打开原子的大门-第15章

按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！


和氧化合生成的水就名叫重水（分子式为D＇＇＇2　O）。
　　由于发现了重氢，尤里在1934年获得诺贝尔化学奖，当时他仅仅41岁。他所以能发现重氢，是利用了在波尔那里学来的知识，首先计算出原子核质量数为2的氢的同位素的原子光谱谱线的位置（谱线的波长），又参考了老汤姆逊和他的学生阿斯顿一起验证空气中的氖有两种同位素的实验方法，终于获得了成功。
　　重氢和重水是发展原子能事业的重要材料，1933年尤里在美国的老师路易斯利用电解水的方法得到了第一小滴纯重水，并且测定重水的密度是1。108，沸点是101。42℃。1934年挪威利用廉价的电力建成世界第一座重水工厂。二次世界大战期间，美国研制原子弹，尤里是重要的科学顾问，负责铀…235的分离和重水的工业生产。
　　第二次世界大战后，尤里转而研究宇宙化学。他对半个多世纪以来科学家们积累的关于地球、陨石、太阳、恒星、星云等各种宇宙体的元素和同位素分布的资料，进行了统计分析并于1951年第一次发表了元素在宇宙间的分布数据，1956年进一步修订后，作了一张元素在宇宙间的分布曲线图。这张图是以宇宙间元素的同位素的相对含量为纵坐标，以核的质量数为横坐标画出来的。概括地说，氢最多，氦次之，再次为碳、氮、氧，并且随相对原子质量的增加而迅速减少，但到了铁时有一个突然增多，而比铁更重的元素则又是逐渐减少。
　　这样，就进一步发展了元素起源和宇宙学理论。
　　　宇宙间的元素是从哪里来的？
　　尤里的宇宙元素相对含量分布图，和前面讲的恒星的光谱…光度图一样，对宇宙学的研究工作十分重要。科学家们必须对我们观测到的现在宇宙的元素分布作出科学的解释，还要说明其演化过程。
　　宇宙间元素的分布规律又与天体的演化态有关。一般说来，在早期形成的星中，金属／氢的比值很小，而年老的星这个比值则增大，在超新星爆发时，会生成放射性元素，甚至还发现有超铀元素。于是，元素的演化又成了宇宙学家研究的课题，他们先后提出了平衡过程假说，中子俘获假说，聚中子裂变假说等，但都难以圆满解释现有宇宙中元素分布的规律。成功的是1957年提出的恒星中生成元素的假说（这个假说由Burbidge夫妇、Fowler和Hoyle共同提出，所以简称B　2　FH学说），这个假说也是建立在大爆炸宇宙学的基础上的。
　　这个假说认为随着恒星的形成、演化和衰亡的过程，在恒星的核心分阶段地生成了由轻到重的各种元素。B　2　FH理论基本解释了尤里的宇宙间元素的分布曲线。
　　　大爆炸
　　现代宇宙学认为：原始宇宙是完全由中子组成的非常炽热、非常稠密的大火球。后来，宇宙开始膨胀并变冷，这时中子蜕变为质子和电子。这种由中子、质子和电子组成的原始物质名叫“太素”（Yelm）。
　　当原始宇宙温度下降到10　9　～10　10　K时，原始物质开始结合成氘和氦（当然绝大部分还是氢），这是原始的星际物质。根据B　2　FH理论，原始的星际物质靠引力收缩形成一些团块——原始恒星，同时内部温度逐渐升高，当恒星内部温度升到7×10　6　K以上时，氢的核聚变开始，核反应的辐射膨胀与恒星的引力收缩相抵制，恒星发光并进入相对稳定状态，这时恒星内部的核聚变有质子…质子循环和碳…氮循环两种。这是恒星氢燃烧阶段，一般可稳定进行100万～100亿年。我们的太阳已进行了约46亿年，估计还将继续50亿年。这一阶段在恒星核心生成氦，同时还有一些碳、氮、氧等元素的形成。
