元素的起源与0号元素

摇第29卷第4期2014年8月摇摇大学化学UNIVERSITYCHEMISTRYVol.29No.4Aug.2014摇

元素的起源与0号元素

郭德荣(宁夏大学化学化工学院摇宁夏银川750021)

摇摇摘要摇论述元素的起源是以中子为起点,中子是特殊的0号元素。以中子的衰变特点、核反应的特点、与

质子类同的特点、与稀有气体元素类同的特点以及中子星的存在、四中子的发现等论据,提出应当把中子看作元素并纳入元素周期表中。建议给这个特殊的元素命名为“中冶。摇摇关键词摇元素的起源摇0起点摇0号元素摇四中子摇“中冶元素

摇摇不久前,中国知网刊登了一则“发现0号元素冶的消息。大意是:法国科学家弗朗西斯科鄄米格尔·

马凯斯(Francisco鄄MiguelMarqucs)在国家重离子研究所(GANIL)的加速器实验中,发现了6个粒子,这

种粒子是4个被聚合在一起的中子,该粒子不显电性,被称为“四中子冶。如果是这样,它将是一种元

素,有人将其称之为0号元素,它与普通中子互称为同位素。在元素周期表中,0号元素的位置应在氢

元素的前面。对于这一消息,网上有两种相反的评论。一种意见对四中子有较大的质疑,认为按照标准

的粒子物理模式,核力再强也无法将两个中子结合在一起,更不用说4个了;如果修改物理法则允许四

中子存在的话,这个世界将变成另外的样子。另一种意见认为以上推断存在漏洞,现有的理论的确支持

四中子存在,但只是一种随机产生的短寿命粒子。有科学家指出,4个中子同时击中探测器的可能性是

存在的;另外,中子星的存在也支持多中子物质的理论,在中子星中,有大量的中子聚合在一起,说明宇

宙中存在一种无法解释的力量实现了它们的相聚。摇摇这一消息是令人兴奋的。上世纪末,我就提出中子是0号元素的概念,并于2000年在宁夏大学化

学化工学院作了几次学术报告,把0号元素排在我新制定的元素周期表中。2005年,我出版了专著“元

素的演化和周期律的本质冶[1],进一步阐述了把中子看作0号元素的论点和论据。如果四中子真的存

在,那将为我的论点增添一条新的论据。后来我又给0号元素命了名,在本文中将对有关0号元素的问

题做进一步说明。

1摇化学元素的起源和演化

摇摇自然界事物的运动和变化遵循着各种各样的基本规律,而在这些规律之上还有一条更基本的规律,

这就是万事万物都存在着一个起源、演化和消亡的规律。这里所谓的万事万物,不但包括地球上的一切

事物,还包括地球本身以及地球以外的一切天体、整个宇宙空间中的一切事物,最终包括我们认识到的

宇宙本身。毋庸质疑,化学元素也有其起源、演化和消亡的过程。摇摇最早用科学思想提出化学元素起源和演化的科学家是英国物理学家、化学家克鲁克斯

(W.Crookes),他发现各种化学元素在自然界存在的丰度有一定的规律,并根据这个规律提出复杂元素

是由简单元素演化而来的假说。这是约100年前的事,当时的科学拿不出其他证据证实这一假说。摇摇20世纪中叶发展起来的恒星能源理论和现代宇宙学理论为化学元素起源和演化学说开辟了新的

道路。化学元素的起源和演化学说得到科学实验、天体观测和许多领域科学理论的支持,宇宙中化学元

素起源的理论由此而逐步完善。1983年诺贝尔物理学奖授予美国科学家福勒(W.A.Fowler),他是因

发展了宇宙中化学元素起源的理论而获得该奖的。摇摇宇宙中所有的天体都是由我们所认识的100多种化学元素组成的,因而化学元素起源是宇宙起源

的组成部分。宇宙起源是现代宇宙理论的核心,在爱因斯坦(A.Einsten)的广义相对论基础上发展起来

的现代宇宙学把人们对宇宙的认识从哲学家的思辨中和神学家的庙堂里解放了出来,使之成为一门真正的科学。之后德西特(W.DeSitter)、弗里德曼(A.Friedman)、勒梅特(G.Lemaitre)、爱丁顿(A.Eddington)等天文学家有效地发展了爱因斯坦的宇宙学理论。天文学家哈勃(E.Hubble)对天体的

