有“0元素”吗?零号元素究竟是什么?

原标题:有“0元素”吗?零号元素究竟是什么?

本文转自“实验与分析”: 有“0元素”吗?零号元素究竟是什么?

元素周期表你能背诵几位?

如果你让一位初中同学背诵元素周期表,他通常会这样回答:“氢氦锂铍硼碳氮氧氟氖钠镁铝硅磷硫氯氩钾钙......”。

没错,元素周期表是从氢开始的,氢是宇宙中含量最多的元素,也是元素周期表的一号元素,氢的原子核中有一个质子。质子的数量是元素拥有不同性质的决定因素,所以原子核中质子数量被称为原子序数。

原子核中通常也含有一个或一个以上的中子,氢的同位素氕除外,氕的原子核只有一个质子,没有中子。那么问题来了,宇宙中存在没有质子只有中子的元素吗?

氢是元素周期表中的一号元素

零号元素的争议

“0元素”这个词是德国物理学家安德烈·冯·安德罗波夫在1926年发明的,尽管当时还没有中子的概念,但安德罗波夫认为这种元素的质子数量有可能比氢还要少,所以他把它放在了元素周期表氢元素的前边,称之为零号元素。

主流科学家们认为不存在质子的元素它其实就是中子,只有带正电的质子才能吸引电子从而构成一种稳定的物质,而单一的中子并不能称其为元素。所以在正式的科学论文中,你很难找到“0元素”这样的表述,反倒是科幻小说中反复提及,它代表着宇宙中密度极大的中子星。

中子星

安德罗波夫最开始将零号元素放在元素周期表中氢元素的上方,后来的科学家认为这样的排列不严谨,我们知道元素周期表的第一列堿金属的最外层电子数为1,零号元素没有质子,所以它的外层不应该有电子绕核运转,所以将其挪到了氦元素的上方。

短命的自由中子

通常情况下,中子都被严格束缚在原子核中,通过强力作用与质子绑定在一起,一旦它获得了自由,便成了“短命鬼”。

自由中子会发生β衰变,变身为质子,同时释放一个电子和一个反电子中微子。自由中子的平均寿命大约是14分42秒,其半衰期只有10分11秒。

质子与中子的区别

自由中子的衰变特性是天生的,因为中子是由两个下夸克和一个上夸克组成,在脱离原子核强相互作用力的束缚之后,其中一个下夸克会在弱相互作用力的主导下改变自己的“味道”,从而变成更轻的上夸克,在这个过程中它会释放一个电子和一个反中微子。当夸克的电荷发生改变后,中子就从对外不带电变成了对外带一个正电荷的质子了。

中子衰变成质子很容易,但反过来将质子变成中子却是很难的,这需要消耗很大的能量。质子很稳定,这就是我们可以找到许多氢原子和自由质子,却很少发现自由中子的原因。

质子和中子之间的核力相互作用

中子星是自由中子的巢穴

博学的你肯定很早就想到了中子星。这是宇宙中广泛存在的一类星体,它是那些比太阳更大的恒星死亡、坍塌后形成的致密星球。当大质量恒星燃尽了它核心的氢和氦,便走到生命的尽头,由于内部的能量无法支撑外部强大的重力,恒星的内核会在瞬间发生剧烈坍缩,同时释放巨大的能量,这便是超新星爆发,中子星便是超新星的残骸。

中子星

由于在10~20公里半径的范围内集聚了大约2个太阳质量的物质,强大的压力会超过钱德拉塞卡极限,从而将电子压入到质子中,使期变成中子。

中子星中有大量的自由中子,但中子星也是分层的。它的内核由于压力极为巨大,中子被压成了更重的超子;超子核心的外边是自由中子层;中子星的最外层是质子、电子和中微子构成的表层,这些都是中子衰变后的产物。

中子星分层

有人将中子星视为一个巨大的原子核,甚至称它就是0号元素,这是不正确的。无论从宏观还是微观的角度来分析,中子星都是一个天体而不是单一的元素。中子不过是中子星的一个组成部分而已。

除了遥远的中子星外,我们周围一些放射性物质比如U235或Pu239在裂变过程中也能产生出高能量的中子,人们利用中子进行链式反应以进行核能发电,同时也利用核裂变产生大量中子制造核武器,比如原子弹、氢弹和中子弹。中子弹是一种小型化的战术氢弹,中子不带电荷,大量热中子可以轻松穿透坚固掩体,杀伤里边的人员,达到杀人不见血之目的。

中子是链式反应的重要传递者

中子到底能不能被称为0元素?

我们不能根据某些元素存在时间的长短来判断它的元素属性,比如砹213的半衰期仅有125纳秒,相比之下自由中子的寿命要长多了呢!

2012年,科学家第一次观测到在没有质子的情况下结合在一起的两个中子 n,尽管它的半衰期仅有10秒,但这足以证明中子并非绝对孤立存在。

中子整体不带电荷,所以它不能拉住电子,令电子围绕自己旋转从而形成电子壳层。严格地说,中子不具备原子核最基本特征——可以稳定拥有电子,这是它与其它所有元素不同的地方,也是它被踢出元素周期表的重要原因。有实验发现中子可以与电子以离子(中子-电子对)的形态出现,因为尽管中子对外不带电,但它表面存在微小的电荷分布差,所以电子可以受轨域效应束缚在中子附近运动。问题是这种束缚力极其微弱,电子很容易就被拿走,所以中子也不能因此与其它原子结合形成化学键。从这个角度看,中子是完全惰性的,把它放在惰性气体这一列也不算冤枉它。

0号元素应处的位置

元素周期表里没有零号元素的位置,到目前为止科学文献中也极少出现“0元素”一词,这并不表明中子这种物质注定继续孤独下去。“0元素”不代表“没有元素”,或许未来有一天,当科学界真正了解了中子,通过发挥创造性的思考,或许会将中子应得的位置还给它,这就是零号元素——“Nu”。

(内容来源:网络 由小析姐整理编辑)返回搜狐,查看更多

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