元素的起源與0號元素

2014-09-18 08:44:16郭德榮

大學化學 2014年4期

郭德榮

(寧夏大學化學化工學院寧夏銀川750021)

不久前，中國知網刊登了一則“發現0號元素”的消息。大意是:法國科學家弗朗西斯科-米格爾·馬凱斯(Francisco-Miguel Marqucs)在國家重離子研究所(GANIL)的加速器實驗中，發現了6個粒子，這種粒子是4個被聚合在一起的中子，該粒子不顯電性，被稱為“四中子”。如果是這樣，它將是一種元素，有人將其稱之為0號元素，它與普通中子互稱為同位素。在元素周期表中，0號元素的位置應在氫元素的前面。對于這一消息，網上有兩種相反的評論。一種意見對四中子有較大的質疑，認為按照標準的粒子物理模式，核力再強也無法將兩個中子結合在一起，更不用說4個了;如果修改物理法則允許四中子存在的話，這個世界將變成另外的樣子。另一種意見認為以上推斷存在漏洞，現有的理論的確支持四中子存在，但只是一種隨機產生的短壽命粒子。有科學家指出，4個中子同時擊中探測器的可能性是存在的;另外，中子星的存在也支持多中子物質的理論，在中子星中，有大量的中子聚合在一起，說明宇宙中存在一種無法解釋的力量實現了它們的相聚。

這一消息是令人興奮的。上世紀末，我就提出中子是0號元素的概念，并于2000年在寧夏大學化學化工學院作了幾次學術報告，把0號元素排在我新制定的元素周期表中。2005年，我出版了專著“元素的演化和周期律的本質”［1］，進一步闡述了把中子看作0號元素的論點和論據。如果四中子真的存在，那將為我的論點增添一條新的論據。后來我又給0號元素命了名，在本文中將對有關0號元素的問題做進一步說明。

1 化學元素的起源和演化

自然界事物的運動和變化遵循著各種各樣的基本規律，而在這些規律之上還有一條更基本的規律，這就是萬事萬物都存在著一個起源、演化和消亡的規律。這里所謂的萬事萬物，不但包括地球上的一切事物，還包括地球本身以及地球以外的一切天體、整個宇宙空間中的一切事物，最終包括我們認識到的宇宙本身。毋庸質疑，化學元素也有其起源、演化和消亡的過程。

最早用科學思想提出化學元素起源和演化的科學家是英國物理學家、化學家克魯克斯(W.Crookes)，他發現各種化學元素在自然界存在的豐度有一定的規律，并根據這個規律提出復雜元素是由簡單元素演化而來的假說。這是約100年前的事，當時的科學拿不出其他證據證實這一假說。

20世紀中葉發展起來的恒星能源理論和現代宇宙學理論為化學元素起源和演化學說開辟了新的道路。化學元素的起源和演化學說得到科學實驗、天體觀測和許多領域科學理論的支持，宇宙中化學元素起源的理論由此而逐步完善。1983年諾貝爾物理學獎授予美國科學家福勒(W.A.Fowler)，他是因發展了宇宙中化學元素起源的理論而獲得該獎的。

宇宙中所有的天體都是由我們所認識的100多種化學元素組成的，因而化學元素起源是宇宙起源的組成部分。宇宙起源是現代宇宙理論的核心，在愛因斯坦(A.Einsten)的廣義相對論基礎上發展起來的現代宇宙學把人們對宇宙的認識從哲學家的思辨中和神學家的廟堂里解放了出來，使之成為一門真正的科學。之后德西特(W.De Sitter)、弗里德曼(A.Friedman)、勒梅特(G.Lemaitre)、愛丁頓(A.Eddington)等天文學家有效地發展了愛因斯坦的宇宙學理論。天文學家哈勃(E.Hubble)對天體的觀測則具有突破性的成就，他為1932年建立愛因斯坦-德西特宇宙起源模型奠定了基礎。1948年，弗里德曼的學生伽莫夫(G.Gamow)把它發展成一套完整的新宇宙學［2］，到20世紀60年代已成為宇宙學中的主導理論。

1956年，4位合作者瑪格麗特·伯比奇(Margaret Burbidge)、杰弗里·伯比奇(Geoffrey Burbidge)、福勒(W.A.Fowler)、霍伊爾(Fred Hoyle)在《科學》上刊登了一篇關于元素起源的短文，接著就發表了登在《現代文理評論》上的那篇至今被視為科學經典的論文，用瑞典科學院宣布福勒獲諾貝爾獎時的話，該文“仍然是我們對這個領域知識的基礎，核物理和空間研究的最新進展已經進一步證實其正確性。”［2］

