弃。

然而,事实证明,门捷列夫多虑了,元素的周期律恰恰源于它更精细的内部结构,我们还会在后面谈及此事。而且,这样的新发现也不会削弱门捷列夫的历史地位,只会让人更加感到他寻找自然规律的本领不可思议——在没有发现原子的结构前,他居然只靠草稿纸上计算的数据就推断出了如此精妙的自然规律。

在所有原子中,最微小的氢原子我们已经见识过,它由一个质子还有一个电子组成,结构非常简单,质子便是它的原子核。

然而,在宇宙大爆炸后不久,质子和中子“抱”在一起的那个结合体,它的化学特性居然也和只有一个质子的氢原子非常相似,看起来属于同一种元素。电子比质子小得多,在原子质量中可以不去考虑,可是中子的质量和质子差不多,一个质子加上一个中子之后,原子的质量就翻倍了。按照门捷列夫的观点,原子质量决定元素的特性,这两种物质的重量相差一倍,它们的特性应当大相径庭,怎么还会有这样相似的结果呢?

类似的情况还有很多,因此科学家们在门捷列夫的研究基础上又开展了很多实验,终于认定:元素的性质和原子核中的质子数量有关,和中子的关系不大,和原子量之间自然也就没多少关系了。只不过,质子越多的原子核通常中子也更多,原子的质量相应也会更大。所以,对于绝大部分元素来说,门捷列夫猜测的依据都奏效了。这既是一种有些巧合的自然规律,也是我们人类的幸运——否则我们还要再等待更久的时间才能迎来那个发现元素周期律的人。1906年,诺贝尔奖委员会拟将化学奖授予门捷列夫,但遭到瑞典皇家科学院个别科学家的强烈反对。次年2月,门捷列夫与世长辞,成为诺贝尔奖史上一大遗憾。

随着天然放射性现象(1896年)和同位素(1910年)的相继发现,人类对原子结构的认识更进一步;还有人工合成元素的进展,它们又使元素周期表得到不断被丰富和发展。

不管怎么说,我们现在已经确信,当原子核中只有一个质子时,它就属于氢元素。反过来,构成原子核的,除了这个质子以外,可以什么都没有,但也可以有一个中子。为了区分这两种氢,没有中子的一种被称为氕,有一个中子的则被称为氘。在宇宙之中,充斥着大量的氕和氘。

实际上,除了氕和氘以外,氢原子还有第三种形式,就是由一个质子和两个中子构成,被称为氚。氕、氘、氚在汉字中的写法,就已经形象地标明了它们的内部结构。因为它们都属于氢这一种元素,原子序数相同,在元素周期表上占据着同一个位置,只是中子的数量和质量数不同,且化学性质几乎相同,所以它们就是氢的三种“同位素”。不过,氚并不会很稳定地存在,所以宇宙中的氢原子,主要还是由氕和氘这两种同位素构成。绝大多数元素都有多种同位素。

在宇宙中出现了大批的氢原子以后,因为各种引力的关系,它们就团簇在一起,形成大片的尘埃云。此时,原子之间会发生非常复杂的相互作用,其中有一些作用,我们还会在后面的章节中了解到。

这些以氢原子为主构成的巨大云团,在蓄积到一定体量的时候,就会开始坍塌。所谓坍塌,就好比我们嚼着口香糖吹起一个泡泡,泡泡破了以后,口香糖就会立即收缩,糊在嘴唇上。只不过,造成氢云团坍塌的原因,是那个让牛顿想破了脑袋的“万有引力”,它吸引着云团外围的原子向着中央飞去。

坍塌的云团让原子之间的距离越来越小,打破了原有的平衡。紧靠在一起的氢原子会相互摩擦,产生热量,以至于它们的温度越来越高。高温会让它们再次失去捕获的电子,成为孤独的氢原子核,同时不断的挤压又会让原子核之间的距离靠得越来越近。

如果不是这样极端的环境,很难想象如此多的氢原子核会相互紧挨,它们自身携带的正电荷本应该让它们之间同性相斥。挤在一起的氢原子核靠得实在太近,它们相互撞击,终于在条件合适的时候,再一次引发了爆炸。比起宇宙大爆炸来说,这样的爆炸虽然规模小得多,却也足够绚烂——第一批恒星正是因此而被点亮。

