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看得到的化學‧美麗的元素:最美的第一堂化學課,讓你反覆翻閱、讚嘆欣賞的化學元素圖鑑。

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宇宙誕生後最初形成的元素──氫

約莫150億年前,宇宙因大爆炸誕生,而最初生成的元素就是氫。氫不僅是占據全宇宙質量高達75%的最基本元素,地球上的含量也多得無止境。此外,氫是生命的必要元素,以氫離子或水等形式存在,在人體中也占體重的10%。
氫是無色的氣體,在所有元素中重量最輕,由於燃燒速度非常迅速,一旦和氧起激烈的反應,便會引發爆炸。例如,2011年日本福島第一核能發電廠的氫爆,就是因為核子反應爐內的氫氣漏出,導致建築物內的氫和氧反應而引起的事件。
附帶說明,「氫彈」和「氫爆」(按:氫氣與氧氣產生劇烈燃燒反應而爆炸)兩者指涉的現象有別。「氫彈」是指,將氫的穩定同位素重氫(deuterium,氘)、放射性同位素超重氫(tritium,氚)進行核融合反應,並從中引出巨大的能量。

大量存在於太陽系中,地球上卻很稀有──氦

氦是無色無味、隸屬第18族的惰性氣體元素。太陽系中占比約27%,僅次於氫。但氦在地球上由於重量過輕而飛往宇宙,因此含量極為稀少。再加上惰性氣體反應性低,故不存在天然化合物。
日常中的氦,幾乎都從天然氣中提取。而氦因為比空氣輕又不易燃,不像氫那樣容易爆炸,所以除了灌入飛船或氣球外,液態氦也會使用在磁振造影(Magnetic ResonanceImaging,簡稱MRI),或磁浮列車的超導磁鐵冷卻劑上。
另外,作為派對道具使用(混入氧氣)的氦氣罐,當人吸入一口後再開口,會發出高亢的聲音。這是因為聲音在氦氣中會傳達得比空氣快,使聲音的震動頻率提高所致。不過,要注意氦氣中是否混入氧氣,若吸入不含氧的氦氣,會導致肺缺氧。
1868年,在印度觀察日全蝕的法國天文學家皮埃爾.讓森(Pierre Jules César Janssen),發現太陽光中有未知的光譜。同一時期進行觀測的英國天文學家洛克爾與艾華.弗朗克蘭(Edward Frankland),也透過光譜分析得到相同事實,將這個新元素命名為氦。

比鐵還重的元素從哪裡來?元素的產生

地球表面因為七成被水覆蓋,而有「水之行星」之稱,實際上水僅占地球的體積不到0.7%。另一方面,鐵則占有地球三分之一的重量。如果從這個觀點來看,地球其實是「鐵之行星」。
鐵是宇宙中含量第九多的元素,相較之下含量比其他元素多。就如前面所述,因為鐵是從恆星的核融合反應而來,而且是最穩定的「最後元素」。
所謂恆星,即為由元素合成、如同核子反應爐般的東西。在高溫、高密度的環境下,其核融合反應持續進行,直到鐵出現為止。順帶一提,所謂「核融合」意指原子核之間因相互反應,產生比前項更重的元素的現象,而核分裂的狀況就完全相反。以太陽為例,氫發生變成氦的反應,其能量則成為日光。鐵之所以稱為最後的元素,是因為核融合期間質子和中子的結合力洽使其穩定,若有比這更多的質子,則會因電磁排斥力增強而不穩定。
那麼,自然界中那些比鐵還重的元素,例如金和鈾(原子序比鐵還後面的元素)是如何產生的?目前多認為是源自「超新星爆炸」。
所謂超新星爆炸,意指質量比太陽大8倍以上的恆星結束生命時,所引發的大爆炸。而大爆炸釋放出的能量,若來自於巨大的恆星,會龐大到相當於在數秒內釋放出數億年分的太陽能。有人認為在巨大壓力與熱能中釋放出的中子,因和鐵激烈碰撞,而產生比鐵還重的元素,截至92號的鈾為止。
然而,金、鉑和稀土元素又是如何合成出來的?更別說其他未知元素了。有一說認為這些元素,在R過程(r-process,r取自英語「快速」之意的rapid字首)中誕生,即為在爆炸後馬上捕獲中子一口氣合成出來的元素。中子星的合體則視為這種天體現象之一。不過,以上充其量為假說,期待這項假說未來獲得驗證。
雖然到鈾為止的元素是在星辰中產生,但另一方面,比鈾還重的元素(原子序93號以後的元素)由於放射性衰變的時期極短,幾乎無法在自然環境下確認。因此要利用粒子加速器或核子反應爐,以人工方式撞擊元素,引發核融合製作出來。
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