中子在化學元素起源理論中的地位特殊，“中子是伽莫夫宇宙的關鍵成分。一個中子只要是在穩定的原子核內，它就保持為中子。但若隨其自便，則單獨的中子會自己衰敗，每個中子分裂成一個質子和一個電子。這種衰變發生得相當快，半衰期大約是13分鐘(注:當前確定為881秒)。所以如果宇宙是從滿含中子的高密集態也就是一種中子氣開始，那么它就能提供出質子和電子，這兩種粒子的數量總是相等的，它們進而組成穩定的原子，于是就不會有一種電荷過剩?！保?］

當代宇宙大爆炸模型被稱為宇宙學標準模型，按照這個模型，宇宙是在大約137億年前從一個具有無限大的密度和時空曲率的“奇點”開始的。宇宙年齡在0.1秒以前是輕子和夸克的天下，接著進入強子時期，由夸克結合成的中子和質子誕生了;在宇宙年齡約10～200秒時進入核過程時期，中子和質子首先結合為氘核，兩個氘結合為氚核，氚核與氘核又結合為氦核，這個過程進行了約3分鐘時間，除產生氦核外還產生了少量的鋰和鈹。質子十分穩定，處于自由狀態的中子則衰變為質子。其他的元素是在其后的漫長過程中，隨著宇宙的膨脹和溫度降低形成中性原子，然后演化出星系和恒星。在恒星中，以氫為燃料的核聚變產生出氦，以氦為燃料的核聚變產生出碳等更重的元素;恒星質量越大，更重的元素也有可能成為核燃料，但這個核燃料到鐵就終止了。比鐵重的元素則是在超新星爆發時產生的。

這就是化學元素的起源和演化的大概過程。這里主要強調的是中子，沒有中子就不會有元素的生成和演化。元素的起源是從中子和質子的誕生開始的，而中子可自發衰變為質子，由此可認為中子是元素起源和演化的起點，這個結論是符合事實的［1-5］。

20世紀40年代，伽莫夫(G.Gamow)把當時宇宙創生的思想推進了一大步，他把化學元素的形成同宇宙創生聯系起來，確信宇宙中化學元素的相對豐度值必定是由宇宙創生的過程決定的。后來他和阿爾弗(A.Alpher)從一篇研究論文中得知，各種原子的中子俘獲截面隨元素在周期表中的位置不同而變化，而其變化曲線同宇宙中化學元素的相對豐度曲線很相似。大爆炸宇宙學的第一篇研究論文就是在這一有益啟示下完成的［2］。他們的最后結論是，宇宙中現在的化學元素豐度曲線是宇宙最初形成時一次巨大爆炸的結果。

按伽莫夫的理論，宇宙元素是從中子開始的，中子可自發地衰變為質子，隨宇宙膨脹而溫度降低，重元素按中子俘獲的快慢順序由中子和質子生成。這個理論還預言早期的熾熱宇宙會留下一個微波背景輻射遺跡，溫度約為5K。

科學家后來對宇宙中的氦豐度及氘豐度進行了直接測量，結果證明輕元素起源理論是很成功的。1964年，彭齊亞斯(A.Penzias)和威爾遜(W.Wilson)發現了微波背景輻射，當時測定為3.5K，現定為2.7K。這與伽莫夫原來的計算結果不完全相同，這主要是由于宇宙初期的質子大多是由輕子相碰撞產生的［6-7］。

2 “從無到有”和“0起點”

近20年來，宇宙學又有了重要的進展。粒子和量子重力理論徹底改變了人們過去的宇宙觀，對宇宙的觀測和研究得出了新的結論，即大部分宇宙能量彌漫于整個空間，這個新發現有力地支持了宇宙無中生有的準確性。為此，美國理論物理學家克勞斯(Lawrence M.Krauss)出版了名著《無中生有的宇宙》［3］，他在書中寫道:“我們今天的一切都是量子波動的結果，量子波動必然是無中生有的結果?！薄翱磥砹孔恿W不僅允許宇宙無中生有，甚至需要宇宙無中生有。我強調:在這種情況下，‘無’的意思是:不存在時間、空間和一切!‘無’是不穩定的?！?/p>

元素起源是宇宙起源以后的事情，宇宙起源于“無”，元素也起源于“無”，但這兩個“無”似有區別。事物的起源就意味著從無到有或“無中生有”。需要對這里所說的“無”強調的是:“無”不是指一無所有那種絕對的無，而是指某事物的本來不存在。

在數學的坐標系中，兩個坐標軸的交點用0表示，在這里我們也借用0來表示“有和無”的交點，稱其為“0起點”，它表示事物起源的起點或者起始的特殊狀態，指一切事物的起源從0開始，其意義并不等同于數學上的0。