　　当恒星核心的氢全部转为氦（约占恒星总质量10％～15％）时核反应停止，引力收缩占优势，结果使核心温度上升，恒星外壳膨胀，变成红巨星。当核心温度升高到10　8　K，密度也骤增，开始了新的核反应——氦燃烧。这时恒星变成脉动变星（这类恒星有规律的膨胀和收缩像脉搏一样）。氦燃烧主要是三个氦原子核结合成碳核的聚变反应，然后再生成氧。
　　如果恒星足够大，那么还将继续收缩升温，发生碳和氧燃烧（聚变）过程，生成硅、钙等元素。更进一步则是硅燃烧（又名α过程），其核反应机理是硅核光解生成高能α粒子，α粒子又与别的核结合生成铁族元素。当恒星演化到这个阶段，核心的温度可以增高到4×10　9　K，这就使核达到统计平均状态，生成元素周期表上铁附近的多种元素。这个过程是e过程（平衡过程），结果是生成铁质核心。到这时，恒星就进入风烛残年了。
　　据B　2　FH理论，比镍更重的元素不能靠聚变反应生成，而是由一些重元素核在恒星中连续俘获中子形成的。在大质量恒星（质量达到8～20个太阳质量）演化的末期，核心温度可以高达4×10　9　K，铁会转为氦和中子，大量吸热，使核心处于爆缩状态，随之是超新星爆发。这时强密度中子流会陆续击人元素核中生成铀、钍，甚至超铀元素和超重元素。
　　　恒星的生与死
　　根据爱因斯坦在20年代初提出的质能转化关系，贝特等在30年代末提出氢聚变为氦的热核反应是太阳发光发热的能源。通过对太阳内部结构的研究和分析，天文学家们进一步研究了恒星的能源和演化的关系。于是就产生了核天体物理学这样的一个天文学分支。由于恒星形成时的质量不同，发的光（能量）也不同。恒星越大发光越强烈（表面温度也高），在主星序内停留阶段也短，反而是质量小的恒星，能量消耗少，稳定发光的时间要更长。一般说来，高光度、大质量的O和B型星在主星序上停留只有几百万年、几千万年，而低光度、小质量的K和M型星则可以稳定发光长达几千亿年、几万亿年之久。太阳是G型星，据计算在主星序阶段可以停留100亿年左右，如今已过了50亿年，即已达到中年，估计还能维持50亿年或更长的寿命才进入晚年。
　　当恒星核心中氢的含量消耗到只剩1％～2％时，能量供应不足抵住引力，恒星开始收缩。收缩使核心温度进一步增高，这时恒星核心边层开始发生氢转变为氦的核反应，使得恒星外层温度增高而膨胀变成红巨星。而内部核心的温度升得更高，引发了氦的聚变，这时恒星会发生周期性的膨胀和收缩。
　　更进一步的情况是，小质量的恒星，因能源耗尽而收缩成红矮星。大质量的恒星，因引力收缩，使热核反应不断升级直到生成铁的核心。这时恒星的核心再进一步坍缩，外层就会爆发成为“新星”或“超新星”（“新”只是我们似乎观察测到一个新的星，而实际上是个快要老死的星），而其核心则变成为密度极大的白矮星或中子星。也有的爆发后就完全散开到宇宙空间去了。
　　例如，公元1054年在金牛座的超新星爆发，在我国的史书中有详细的记载。在今天我们还可以看到爆发时抛出的蟹状星云，和一颗中心遗留的中子星。新星和超新星爆发可以说是恒星晚年的回光返照。但这决不是一般的回光，一颗超新星爆发时光度可以达到10　7　～10　10　个太阳的光度（相当于整个星系的光度），即光度突然增大千万倍甚至上亿倍，同时放出极大的能量。这是恒星世界中已知最为激烈的爆炸，而爆炸得到的产物是比铁更重的元素，直到超铀元素。
