地球上是否集齐了宇宙中的所有元素?
世间万物都是由形形色色的元素组合,时至今日,我们在地球上已经发现了118种元素(其中有92种是天然元素,其他的则是人工元素)。我们都知道,地球只能算是宇宙中的一粒尘埃,这不禁令人疑惑,宇宙那么大,地球上是否集齐了宇宙中的所有元素?有没有某些元素只有在外星球才有,而在地球上却没有?今天我们就来讲一讲。
原子是由核子(中子和质子)组成的原子核以及围绕着原子核运动的电子构成,决定某个原子的元素种类的,是这个原子核内的质子数量,比如说氢的原子核只有一个质子,它就是元素周期表上的1号元素,而氦的原子核内有两个质子,它就是元素周期表上的2号元素,其他的元素依此类推。
理论上来讲,只要不停地把质子组合起来,就可以创造出越来越重的元素,但宇宙中的物理规则却对此作出了限制。在有多个质子的原子核的内部,一直存在着两种基本力的较量,一方是宇宙中最强大的基本力——强相互作用力,它的目的是将原子核内的核子束缚在一起,另一方则是排名第二的基本力——电磁力,它的目的则是将原子核内的质子分开(质子都带正电,因此互相排斥)。
虽然强相互作用力比电磁力强大得多,但是这种力有一个弱点,那就是作用范围太短,只有 10^-15 到10^-10 米,强相互作用力的这个弱点正是电磁力的强项,因为它是长程力,并且可以无限叠加。
我们可以看到,尽管强相互作用力的强度比电磁力要大得多,但如果原子核内的质子达到一定的数量,它们之间的排斥力就会叠加到强相互作用力无法束缚的程度,在这种情况下的原子核就会变得很不稳定,从而发生衰变,比如说α衰变就是原子核内释放出由两个质子和两个中子构成的α粒子,在此之后原子序数减2。
由此可见,一个原子的原子核内的质子数量越多,这个原子就越不稳定,虽然在原子核内有中子可以充当质子与质子之间的“缓冲单位”,但是当原子核内的质子数量超过临界点时,这个原子还是会不可避免地发生衰变,这就是地球上只有92种天然元素的原因。
宇宙虽然很大,但是宇宙中的物理规则都是一样的,从这方面来讲,我们可以认为,地球上的确是集齐了宇宙中的所有元素,并不会出现“某些元素只有在外星球才有,而在地球上却没有”这种情况。
科学家对宇宙的观测数据也证明了这个推论的正确性,我们观测到来自某个外星球的星光,其本质是构成这个外星球的原子吸收了能量进入激发态,然后在之后的退激过程中向外释放的电磁波。在这个过程中,不同元素种类的原子,所发出的电磁波的波长都各不相同,根据这种现象,科学家就能够通过对某个外星球的光谱进行分析,从而知道这个外星球所包含的元素种类以及丰度。