重金属

地球上的重金属元素从哪儿来的?

2019-11-15 19:17

  我们知道,在恒星内部,通过核反应最高只能聚变出铁元素。铁56的比结合能最大,再要合成更重的元素,就不是放热反应,而是吸热反应了,因此更重元素无法通过核聚变来产生。那是不是所有重元素都来自超新星或双中子星合并呢?也不尽然,在恒星内部,也有一条持续稳定的路径,让比铁重的元素逐一生成,这就是“慢中子俘获”。

  第一代超新星爆炸出一些重元素的碎屑,有些飘荡在宇宙空间,凝结成行星,也有些被其他恒星吸引过去,成为进一步核反应的母核。在恒星内部,有着各种各样的辐射,其中就有中子辐射。偶然的机会,“贪吃蛇”母核将中子俘获过去,“吃”进肚里,变成更大的原子核。这个过程很漫长,可能要一年,甚至十年,才会发生一起俘获事件,所以称为“慢中子俘获”。这些原子核就如同滚雪球一般,越来越大。然而雪球毕竟是有限度的,吃胀肚子的不稳定原子核会发生β衰变,吐出电子和中微子,变成了原子序数+1、原子量相同的其他元素。

  比如银109“吃”掉一个中子,变成不稳定的银110,立刻衰变成镉110。镉元素比较能“吃”,连吃五个中子一直吃到镉115,才衰变成铟115,然后是铟116,又衰变成锡116。偶数位的锡也是个“吃货”,接连吃掉五个中子,到了锡121才撑不住,衰变成锑121。

  原子核就是这样通过“慢中子俘获”过程,如同滚雪球一样越来越大,最终到了铊元素,遇到了问题。

  铊的稳定同位素铊203“吃”下一个中子,又衰变成铅204,和它的小弟“锡”一样,铅也是个大吃货,它继续吃中子到铅209,这是一种不稳定的同位素,它迅速衰变成铋209。铋209吃掉一个中子就撑不住,衰变成钋210。到了这里,偌大的原子核终于吃中子吃到吐,于是发生α衰变,直接吐出一个氦核(α粒子),原子序数-2,原子量-4。

  “铅铋钋循环”,其中红线为中子俘获,蓝色为β衰变,绿色为α衰变,青色为电子俘获。

  不信你看,铋以后的元素全都是放射性元素,钋210的半衰期只有136天,发生α衰变,直接掉到铅206。就这样,从铅206,到铅207,铅208,铅209,铋209,铋210,钋210,再回到铅206,恰好组成了一个循环。“慢中子俘获”滚雪球的游戏玩不下去了,重元素一步一步向上爬格子,最终撞到了天花板——铅。

  正是如此,虽然铅“重”达82号,在地壳里却比很多轻元素——如碘、溴甚至五金之一的锡——都要多,是重元素里最多的一个存在。