　　根据爱因斯坦广义相对论还预言了一种特殊的天体——黑洞。1939年奥本海默等作过计算，认为星球有可能坍缩到它的引力半径之内（引力半径r＇＇＇g　＝2GM／c　2　，式中G为万有引力常数，c为光速，M为恒星质量。对于晚期高密度的恒星来说，当恒星质量超过引力半径公式给定的M值时，就会形成黑洞。也就是说连光线也不能从黑洞中逃逸出来，这样外界就无法再观察到它了。黑洞也是恒星终极的产物，天文学家们极力设法找寻黑洞，首先在双星体系内寻找黑洞。天文学家们描绘了这样的图景，黑洞天体不断地把它的伴星的物质像长虹吸水一样的吞噬着，它们也许最终会合并成一个黑洞。
　　一般说来，恒星是由低密度的星际物质凝缩而成，这是形成恒星的原料——原始星云，质量大约是几十个乃至一万多个太阳的质量。在凝缩过程的同时，不仅密度不断增加，而且核心温度也不断增加，辐射压力和引力相互较量之后，终于平稳地收缩成原恒星。在这过程中，原恒星的核心温度继续增大，增大到700万度以上时，氢聚变为氦的热核反应开始，恒星发光发热，而核心产生的能量足以抵住引力收缩的压力和向外辐射掉的能量，于是变成一颗稳定的正常发光的恒星，进入了主星序成为一颗主序星，这是恒星的壮年时代。
　　恒星经历了生老病死的过程，在这个过程中把物质转化为能量，把氢和氦转化为更重的元素直到超铀元素，从而为宇宙向更深层次的演化奠定了基础。恒星死亡的残骸将混人星际物质中，准备生成更新一代的恒星。
　　　元素的年龄
　　以上概略叙述了元素在恒星中的演化。根据B　2　FH理论，放射性元素是在恒星演化后期形成的。如果我们选两个半衰期不同的放射性同位素例如铀…235和铀…238，假定它们同时形成，形成的比例可由理论推算，可以简单认为是1比1。那么，由地球或其他宇宙天体中这两种放射性物质的现今比例，就不难推算出经过了多少年了。
　　例如，在地球上铀…235对铀…238现今的比例已经是0。00725。而且科学家们已经测定：铀…235的蜕变常数是9。72×10　10　／年；铀…238的蜕变常数是1。54×10　10　／年，所以不难推算出铀元素生成到现在已经过了6。5×10　9　年了（65亿年）。当然，这是元素的年龄下限，也就是说这是老一代恒星爆发为超新星到现在的年龄，再往前推算原始恒星的生成和演化的年龄，由之可以估算出银河系的年龄约为150亿年。或者说，这就是原始大爆炸到现在的年龄。
　　如果我们银河系的初始状态全部是氢，那么第一代恒星应当全部由氢组成；第一代恒星死亡后，生成的各类元素弥散开来，使银河系的组成发生变化，于是再凝聚成的第二代、第三代恒星的原始组成就复杂了。我们的太阳现处于氢燃烧阶段，但已有铁等重元素，可以肯定它不是第一代恒星。而地球也只能是由第一或第二代恒星的残骸形成，地球的铁核、地球上的各种元素和放射性物质，都说明了这一点。这就是地球上为什么有这么多种元素的原因。
　　在恒星中后期形成的重元素，实际上储存了恒星的能量，又以放射蜕变形式逐步释放，所以我们地球不仅享受着本代恒星——太阳供应的能，而且还在享受着前几代恒星留下来的“祖先遗产”。可以这样认为，地球是银河系物质演化高级阶段的产物。
　　关于元素的起源和演化的学说，实际上还处于假说阶段，还有不少重要环节不很清楚。在这方面，天文学上的新发现还在不断丰富其内容。
　　　行星系演化的学说
　　人类在对宇宙漫长的研究过程中不断地摆正了自己的位置。哥白尼以后，地球不再是宇宙的中心了，至于太阳则不过是我们太阳系的中心，太阳作为一颗恒星仅仅是我们所在的银河系——本星系中的一颗普通的恒星，而且也不在本星系的中央。
