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天聞?lì)l道

計(jì)算機(jī)芯片所用的硅、航空發(fā)動(dòng)機(jī)上抗高溫的鎳基合金、商場(chǎng)中陳列的黃金、鉑金……我們賴以生存的世界是由各種元素構(gòu)成的，而這些比鐵更重的元素(簡(jiǎn)稱超鐵元素)起源之謎備受科學(xué)家關(guān)注。

近日的一項(xiàng)研究通過(guò)計(jì)算模擬得出結(jié)論，在快速中子俘獲過(guò)程產(chǎn)生超鐵元素的理論模型中，80%的超鐵元素由坍縮恒星產(chǎn)生，其余20%則來(lái)自中子星合并。

恒星究竟是如何“點(diǎn)石成金”的?中子在這個(gè)過(guò)程中又扮演了什么角色?

元素形成以鐵為界

“目前比鐵輕元素的形成機(jī)制已明晰，而超鐵元素的起源則存在慢速中子俘獲過(guò)程(s-過(guò)程)、快速中子俘獲過(guò)程(r-過(guò)程)和p-過(guò)程等多種理論模型。”中國(guó)原子能科學(xué)研究院核物理研究所實(shí)驗(yàn)核天體物理創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研究員李志宏在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示。

宇宙大爆炸3分鐘后，最原始的核合成開(kāi)始了。質(zhì)子、中子、光子、電子等在宇宙中“橫沖直撞”。在相互碰撞和結(jié)合過(guò)程中，氫、氦以及極少量的鋰、鈹、硼元素誕生了。

后來(lái)，部分物質(zhì)“抱團(tuán)”逐漸形成了恒星。恒星內(nèi)部以氫核和氦核為原料，不斷進(jìn)行核反應(yīng)，生成更重的元素，并釋放出能量。

“由于原子核均帶正電荷，兩核之間的結(jié)合需要較高的溫度條件以克服同性相斥的庫(kù)侖力。元素越重，帶電量越大、庫(kù)侖力越大，形成該元素所需的溫度就越高。”李志宏舉例，當(dāng)恒星溫度超過(guò)30億攝氏度時(shí)，才能形成原子序數(shù)為14的硅元素，硅元素再與其他核素反應(yīng)形成更多元素，直到原子序數(shù)為26的鐵元素為止。

“恒星的核燃燒階段形成的最重元素為鐵元素，這是因?yàn)殍F元素的比結(jié)合能最高。” 李志宏進(jìn)一步介紹，質(zhì)子和中子等核子結(jié)合成原子核不容易，而將已經(jīng)形成的原子核拆開(kāi)也需要能量，這種能量被稱為原子核的結(jié)合能，而結(jié)合能與核子數(shù)目的比值被稱為該原子核的比結(jié)合能，即拆開(kāi)原子核時(shí)，平均到每個(gè)核子上所需的能量。比結(jié)合能越高，說(shuō)明原子核越不容易“散架”。

鐵元素的結(jié)合能最高，這意味著什么?“鐵元素為核反應(yīng)放熱和吸熱的‘分水嶺’，若生成鐵之前的元素，反應(yīng)放熱，恒星升溫;生成超鐵元素，反應(yīng)吸熱，恒星冷卻。”李志宏告訴科技日?qǐng)?bào)記者，恒星一旦冷卻，便無(wú)法再提供足夠的溫度克服下一個(gè)元素合成的庫(kù)侖力，核反應(yīng)鏈便在鐵這里“戛然而止”了。

中子助力原子核“增重”

恒星核燃燒過(guò)程只能形成比鐵輕的元素，那么我們周圍的金、銀、鉑等超鐵元素從何而來(lái)?

在三類主要的超鐵元素理論模型中，有兩類均與中子有關(guān)。李志宏指出，由于中子呈電中性，在參與核反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有庫(kù)侖力的困擾，因此學(xué)界認(rèn)為絕大多數(shù)的超鐵元素是通過(guò)鐵“種子”俘獲中子而產(chǎn)生的，并根據(jù)“抓到”中子的相對(duì)速度有了快慢之分，p-過(guò)程則可以解釋30余種無(wú)法通過(guò)中子俘獲產(chǎn)生的豐質(zhì)子核素(p-核)的謎團(tuán)。

“慢速中子俘獲過(guò)程通常發(fā)生在紅巨星階段，可產(chǎn)生宇宙中現(xiàn)有超鐵元素約一半數(shù)量的超鐵元素。”李志宏指出，隨著紅巨星不斷燃燒，其內(nèi)部的碳氧核心可產(chǎn)生中子，成為主要的中子源。當(dāng)鐵原子核抓到中子時(shí)，原子核內(nèi)便不再“穩(wěn)如泰山”了。在下一個(gè)中子被俘獲之前，不穩(wěn)定的鐵核會(huì)進(jìn)行β衰變，核內(nèi)的一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子。元素周期表中位列第27位的鈷元素就此誕生。鈷核再俘獲中子，便可產(chǎn)生更多的重核。“目前學(xué)界已通過(guò)理論計(jì)算及實(shí)際譜線觀測(cè)逐漸證實(shí)了該模型的科學(xué)性。”

“快速中子俘獲過(guò)程通常發(fā)生在核心塌縮的超新星爆發(fā)或兩個(gè)中子星合并過(guò)程中，可產(chǎn)生約一半的超鐵元素。”李志宏表示，這兩種天體活動(dòng)中，大量的中子噴射而出，一個(gè)原子核會(huì)被中子包圍起來(lái)，因此俘獲中子是件迅速且輕而易舉的事，從鐵“種子”一步步生成鈾只需1秒。

大部分元素都能通過(guò)以上兩種中子俘獲過(guò)程產(chǎn)生，還有約1%的超鐵元素是通過(guò)p-過(guò)程產(chǎn)生的。目前，科學(xué)家還未揭開(kāi)p-核形成的全部奧秘，其發(fā)生過(guò)程有待進(jìn)一步探索。

“核過(guò)程研究不僅致力于尋找宇宙元素的起源，還為我們提供了一個(gè)‘看見(jiàn)’恒星內(nèi)部深處的窗口，認(rèn)識(shí)恒星中能量產(chǎn)生的過(guò)程以及演化歷史。”在李志宏看來(lái)，這些謎團(tuán)的探索也會(huì)助力人們開(kāi)發(fā)新的核能源，為國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)。(于紫月)