元素与元素周期律

学习要求 (1) 了解化学元素起源的各种理论，熟悉大爆炸理论和恒星内元素合成理论，扩充学生对宇宙的认识。 (2) 了解化学元素合成的理论，包括核合成基本理论、思路、方法和鉴定。了解人工核反应的一般技术。 (3) 了解从古代哲学阶段到现代科学阶段元素概念的建立、演化和发展过程。熟悉化学元素的规范命名原则，包括IUPAC系统命名法和中文命名法。 (4) 掌握化学元素性质的规律性及其产生原因。 (5) 了解化学元素周期表萌芽、突破、发展和展望四个阶段的历史背景，认识门捷列夫发明元素周期表的意义和应用，学习门捷列夫的哲学思想和科学研究方法。 背景问题提示 (1) 了解人类认识化学元素起源的简单历史后，你对化学元素的起源有什么新的认识？随着科学技术的发展，你认为人类对化学元素起源的认识还会深入吗？你会产生什么遐想？ (2) 哲学思想和科学研究方法在我们的学习中到底有什么指导作用？ (3) 基于你对化学元素周期表历史的了解，它的发明人应归属于谁？ (4) 现代化学元素周期表对先进材料的制备有什么指导意义？ (5) 目前大多数研究人员认为，探索已知元素的化学性质和核物理性质与制造新元素一样有价值。你是如何理解的？ 第1章 化学元素的起源和合成 1.1　化学元素的起源——大爆炸理论 元素的起源(origin of elements)是指各种核素生成的条件、过程和场所。测定各类天体的元素丰度，研究元素的分布规律，是建立元素起源理论的依据，也是探讨天体演化的基础。因此，天文学和天体物理学的发展促进了人们对化学元素起源探索的深入研究。 1.1.1　宇宙的诞生 1. 宇宙的起点——奇点 1929年，美国天文学家哈勃(E. Hubble，1889—1953)发现：不管往天空哪个方向看，远处的星系总是在急速地远离我们而去，即“宇宙正在不断膨胀”。既然宇宙现在正在膨胀，如果沿时间回溯，那么以前的宇宙肯定比现在小，肯定有那么一个时刻，宇宙中所有东西都聚集在一起，宇宙必然有个起点[1]。 现代宇宙学认为宇宙起始于一个非常小的点——奇点(singularity)，也称时空奇点(spacetime singularity)。奇点体(10*cm)温度极高且无限致密，今天所观测到的全部物质世界都集中在这个很小的范围内。在没有昨天的一天，这个奇点发生了一次惊天动地的“大爆炸”(the big bang)[2]：在*之后，迅速发生膨胀，仅在*初的10*之内就膨胀了*倍，人们称之为暴胀(inflation)。在暴胀*激烈的时候，于高能状态的伪真空发生相变，从而转化为处于低能量状态的普通真空。由于相变是发生在能量状态由高变低的过程，故相变是一个放热过程。随着暴胀的结束，宇宙所拥有的伪真空能量全部以光的形式放出，此时，宇宙成了一个大火球。这是一个由热到冷、由密到稀、体积不断膨胀的过程，经过不断地膨胀而到达今天的状态。大爆炸是描述宇宙诞生初始条件及其后续演化的宇宙学模型(图1-1)，该模型得到了当今科学研究和观测*广泛且*精确的支持。根据2013年普朗克卫星所得到的*佳观测结果，宇宙大爆炸距今(137.3±1.2)亿年[3-4]。 哈勃 图1-1　由奇点形成宇宙 斯里弗 弗里德曼 勒梅特 2. 奇点的证明 大爆炸理论是通过对宇宙结构的实验观测和理论推导发展而来的。 (1) 在实验观测方面，1912年，斯里弗(V. M. Slipher，1875—1969)首次测量到一个旋涡星云(旋涡星系的旧称，以1000*速度离开地球)的多普勒频移，其后他又证实绝大多数类似的星云都在退离地球[5-6]。 (2)1922年，苏联宇宙学家、数学家弗里德曼(A. Friedmann，1888—1925)假设宇宙在大尺度上均匀和各向同性，利用引力场方程推导出描述空间上均一且各向同性的弗里德曼方程，这组方程中的宇宙学常数可以抵消。通过选取合适的状态方程，从弗里德曼方程得到的宇宙模型是在膨胀的[7]。 (3)1924年，哈勃测量了*近的旋涡星云距地球的距离，其结果证实了它们在银河系之外，本质属于其他星系。1927年，比利时物理学家勒梅特(G. Lemaitre，1894—1966)在不了解弗里德曼工作的情况下，独立提出旋涡星云后退现象的原因是宇宙在膨胀[8]。 (4)1931年勒梅特进一步提出原生原子假说，认为宇宙正在进行的膨胀意味着它在时间反演上会发生坍缩，这种情形会一直发生下去直到它不能再坍缩为止，此时宇宙中的所有质量都会集中到一个几何尺寸很小的原生原子上，时间和空间的结构就是从这个原生原子产生的[9]。 (5)1924年起，哈勃为勒梅特的理论提供了实验条件。