核聚变机理

在恒星内部的爆炸中,氢的原子核——主要还是氕和氘——会发生融合,这个轻原子核聚合为较重原子核的过程就被称为核聚变。聚变的同时将发出巨大的能量。它们的聚合方式十分多样,例如,一个氕和一个氘,它们就可能发生非常简单的核聚变过程,直接融合在一起,从而得到有两个质子和一个中子的原子核。有两个质子的原子属于氦元素,所以这是氦的一种同位素。只不过,氦元素不像氢那样受到特殊优待,人们并没有给它的同位素赋予各自的名称,一般就用氦-3称呼这种同位素,其中3代表的是同位素中质子与中子数之和。

这种氦-3还会和氘继续发生核聚变,产生氦-4,也就是包含两个质子和两个中子的原子核,剩余的那个质子——也就是氕核,又会接着和其他原子核相撞。将氢的同位素氘与氚的原子核无限接近,在特定条件下可使其发生聚变而形成氦核,同时放出一个中子,就能释放出巨大的能量。

宇宙大爆炸初期产生的原子核种类还有好几种,除了氢以外,还有少量的氦,以及拥有3个质子但也更微量的锂元素,它们都会参与核聚变过程中。

就这样,原子核不断地撞击聚合,形成了新原子核,总质量会有些许降低。而我们将在第5章说到的爱因斯坦质能反应方程式,在这里也一样适用,因此在核聚变过程中,会释放出巨大的能量。正是如此巨大的能量,支撑着核聚变继续发生,爆炸也在不断地进行。

正如春秋时期思想家、道家创始人老子在《道德经》中所说:“道生一,一生二,二生三,三生万物。”原子核中的质子数目逐渐增加,新的元素由此出现,万物都以此为基础。以老子为代表的东方哲学家,并没有提出和希腊哲学家那样旗帜鲜明的原子论,但是不可否认的是,他们的物质观却以原子变化的形式得到了印证。

整个过程就像是多米诺骨牌一样,一旦启动就不会停止,拉扯出产生新元素的链条:6个质子的碳、8个质子的氧、14个质子的硅……它们在核聚变的链条中占据优势,比例也较其他元素更高一些。

一般条件下,发生聚变的概率很小。自然界只有在太阳等恒星内部,因其温度极高,轻核才有足够动能克服斥力而发生持续的聚变。实现聚变反应需要上千万摄氏度以上的高温和高压。研究受控热核聚变是解决能源枯竭的重要途径。核聚变与太阳发光发热原理相同,因此,可控核聚变研究装置又被称为“人造太阳”。核聚变原理看似简单,但要让聚变反应持续可控,可以说,难于上青天。据新华社2021年5月28日报道,通过40年的努力,有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(Experimental Advanced Superconducting Tokamak,EAST)创造新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,向核聚变能源应用迈出重要的一步,未来可建设聚变电站。

不断的聚变过后,原子核越来越大,恒星中原子的数量却在不停地减少,因此恒星的内部就如同一座被挖空的山洞一般,若不是核聚变产生的巨大能量,随时可能发生坍塌。

当核聚变来到拥有26个质子的铁时,这个结果还是如约而至了。对于恒星而言,这是一场悲剧,它意味着恒星的生命就要走到尽头,但是对于整个宇宙而言,这样的灾难经常在发生,并不值得大惊小怪。

更为重要的是,它让更多元素的诞生成为可能。

当巨大的恒星坍缩之时,原子之间的碰撞也是盛况空前,灿烂的超新星也会由此形成。氧、硅、铁等有着比氢原子核大得多的原子核,它们以一种视死如归的劲头融合在一起,从而形成了那些比铁更大的原子核。这其中,就包括铜、锌、金这些将会在我们的后续篇章中出现的元素。原子核中的质子数量飞快增长,等到出现铅元素的时候,质子的数目已经达到了惊人的82个。

一句话介绍一种元素

比铅更大的元素还会继续形成,比如铋、铀、钚等。只不过,它们的原子核实在过于庞大,已不再能够保持稳定。每过一段时间,这些原子核中就会有一部分发生分裂,变成小一些的原子核——这个过程,就被称为核裂变,它是一种与核聚变相反的过程。核裂变的存在,也注定元素的种类不会无限增加。

至此,盛极必衰,这颗恒星已经无力回天,元素的盛宴也该收场了。上百种元素交汇在一起,形成了新的云团。令人吃惊的是,在这个云团中,那些没有在核聚变中消耗完的氢原子居然还是主力,它们正打算故伎重演,至于那些因它形成的各种元素,却已经在酝酿新的物质故事——我们在下一章中继续讲述。 r9wBKjnd9zQQiLyeOIjkBQqok2MFNVZ/W658MvnPUq9m0P1a/bOfBfiv+KS5S1Po

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