观测则具有突破性的成就,他为1932年建立爱因斯坦鄄德西特宇宙起源模型奠定了基础。1948年,弗里

德曼的学生伽莫夫(G.Gamow)把它发展成一套完整的新宇宙学[2],到20世纪60年代已成为宇宙学中

的主导理论。摇摇1956年,4位合作者玛格丽特·伯比奇(MargaretBurbidge)、杰弗里·伯比奇(GeoffreyBurbidge)、

福勒(W.A.Fowler)、霍伊尔(FredHoyle)在《科学》上刊登了一篇关于元素起源的短文,接着就发表了

登在《现代文理评论》上的那篇至今被视为科学经典的论文,用瑞典科学院宣布福勒获诺贝尔奖时的

话,该文“仍然是我们对这个领域知识的基础,核物理和空间研究的最新进展已经进一步证实其正确

性。冶[2]摇摇中子在化学元素起源理论中的地位特殊,“中子是伽莫夫宇宙的关键成分。一个中子只要是在稳

定的原子核内,它就保持为中子。但若随其自便,则单独的中子会自己衰败,每个中子分裂成一个质子

和一个电子。这种衰变发生得相当快,半衰期大约是13分钟(注:当前确定为881秒)。所以如果宇宙

是从满含中子的高密集态也就是一种中子气开始,那么它就能提供出质子和电子,这两种粒子的数量总

是相等的,它们进而组成稳定的原子,于是就不会有一种电荷过剩。冶[2]摇摇当代宇宙大爆炸模型被称为宇宙学标准模型,按照这个模型,宇宙是在大约137亿年前从一个具有

无限大的密度和时空曲率的“奇点冶开始的。宇宙年龄在0.1秒以前是轻子和夸克的天下,接着进入强

子时期,由夸克结合成的中子和质子诞生了;在宇宙年龄约10~200秒时进入核过程时期,中子和质子

首先结合为氘核,两个氘结合为氚核,氚核与氘核又结合为氦核,这个过程进行了约3分钟时间,除产生

氦核外还产生了少量的锂和铍。质子十分稳定,处于自由状态的中子则衰变为质子。其他的元素是在

其后的漫长过程中,随着宇宙的膨胀和温度降低形成中性原子,然后演化出星系和恒星。在恒星中,以

氢为燃料的核聚变产生出氦,以氦为燃料的核聚变产生出碳等更重的元素;恒星质量越大,更重的元素

也有可能成为核燃料,但这个核燃料到铁就终止了。比铁重的元素则是在超新星爆发时产生的。摇摇这就是化学元素的起源和演化的大概过程。这里主要强调的是中子,没有中子就不会有元素的生

成和演化。元素的起源是从中子和质子的诞生开始的,而中子可自发衰变为质子,由此可认为中子是元

素起源和演化的起点,这个结论是符合事实的[1鄄5]。

摇摇20世纪40年代,伽莫夫(G.Gamow)把当时宇宙创生的思想推进了一大步,他把化学元素的形成同

宇宙创生联系起来,确信宇宙中化学元素的相对丰度值必定是由宇宙创生的过程决定的。后来他和阿

尔弗(A.Alpher)从一篇研究论文中得知,各种原子的中子俘获截面随元素在周期表中的位置不同而变

化,而其变化曲线同宇宙中化学元素的相对丰度曲线很相似。大爆炸宇宙学的第一篇研究论文就是在

这一有益启示下完成的[2]。他们的最后结论是,宇宙中现在的化学元素丰度曲线是宇宙最初形成时一

次巨大爆炸的结果。摇摇按伽莫夫的理论,宇宙元素是从中子开始的,中子可自发地衰变为质子,随宇宙膨胀而温度降低,重

元素按中子俘获的快慢顺序由中子和质子生成。这个理论还预言早期的炽热宇宙会留下一个微波背景

辐射遗迹,温度约为5K。摇摇科学家后来对宇宙中的氦丰度及氘丰度进行了直接测量,结果证明轻元素起源理论是很成功的。

1964年,彭齐亚斯(A.Penzias)和威尔逊(W.Wilson)发现了微波背景辐射,当时测定为3.5K,现定为

2.7K。这与伽莫夫原来的计算结果不完全相同,这主要是由于宇宙初期的质子大多是由轻子相碰撞产

生的[6鄄7]。

2摇“从无到有冶和“0起点冶

摇摇近20年来,宇宙学又有了重要的进展。粒子和量子重力理论彻底改变了人们过去的宇宙观,对宇95摇第4期郭德荣:元素的起源与0号元素宙的观测和研究得出了新的结论,即大部分宇宙能量弥漫于整个空间,这个新发现有力地支持了宇宙无

