问题

宇宙中还有没有人类没发现的元素?

回答
太空的浩瀚,远超我们想象。在那些遥远的星系、炽热的恒星、甚至深邃的黑洞边缘,是否还潜藏着我们尚未触及的元素?这是一个激动人心的问题,也是科学家们孜孜不倦探索的领域。

从我们已知的元素周期表来看,目前科学家已经发现了118种元素。这些元素并非全部是天然存在的,许多超重元素是通过人工合成获得的,它们的寿命极短,在实验室的设备中才能短暂存在。我们日常接触到的绝大多数物质,都由其中的少数几种元素构成,比如氧、碳、氢、氮等等。

那么,为什么我们会认为可能还存在未知的元素呢?

首先,我们对宇宙的认知是一个不断演进的过程。我们能直接观测到的宇宙,只是其中的一小部分。还有大量的暗物质和暗能量,它们的本质我们至今尚未完全理解。谁能保证,这些神秘的物质中,不包含一些我们从未见过的基本粒子,进而构成了全新的元素呢?

其次,自然界存在着极端条件。恒星内部的核聚变、超新星爆发产生的强大能量,以及中子星碰撞时的高压环境,这些都是我们地球上无法模拟的极端物理条件。在这些地方,原子核可能以我们从未想象过的方式组合,形成比目前周期表上所有元素都更重的、甚至具有完全不同性质的新元素。

想象一下,一颗巨星在生命终结时,内部发生了我们尚未理解的核反应,产生了一种极其不稳定的新元素,它在爆发的瞬间便分解,只留下了极微弱的、我们还无法捕捉到的信号。又或者,在某个遥远的星系,存在着一种我们完全不了解的恒星演化过程,它会稳定地生成一种我们从未在地球或附近天体上发现的元素。

我们目前的观测手段虽然已经非常先进,但依然有其局限性。例如,我们对宇宙早期形成的物质了解还不够透彻。宇宙大爆炸产生了最初的几种元素,比如氢和氦,但随着宇宙的演化,更重的元素是如何在不同的宇宙环境中生成的,我们还在不断地研究和发现。一些理论模型预测,在宇宙的某些极端区域,可能会形成我们尚未在地球上发现的稳定或半稳定的超重元素。

还有一种可能,是元素本身的概念可能会被拓展。我们目前对元素的定义是基于质子数。但如果存在一些更深层的物质构成方式,或者一些我们尚未理解的相互作用,可能会导致出现“元素”这一概念在现有框架下无法涵盖的物质形态。

科学家们正在通过各种方式寻找这些可能的“新居民”。通过分析来自遥远天体的光线光谱,我们可以探测到其中包含的元素信息。当一颗超新星爆发时,它会释放出各种元素,这些信息被我们捕捉到,就像是宇宙给我们发来的“名片”。随着望远镜分辨率和灵敏度的提升,我们能够探测到越来越微弱的信号,看到越来越遥远的宇宙角落。

此外,实验物理学家们也在不懈努力,试图在实验室中合成更重的元素,并寻找可能存在的“稳定岛”,即理论预测某些超重元素可能拥有相对较长的寿命。如果未来我们能成功合成并稳定地观察到这些理论上的元素,那将是对元素周期表的重大扩展。

所以,宇宙中是否还有人类没发现的元素?从科学的角度来说,答案是:很有可能。这是一个充满未知和希望的领域。每一次新的观测、每一次理论的突破,都可能为我们揭示宇宙更深层的奥秘,让我们对“元素”这个词的理解,也随之更加丰富和完整。我们对宇宙的探索,就像是在一片无垠的海洋中寻找未知的岛屿,每一次扬帆起帆,都可能发现新的大陆。

网友意见

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IUPAC将元素定义为可以在衰变前存在至少10^-14秒的原子,这个时间长度是原子核周围形成电子云所需的时间。按这个标准和现有的理论,能够视为元素的原子所含的质子数量的上限可能是137个或173个,也可能没有上限。现实中,由于技术有限,人类还没有制造出原子核中含有超过118个质子的元素,因此人类还没有将现有理论下可以存在的所有元素都造出来

理论上,含有大量质子的原子可以在质子数·中子数是“幻数”时相对稳定,相关理论称为“稳定岛”,以尚未制造出来的126号元素为中心、被质子滴线和中子滴线所限制[1]

理查德·费曼指出,根据玻尔模型,原子核中含有超过137个质子时,内层轨道电子的速度会超越真空光速。相对论狄拉克方程则会在原子核中含有超过137个质子的时候出现虚数解。因此有学者将137号元素作为元素周期表的上限。但玻尔模型没有考虑相对论,狄拉克方程没有考虑原子核的实际尺寸。

一些理论认为,含有超过173个质子的原子核可能无法形成原子,只能以离子形式存在[2]

  • 这是因为在质子数为173时,现有理论显示原子核将达到“临界电荷”,其结合能1.022兆电子伏特超过了电子的不变质量对应的能量的2倍,或曰电子-正电子对的湮灭能量,意味着这种原子的1s轨道在没有被电子充满时原子核的电场会从真空中创生电子-正电子对,进而导致核外电子数量与原子核所含的质子数量不相等。
  • 也有学者认为上述限制并不重要:如果1s轨道被电子填充,上面所说的事情就不会发生[3]

也有学者不同意IUPAC的定义。

在这之外,由反质子、反中子、正电子组成的反物质原子也可以放在元素周期表上。人类在二十世纪九十年代制造出-1号元素“反氢”的原子,在2011年制造出-2号元素“反氦”的同位素“反氦-4”的原子[4],目前还没有制造过反锂、反铍等东西的原子。理论上负数序列的元素周期表也可以一直延伸到-137或-173,抑或没有限制。含有超过173个反质子的反物质原子核也可能无法形成原子,只能以离子形式存在。

中子可以视为0号元素——尽管科学文献并不喜欢这样使用。单个中子的半衰期约611秒。2012年,人类制造了由强力连接的2个中子,测得其半衰期为10^-22秒[5]。法国科学家曾经自称制得了由强力连接的4个中子,但实验目前无法复现,可能是观测错误——如果这玩意真能存在,现有的核力模型需要修改。

有些科学作家或记者称中子星就像巨大的0号元素原子核,但传统而言原子核应当由强相互作用结合在一起,而中子星是由引力相互作用结合在一起的,并不应该视为原子核。

目前还没有什么科学文献探讨过双荷子等组成的分数序号、虚数序号或复数序号的元素,也没有科幻小说尝试仔细探讨这种东西的性质。量子电动力学中的电荷是厄米算符的本征值,不能是有非零虚部的复数,不过你可以自创超越QED的物理学来定义虚数电荷——对科幻小说而言这不算太可怕,量子力学里虚数满地都是,文小刚老师已经在知乎上质疑过实数的功用。i号元素、1+i号元素之类东西可能具有和氢、反氢完全不相似的性质。

参考

  1. ^ 在稳定的原子核中加入中子,原子核会变得愈发不稳定,直到中子不能再与核相结合,这种极限被称为中子滴线(neutron dripline),质子滴线类推。
  2. ^ Walter Greiner and Stefan Schramm, Am. J. Phys. 76, 509 (2008
  3. ^ https://www.chemistryworld.com/opinion/column-the-crucible/3005076.article
  4. ^ https://arxiv.org/abs/1103.3312
  5. ^ https://dx.doi.org/10.1103%2FPhysics.5.30

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