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化学元素是如何被发现的?

古人猜想宇宙由4种或5种元素组成,这些元素可能是“地、水、火、风”,也可能是“金、木、水、火、土”。

“这世界是由什么组成的?”这问题从古代就一直萦绕于人类的心。而古人猜想宇宙由四种或五种元素组成,这些元素可能是“地、水、火、风”,也可能是“金、木、水、火、土”。

化学元素是如何被发现的?

在其后的两千多年间,科学家们找到越来越多元素。这个元素之旅,在19世纪还有一些重大突破。

其中一个突破是俄国科学家德米特里.伊万诺维奇.门得列夫(Dmitri Ivanovic Mendeleev)和德国化学家尤利乌斯.洛塔尔.迈耶尔(Julius Lothar Meyer)制作了一个表收录当时已知的元素,那正是最早期的元素周期表。

另一突破是罗伯特.本生(Robert
Bunsen)和古斯塔夫.罗伯特.克希荷夫(Gustav Robert
Kirchhoff)对太阳光谱研究。他们以当时尖端的技术,把太阳光分解成从红光到蓝光一个连续光谱,这光谱中会出现一些暗线,这组暗线称为“夫朗和斐谱线(Fraunhofer
lines)”。他们把夫朗和斐谱线中每一条暗线对应至当时已知的元素谱线,发现存在于地球的元素也可能在太阳出现。

其后,维克多.戈尔德施密特(Victor Goldschmidt)、汉斯.苏易士(Hans Suess)、哈罗德.尤里(Harold Urey)调查了各元素在太阳系中的丰度。直到现在,天文学家们大致掌握宇宙中各元素的丰度。

然而,宇宙中各元素的丰度如何演化至今,当时的科学家们仍一筹莫展。

在1950年代,弗雷德.霍伊尔(Fred Hoyle)提出了一个假说︰

宇宙是稳态的,而氢则持续地生成,其他元素则以透过新星爆炸产生。另一方面,一种大爆炸理论则认为所有重元素是大爆炸一刻就出现的太初元素。但这模型都无法解释质量数是5至8之间的元素的丰度。

1957年,弗雷德.霍伊尔(Fred
Hoyle)连同3位科学家玛格丽特.柏比奇(Margaret Burbidge)、杰佛瑞.柏比奇(Geoffrey
Burbidge)、威廉.福勒(William Fowler)发表了论文《恒星中的元素合成(Synthesis of the elements
in stars)》。这论文很常被称作“B2FH”──这是取自4位作者的姓氏首字母。

同年,加拿大物理学家阿利士德.卡梅伦(Alastair Cameron)也发表了一篇论文,题为《恒星演化、核天文学和核生成过程(Stellar Evolution, Nuclear Astrophysics and Nucleogenesis)》。

B2FH和卡梅伦这两篇论文提出了一个相当具说服力的模型︰恒星核合成(Stellar nucleosynthesis)。

恒星核合成指的是恒星透过合成重元素并获得能量的过程。这些新鲜出炉的重元素,会被恒星风或超新星爆炸等事件抛射至星际空间,当中有一些重元素会掺杂至较新的恒星中。这说法与实际的观测结果吻合──越古老的恒星的确含有越少重元素。有些恒星的表面甚至有短寿命的核素嬗变的迹象。

除了上述数据,福勒和他的同事在凯洛格实验室,也获得非常多珍贵数据,这些数据亦为B2FH所充份利用。他们以8个过程有系统地解释了所有元素的丰度。这是人类首次能够把每个稳定的同位素的生成机制,配对至不同的天文物理情景中。

这些过程包括︰

为人熟知的氢和氦燃烧,产生氦和碳、氮、氧的一些同位素。

α放射和捕获过程,它们产生中等质量(镁至钙)之间某些元素。

e过程,它透过化学平衡,使铁及其他原子序数接近的元素达至现有丰度。

r过程、s过程和p过程,它们产生重元素。其中p过程产生质子比例较高的同位素。

x过程,它产生较轻的元素,包括氘、锂、铍、硼。

化学元素是如何被发现的?

这么一来,所有元素的生成和丰度最终也能归结至大爆炸、宇宙射线造成的核分裂、中微子交互作用等更基础的物理现象。

B2FH模型当中,值得一提的是两种不同的中微子捕获过程──分别是r过程和s过程。r和s分别是“rapid”和“slow”的字首。顾名思义,它们是快的过程和慢的过程。

首先,r之所以叫做“快”的过程,是因为它的持续时间比一般的稳定恒星寿命要短很多,它产生的中微子数目也比稳定恒星多得多。具体有多快?超新星爆炸那么快。由于第I型超新星爆炸的光度曲线似乎可以由放射性物质的衰变解释,因此科学家曾怀疑r过程产生的锔–254是形成该光度曲线的主因──现在我们知道e过程的镍–56才是形成光度曲线特征的主因,而r过程发生的地方一直都是个谜,直到最近,科学家才开始怀疑中子是与r过程是否有关──即使超新星的爆炸机制到现在仍未被清楚了解,超新星的爆炸和它的发生频率的确能完整解释星系中的重元素丰度。

至于慢得多的s过程则是燃烧氦核时出现的副反应,这反应会释放中子。透过考虑一些与s过程相关的核反应,科学家可以推论出一些原子核的性质,例如中子的捕获截面等。

化学元素是如何被发现的?

相关的研究在近年有更多的进展,模型也得以修订。

第一个修订是──氘和大部分的氦则是宇宙大爆炸产生的。

第二个修订则是s过程生成的元素分布︰s过程生成的元素当中,较重的元素出现在低质量至中等质量的恒星风中;而锆和更轻的元素则源于高质量的恒星。

其后有不少丰硕成果都是透过电脑模拟所得。一直以来,科学家都有利用电脑模拟恒星的演化和各元素在恒星中的丰度。通过这些模拟,科学家得以对该8种过程作出调整。

其中一个调整对象是α过程──α过程造成的效应比科学家当初估计的小得多。反而异军突起的是碳、氖、氧、硅等燃烧过程,这些燃烧过程产生的元素似乎比以认为的都要多。

另外,科学家亦用把超新星模拟作一个不稳定的流体动力学系统。科学家发现,有很多核素并非在超新星爆发的一刻就直接被合成,它们往往是由超新星爆炸时产生的放射性母核透过衰变所得,这过程比之前预想的较迂回曲折一点。其中一个例子是56Fe。56Fe是e过程中一种重要的核素,而它正是从56Ni衰变所得,56Ni恰巧就是Ia型超新星爆炸的产物之一。

这系列的核合成机制对星系成分的影响不停被科学家验证。现今的不解之谜还有第一代恒星的角色、恒星的抛射物的确切成分、研究宇宙学时这些爆炸的作用。B2FH和卡梅伦奠下基础后天文核物理学正式成为一门讲求量化的科学,一门观测科学家、模型科学家、核子实验科学家和核子理论物理学家能作出贡献的科学。

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