本文討論以上問題是為了研究化學元素。我們已經知道化學元素起源于中子，也就是說中子是化學元素起源和演化的起點，下面論述中子是否可以算是化學元素。

3 0號元素

如前所述，可以認為中子是化學元素起源和演化的起點，這就是說，中子在宇宙中的誕生意味化學元素在宇宙中“從無到有”了，即中子的地位就處于元素的“0起點”狀態。首先，中子表示化學元素從無到有，那么中子就應該是化學元素，它是“0狀態”的元素，故可稱之為0號元素;其次，0號元素一般顯示不出普通元素的化學特征，這也是人們至今沒有把中子看作化學元素的根本原因。

0號元素的特殊性在于它只參與核反應而不參與化學反應。從核反應角度看，中子是當之無愧的元素，而從化學反應角度看，似乎它又不是元素。時至今日，人們一直忽略中子是元素的方面，而當代化學元素起源和演化學說的成就，把中子是否為化學元素的問題提到了科學議程上。本人建議把中子看作元素，這個建議也只有在人們對化學元素的起源和演化有了深刻的認識才有可能被認可。

在物質起源演化“0起點”的概念中，中子被認為是特殊的“0號元素”。同理，本人對元素周期系，也提出了“0周期”和“0族”的概念和實際應用［1］。

3.1 中子是特殊的化學元素

3.1.1 中子和質子

中子和質子的大小及質量幾乎相同，并有相似的結構和性質，它們的自旋都是1/2，都由上夸克(u)和下夸克(d)結合而成。若用n代表中子，p代表質子，那么中子可表示為n(dud)，質子可表示為p(udu)?！叭绻还茈姶帕Χ豢促|子和中子的其余性質，它們就很相似，相似到使物理學家把它們看作是一個基本實體的兩種可能的‘態’，這個基本實體就叫做核子?！保?］

在兩種核子態之間，即在中子和質子之間，或者說在上、下夸克之間，有著一種基本的對稱性?！巴ㄟ^計算，兩個質子之間、1個質子和1個中子之間以及兩個中子之間的強相互作用是幾乎相同的。除了一個帶電一個不帶電這一幾乎可以忽略的事實之外，中子和質子的習性是完全一樣的。1932年，沃納·海森堡(Werner Heisenberg)大膽地提出:大自然在明確暗示，中子之謎只能通過大自然設計中的一種基本對稱來理解?！保?］這就是為什么只有這兩種核子才能組成各種元素原子的原子核從而造就出大千世界。

人們通常把質子看作1號元素氫的原子核氫離子(H+)。這已經能夠說明中子和質子有著同等的地位，也就有理由把中子看作“0號元素”的原子核，即中子是一種特殊的元素。

3.1.2 中子星

把中子看作一種元素的另一個有力證據就是在宇宙中存在著由這種元素構成的天體——中子星。當較大的恒星演化為超新星爆發之后，其核心會坍縮成中子星，中子星是在特別條件下由中子相互結合構成的星體。自1976年發現第一顆中子星至今，人類已發現了2000多顆中子星，其中大多數表現為脈沖星。中子星存在的事實告訴我們，可以把中子看做是一種特殊的元素。有了中子是一種元素這個前提，我們才可以說:宇宙間一切星球都是由化學元素構成的。

3.1.3 中子與稀有氣體元素

稀有氣體元素不僅很難與其他元素化合，而且自身也是以單個原子的形式存在，這一特性與中子是相似的。1962年，人們合成了重稀有氣體元素的化合物，這樣就使所有稀有氣體元素都摘掉了“惰性”的帽子。當初被認為是元素并不是以它們是否有化合物為依據，而且至今也沒有報道氦有什么化合物，但氦當然還是元素。還有很多來不及化合就消失了的人造元素也是元素，唯獨中子不被認為是元素，這可能是由于中子外面沒有電子。但人們在高能情況下發現一個新的核就算發現新元素了。須知，所有元素都是在極高的溫度下誕生的，與電子毫不相關，中子不也是一個裸的核嗎?

