理論上的超重元素會不會在超新星中形成?

理論上認為,核“穩定島”是由原子質量處於114-116之間的原子核組成的。(薩拉:我認為你指的是原子序數),我認為在我們所生活的星球上找不到這樣的元素,但有可能在一顆足夠大的恆星的超新星上找到。


理論上的超重元素會不會在超新星中形成?


那麼問題來了:

1.在給定一顆恆星質量的前提下,存不存在一個理論公式可以預測其超新星元素的同位素產量?

原子序數大於鐵的元素都是人工合成的,最常見的是S-過程(S表示慢)和r-過程(r表示快)中子俘獲方法。該方法的原理大致為:從一個種子原子開始,假設為(56,26)的鐵原子,鐵原子所處的區域周圍有大量的中子(比如說超新星),然後中子開始逐漸在鐵原子上堆積。


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當俘獲了6箇中子後,(56,26)的鐵原子變成了(62,26)的鐵原子,這時候鐵原子在一段時間內極易發生β衰變(在這種情況下,大約1分鐘),衰變的時間比俘獲下一個中子的時間更短。在鐵原子能夠俘獲更多的中子之前,它衰變成(62,27)的鈷原子,接著又衰變為(62,28)的鎳原子,直至此時鎳原子處於穩定狀態。接著,中子漸漸地在鎳原子上聚集,鎳原子的原子質量逐漸地大於週期表上其他元素的原子質量。當原子序數質量數過高時,中子俘獲會導致原子發生裂變。


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因此,能否到達核“穩定島”取決於最大原子序數,該原子能夠在進行上述R過程中子俘獲不會發生裂變。每當研究到穩定島的預測問題時,人們總是連篇累牘地闡述自己的論點:能否或者是否存在可能性通過R過程來實現核“穩定島”,各有各的說法。因此,在回答上述問題時,還沒有人確定是否有穩定的超重元素形成,這是一個探索宇宙本性的問題,而不僅僅是發現一個足夠大恆星能夠解決的。


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(當然,我所描述的實驗條件並不是唯一的——中子星和黑洞的二元系統也是個形成超重元素的好地方,但鑑於我還有3個問題要回答,就不再深入討論下去了。無論如何,還沒有人能夠做出花崗岩的箱子{除了一個人造的加速器},那麼這種可能性就是存在的)


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蘇宇波評論(2019.1.28):對雙中子星合併系統GW170817的電磁觀測似乎與R過程核合成的理論模型是一致的。本文以R過程中元素丰度為出發點的理論,大致可以解釋銀河系中元素丰度問題。請繼續關注,我們將發現更多類似事件。


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2.假如存在這樣的理論公式,那麼是否可以預測在宇宙中找到穩定的超重元素(114-116)的可能性大小?還是說已經有預測的結果了?

超重元素的衰變壽命已經被刻意地預測過,但正如1問中所提到的,目前無法證明有穩定的超重元素被成功地製造出來,更不用說這個可能性了。根本沒有這種穩定的超重元素,那麼其他任何東西都無從談起。


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蘇宇波評論(2019.1.28):這樣的超重原子核實際上是在實驗室被合成並正式認可的;它們的衰變週期只有幾毫秒,所以說你根本不用期望下一秒它們還存在(即使該元素的質量與太陽不相上下,它的衰變時間也只需要幾秒鐘),例如,早在2002年就發現的Og(z=118),直到2015年才正式命名。

3.我們知道自己在尋找什麼樣的元素嗎?(我們可以預測這些理論上存在的元素的光譜特性嗎?)

事實上,預測超重元素的化學性質已經有約定俗成的方法——事實證明,當原子序數超過一定範圍時,你需要在量子力學的範疇內對它進行研究觀測,當你研究超重元素時,可以用來驗證量子理論是否能恰如其分地解釋某種現象,如果不能,那是不是這個理論還需要修正。人們已經竭盡全力去預測能夠完美適配超重元素的理論模型了。

4.如果我們知道自己所要尋找的元素,那是否有人已經開始找了呢?

當然了——事實上這個搜索的範圍包括了整個太陽系。組成太陽系的物質已經經歷太陽這個恆星形成的生命週期過程,如果超新星能夠產生超重元素的話,那麼我們周圍的宇宙空間就能找到它們(如此多的“超重元素”——科學家們有時候真的缺乏獨創性)。人們沒有試圖探測直接來自超重元素的輻射(當然這也不太可能),而是檢測隕石來證明宇宙射線是由超重元素輻射,並且還在地球和月球的隕石樣本中尋找這種證據存在的可能性,然而並沒有得到結論性的成果。

相關知識

超重元素是指原子序數超過103或105的元素,103號元素為鐒,105號元素為��。這些元素均為人工合成元素,具有放射性,並且穩定性較差。

超新星是某些恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸都極其明亮,過程中所突發的電磁輻射經常能夠照亮其所在的整個星系,並可能持續幾周至幾個月才會逐漸衰減。而在此期間,一顆超新星所釋放的輻射能量可以與太陽在其一生中輻射能量的總和相當。恆星通過爆炸會將其大部分甚至幾乎所有物質以可以高至十分之一光速的速度向外拋散,並向周圍的星際物質輻射激波。這種激波會導致形成一個由膨脹的氣體和塵埃構成的殼狀結構,這被稱作超新星遺蹟。超新星是星系引力波潛在的強大來源。初級宇宙射線中來自超新星的佔了很大的比例。


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蟹狀星雲是超新星殘骸,它是在公元1054年首度被發現的。

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