中生有的准确性。为此,美国理论物理学家克劳斯(LawrenceM.Krauss)出版了名著《无中生有的宇

宙》[3],他在书中写道:“我们今天的一切都是量子波动的结果,量子波动必然是无中生有的结果。冶“看

来量子力学不仅允许宇宙无中生有,甚至需要宇宙无中生有。我强调:在这种情况下,‘无爷的意思是:

不存在时间、空间和一切!‘无爷是不稳定的。冶摇摇元素起源是宇宙起源以后的事情,宇宙起源于“无冶,元素也起源于“无冶,但这两个“无冶似有区别。

事物的起源就意味着从无到有或“无中生有冶。需要对这里所说的“无冶强调的是:“无冶不是指一无所

有那种绝对的无,而是指某事物的本来不存在。摇摇在数学的坐标系中,两个坐标轴的交点用0表示,在这里我们也借用0来表示“有和无冶的交点,称

其为“0起点冶,它表示事物起源的起点或者起始的特殊状态,指一切事物的起源从0开始,其意义并不

等同于数学上的0。摇摇本文讨论以上问题是为了研究化学元素。我们已经知道化学元素起源于中子,也就是说中子是化

学元素起源和演化的起点,下面论述中子是否可以算是化学元素。

3摇0号元素

摇摇如前所述,可以认为中子是化学元素起源和演化的起点,这就是说,中子在宇宙中的诞生意味化学

元素在宇宙中“从无到有冶了,即中子的地位就处于元素的“0起点冶状态。首先,中子表示化学元素从

无到有,那么中子就应该是化学元素,它是“0状态冶的元素,故可称之为0号元素;其次,0号元素一般

显示不出普通元素的化学特征,这也是人们至今没有把中子看作化学元素的根本原因。摇摇0号元素的特殊性在于它只参与核反应而不参与化学反应。从核反应角度看,中子是当之无愧的

元素,而从化学反应角度看,似乎它又不是元素。时至今日,人们一直忽略中子是元素的方面,而当代化

学元素起源和演化学说的成就,把中子是否为化学元素的问题提到了科学议程上。本人建议把中子看

作元素,这个建议也只有在人们对化学元素的起源和演化有了深刻的认识才有可能被认可。摇摇在物质起源演化“0起点冶的概念中,中子被认为是特殊的“0号元素冶。同理,本人对元素周期系,

也提出了“0周期冶和“0族冶的概念和实际应用[1]。

3.1摇中子是特殊的化学元素

3.1.1摇中子和质子

摇摇中子和质子的大小及质量几乎相同,并有相似的结构和性质,它们的自旋都是1/2,都由上夸克(u)

和下夸克(d)结合而成。若用n代表中子,p代表质子,那么中子可表示为n(dud),质子可表示为p(udu)。“如果不管电磁力而只看质子和中子的其余性质,它们就很相似,相似到使物理学家把它们看

作是一个基本实体的两种可能的‘态爷,这个基本实体就叫做核子。冶[2]摇摇在两种核子态之间,即在中子和质子之间,或者说在上、下夸克之间,有着一种基本的对称性。“通

过计算,两个质子之间、1个质子和1个中子之间以及两个中子之间的强相互作用是几乎相同的。除了

一个带电一个不带电这一几乎可以忽略的事实之外,中子和质子的习性是完全一样的。1932年,

沃纳·海森堡(WernerHeisenberg)大胆地提出:大自然在明确暗示,中子之谜只能通过大自然设计中的

一种基本对称来理解。冶[8]这就是为什么只有这两种核子才能组成各种元素原子的原子核从而造就出

大千世界。摇摇人们通常把质子看作1号元素氢的原子核氢离子(H+)。这已经能够说明中子和质子有着同等的