3.1.4 “四中子”

在本文開始時已經說明四中子是有可能存在的，馬克小組的實驗進一步說明，把中子看做0號元素是正確的。

綜上可得結論:中子是核電荷為0、核外無電子的特殊元素，這一元素在周期表中排在氫元素之前，原子序數為0號。0號元素可以說是有放射性的，其衰變與其他放射性元素的衰變特點一致，即中子可衰變為另一種元素，同時放出射線。中子的半衰期為881.5±1.5秒，衰變后生成1號元素氫的核(質子p):

式中νe為電子中微子，e-為電子。

0號元素的特殊性在于它不參與一般的化學反應，但在核反應中是十分活潑的。

3.2 0號元素的元素符號

普通元素的元素符號都是大寫的拉丁字母。由于0號元素的特殊性，我們用一個小寫的拉丁字母“n”作為它的元素符號，其實這就是我們習慣上早已使用的符號，即中子的拉丁文neutron的首字母。

3.3 0號元素的命名

筆者將0號元素命名為“中”，其含義非常豐富:

第一，“中”指0號元素是中子。

第二，“中”象征0號元素對電子親和的“中性”。

第三，“中”表達了首先從理論上提出0號元素概念的是中國人，“中”也寄托著筆者對中國的熱愛。

第四，“中”表示“中”元素在周期表的中心位置和地位［1］，它包含著豐富的中華文化智慧。

元素起源于0號元素，因而0號元素是所有元素的“始祖”，它不參與各元素原子間化分與化合的變化，但卻保持著每一種元素原子核的平衡。在原子核中，中子與質子數量的比例一般在1～1.5之間，并且越大的核越需要更大比例的中子來保持這個平衡。

第五，“中”包含著豐富的美學意義。

在中華文化中，“中”的美學意義在于“中”能表達事物的對稱與和諧。

在元素大家族中，與0號元素“中”相對稱的元素是1號元素“氫”:“中”是宇宙演化的起始元素;“氫”是恒星上元素演化的起始元素。“中”元素原子的核是一個強子——中子;“氫”元素原子的核也是一個強子——質子。其他元素原子的核則是由中子和質子組成的一個對稱、平衡和協調的體系。

4 核反應

雖然核反應過程中發生了粒子的質變，產生了新物質，但通常是把這樣的物質運動納入物理運動或物理變化過程;在化學科學中，有一個分支學科稱為核化學，核反應是核化學的重要組成部分。

核反應是由于核結構發生變化產生新原子核的物質運動過程，而原子核是由中子和質子組成的，所以核反應的實質是原子核中中子和質子數量的變化。無論是發生在自然界的核反應還是人工核反應，中子和質子都是最活躍的。

人們把組成原子核的中子和質子統稱為核子。無論是在原子核的組成中還是在核反應中，中子和質子都是對等的。唯一不同的是，質子可以認為是一種核素(氫元素有3種核素，質子是其中之一而且是氫元素最重要的核素)，即質子就是元素，但中子則不是元素。把中子和質子這樣區別開來是說不通的。

有中子參加的核反應是常見的也是最重要的核反應，在核與核間有力碰撞下發生的核反應中，常有中子產生。1932年，查德威克(J.Chadwick)重復了用α粒子轟擊鈹原子核能發射出穿透能力非常強的射線的實驗，他進一步分析證明，這種射線正是12年前盧瑟福(E.Rutherford)預言的中子流，中子終于被發現了。接著約里奧-居里(Joliot-Curie)夫婦發現用α粒子轟擊硼、鋁、鎂等靶核也能產生中子，同時產生帶有放射性的原子核，從而開拓了人工獲得放射性元素的新道路。

當前對原子能的開發主要是核的裂變能。我們知道，鈾-235、鈾-233、钚-239等重核被慢中子轟擊時可分裂成大小不同的兩個碎核，同時有2～4個中子射出。如果使射出的中子減速繼續轟擊更多的重核，就可實現重核的鏈式裂變反應并獲得巨大的原子能。這里中子的作用是最關鍵的。

由于中子不帶電荷，因而容易打入原子核引起各種核反應;反之，當原子核受到撞擊時，中子又容易從核中迸發出來引起核裂變，這就決定了中子是核反應中的最活潑元素。這一性質還決定了中子在元素生成演化過程中的巨大作用，也決定了人類對中子的廣泛應用。

對中子的應用主要在以下幾個方面(這里不作詳細介紹):

利用強的中子源制造各種同位素、研究新的核反應。

利用慢中子有效獲取核能，在裂變反應堆的控制中起重要作用。

生產核燃料和生產超鈾元素。

利用中子研究核反應機制、研究原子核的結構。

在所有核反應中，中子與其他核素起著相同甚至更重要的作用，可見中子和質子一樣，都既是核子也是核素，中子是一種不帶電荷的特殊的核素。

結論:應該把中子定義為“0號元素”;中子是一種特殊的重要元素。

［1］郭德榮.元素的演化和周期律的本質.銀川:寧夏人民教育出版社，2005

［2］約翰·格里賓.大爆炸探秘——量子物理與宇宙.盧炬甫譯.上海:上海科技教育出版社，2001

［3］Krauss L M.無中生有的宇宙.劉仲敬譯.南京:江蘇人民出版社，2012