　　能够最先研究得较为详细的应当是太阳系本身——太阳和各行星的大小、距离、公转周期、自转周期……行星又各有几个卫星。当然，还有的行星有光环，还有一大群小行星，还有彗星……总的说来，它们都基本上处在同一平面上，按同样的方向旋转。在天文学中最先提出的一个问题就是太阳系是怎样形成的，太阳系在宇宙间是不是唯一的（如果是唯一的，那地球上的人类也将是唯一的宇宙精灵）。作为真正的天文学家来说，他们从来不相信太阳是宇宙间的唯一的行星系，当然像人一样的智慧生物，也会在宇宙间别的星球上存在。问题就在于要解决太阳系是怎样起源的。
　　在早期，太阳系的起源和当时的天文观察水平相适应，也和当时科学认识的水平相适应。最早人们用望远镜看到了不少星云，有的是烟雾一样弥漫的，也有的是呈各种各样的旋涡形的。当时还没有认识到这些旋涡状星云是庞大的离我们极远的恒星系，与我们的太阳系不是一个尺度。但由这些观测还是产生了较早的太阳系形成理论，康德于1755年、拉普拉斯于1796年分别根据刚刚建立的万有引力定律提出了星云说——即太阳系是由一团气体星云形成的，因引力收缩而旋转，由于离心力的作用形成扁平的螺旋状，最后中心形成太阳，周围凝聚成行星。
　　以后就又有各种灾变学说。布封于1745年提出是一颗大彗星碰撞原始太阳，于是就飞溅出一些物质块形成行星系。1916年英国天文学家金斯提出十分流行的潮汐学说：当两颗恒星匆匆行近时，由于引力作用，由两颗恒星上各拉出一条雪茄烟状的物质长条，而当那恒星又匆匆离去时，这雪茄烟状物质就再也没有落回到太阳去，而是分段形成了各个行星。
　　实际上，只是后来对恒星的演化过程有了较深刻了解，在拉普拉斯星云说的基础上不断补充修正后，才有可能在恒星形成的过程中研究行星系的形成过程。如果说过去天文学家着重的是力学问题（特别是角动量的分布问题，即占太阳系总质量99。865％的太阳只占太阳系的总角动量的0。6％不到，而占太阳系总质量0。135％的行星、卫星等却占太阳系的总角动量的99。4％以上），如今就不仅要考虑一个物理的（只从力学角度考虑）行星系，而且还要从化学的角度（化学组成、能源的产生）来考虑行星系。1952年尤里等不仅考虑了物理的因素，更进一步提出以化学为基础的行星本身演化的假说，从而为行星上进一步的生命起源和演化的研究打下了基础。
　　　恒星和行星系的形成
　　关于太阳系（行星系）的起源和演化是与恒星的形成和演化过程同步进行的，200多年前康德…拉普拉斯的星云说所提出的模型和现代的理论基本是符合的，只是随着科学的发展而不断修正和补充，而且今后还将进一步修正。
　　在前面讲到恒星由原始星云形成的过程，在初始阶段还有些细节未能讲到。主要分为快收缩和慢收缩两个阶段，一开始引力占绝对优势，原始星云很快向内部收缩，中心的密度增加很快，大约要几万年到上百万年就可以形成原恒星（质量越大，形成越快）。这时核心开始变得不透明，而温度也逐渐升高。当温度升高到2000K时，氢分子开始分解成原子，吸收了大量的热量，又使得中心压力骤降，于是就塌陷成密度更大的内核。同时外部形成强烈的星风，阻止外围物质进一步落向核心。接下来就是慢收缩阶段，这阶段所经历的时间是几万年到十几亿年，直到核心温度升高到上万度，引发了核反应，这时恒星就形成了。而在星云坍缩成恒星的过程中，盘旋于星核外围的物质碎块平展成太阳星云，接下来太阳星云中的物质聚集形成行星体，这就是行星的前身，根据对地球和陨石的研究，这几个过程大约需要1。7×10　8　年，而地球和陨石的年龄是4。7×10　9　年。
　　天文学家应用电子计算机模拟计算了太阳星云中行星的吸积过程，曾经计算出许多不同的“太阳系”模型，结果都是太阳内侧的行星