他在威尔逊天文台利用口径250 cm的胡克望远镜建造了一系列天文距离指示仪，这是宇宙距离尺度的前身。他利用这些仪器观测星系的红移量以推测星系与地球之间的距离。1929年，他发现星系远离地球的速度同它们与地球之间的距离刚好成正比，这就是哈勃定律(Hubble’s law)[1，10]。而勒梅特用理论推测，根据宇宙学原理，当观测足够大的空间时，没有特殊方向和特殊点，因此哈勃定律说明宇宙在膨胀[11]。 大爆炸理论*早也*直接的观测证据包括从星系红移观测到的哈勃膨胀[1]、对宇宙微波背景辐射的精细测量[12]、宇宙间轻元素的丰度(宇宙被观测到的元素丰度与理论数值的一致性被认为是大爆炸理论*有力的证据)[13]，而今大尺度结构(大于10 Mpc的结构，1 Mpc=3.08568025×10*m)和星系演化也成为新的支持证据[14]。这四种观测证据有时被称为大爆炸理论的四大支柱。 更多详细内容可参考天体物理学相关书籍和文献。 3. *新的证明——大型强子对撞 图1-2　质子束流的对撞 大型强子对撞机(large hadron collider，LHC)是一座位于瑞士日内瓦近郊隶属欧洲核子研究组织(European Organization for Nuclear Research)的对撞型粒子加速器，于2008年9月10日开始试运转，并且成功地维持了两质子束在轨道中运行(图1-2)。大型强子对撞机是国际高能物理学研究大科学装置，相关的国际合作计划很多，全球有85个国家的多所大学与研究机构的逾8000位物理学家参与相关工作。 物理学家希望借加速器对撞机解答下列问题： (1) 标准模型中所流行的造成基本粒子质量的希格斯机制是真实的吗？希格斯粒子有多少种？质量又分别是多少？ (2) 为什么万有引力相对于其他作用力如此微弱？当中子的质量被更精确地测量时，标准模型是否仍然成立？ (3) 自然界中是否存在与粒子相对应的超对称粒子？ (4) 为什么“物质”与“反物质”是不对称的？ (5) 有更高维度的空间存在吗？人们可以见到启发弦论的现象吗？ (6) 宇宙有96%的质能是目前天文学上无法观测到的暗物质与暗能量，它们的组成到底是什么？ (7) 在标准模型中有存在于预言之外的其他夸克吗？ (8) 在早期宇宙以及如今某些紧密而奇怪物体中存在的夸克-胶子等离子体的性质和属性是怎样的？ 其实，实验目的之一就是探索宇宙的起源，再现大爆炸：在大型强子对撞机实验中，重铅核子进行对撞，产生太阳中部温度10万倍的高温，进而形成一个大爆炸后瞬间存在的微型版的原始汤(primordial soup)。 1964年，英国物理学家希格斯(P. W. Higgs，1929—)发表了一篇学术论文[15]，提出一种粒子场的存在，预言一种能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子[希格斯玻色子(Higgs boson)，亦称上帝粒子(God particle)]的存在。他认为这种玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础，其他粒子在玻色子形成的场中游弋并产生惯性，进而形成质量，构筑成大千世界。 2013年3月14日，欧洲核子研究组织发布新闻稿表示，2012年6月22日所发表的声明中关于寻找希格斯玻色子(图1-3)的*新研究结果是正确的。上帝粒子将是人类认识宇宙的一面*直接的镜子：如果作为质量之源的它确实存在，物理学家就可能因此推测出宇宙大爆炸时的情景以及占宇宙质量96%的暗物质(包括暗能量)的情况。希格斯和比利时物理学家恩格勒特(F. Englert，1932—)因此获得了2013年诺贝尔物理学奖。 图1-3　计算机模拟绘制的希格斯玻色子出现事件 希格斯 恩格勒特 1.1.2　元素的起源 1. 恒星演化 相当多的书籍[16-21]根据已有的观测资料和理论，给元素起源初步描绘出了这样一幅轮廓：宇宙大爆炸后形成了两个丰度值*高的元素氢和氦，这些初始物质凝聚成恒星和星系，恒星演化开始了重元素的核合成，而新一代恒星又在这含有重元素的星际物质中重新凝聚而成，在恒星的生命末期又将其制造的重元素抛向星际空间，恒星似乎就是这样生生死死地繁衍着，在演化过程中其化学组成不断变化，轻元素不断合成重元素，不同质量的恒星有不同的演化过程，并产生不同类型的核合成过程[22-24]。另外，不同类型的超新星也有着不同的爆发特征，产生的化学元素也不尽相同(图1-4)。例如，银河系呈旋涡状，直径105光年，包含2×10*个星体，诞生于120亿年前；太阳是50亿年前银河系中超新星爆炸所产生的星球，