互动科普

除了基于天文学的研究来探索“元素的起源”外，探索元素的起源还有另一条途径，那就是利用地上的实验设备来研究各种原子核的性质。

其实，无论研究在大爆炸（火球宇宙）中合成出元素的可能性的伽莫夫，还是研究在恒星等场所合成出元素的可能性的霍伊尔，他们都是以地上实验等手段所揭示的原子核的性质为依据来构建自己的理论。在地上进行实验，比如说，设法让原子核相互发生碰撞，利用各种检测装置来查明碰撞时所发生的那些核反应（原子核相互聚合或者原子核解体等）。

例如，在恒星内部进行的核聚变反应最终只能生成铁，不可能发生更进一步的核聚变反应。这样一种现象就可以从原子核的性质（结合强度等）得到说明。

原子核的结合强度（稳定性）

上面图线显示了原子核的结合强度随质量数（质子数＋中子数）而变化的关系。在原子核中，有作用在质子和中子之间一种叫做“核力”的强力将它们结合在一起，又有作用在带正电的质子和质子之间的电斥力倾向于将它们分开。从质量数很小的原子核到铁的原子核（质量数56），一直是核力起主导作用，质量数越大，原子核的结合强度越大。可是，在铁以后，电斥力的影响增大，原子核的结合强度会随着质量数增加而减弱。这意味着铁具有最大的原子核结合强度，也最稳定。这就是恒星内部的核聚变反应终止于铁的原因。自然界中不存在比铀（质量数238）更重的原子核。这是因为在这样的重原子核中电斥力太强，会使原子核解体而分裂为较轻的原子核。

r过程生成的原子核，甚至不知道它们的寿命

关于原子核的性质，尤其是放射性同位素原子核的性质，现在还有许多不清楚的地方。所谓放射性同位素，是指同位素（同一种元素，但原子核中的质子数不同）中不能够保持稳定，会发出放射线而解体的那些原子核。

在原子核内，既有作用在质子和中子之间一种叫做“核力”的强力将它们紧密地结合在一起，同时，又有作用在质子和质子之间的电斥力倾向于将它们分散开来。这两种力达到平衡，才能够使原子核保持一定的形状而不至解体。可是，对这两种作用力的大小很难作出正确的估计。事实上，甚至一种预测的未知原子核究竟具有多长的寿命（能够维持自身而不转变为其他原子核的持续时间）也是难以从理论上进行推算的。这些都需用实验加以确定。

关于元素的起源目前还有许多的谜团。这最大的谜团就是前两页所介绍的那种估计是金、银、铂和铀等元素的起源的“r过程”。在r过程中，作为“种子”的原子核受到大量中子的撞击，吸收了太多的中子，突然一下子就变成了比铁更重的元素。究竟在宇宙的哪些地方能够发生这种r过程，其实还不能肯定。

此外，根据理论推测，在r过程中会先合成出中子数相对于质子数过剩的原子核，但是并没有发现过天然存在的这种中子过剩的原子核，而且实际上也没有在实验中人工合成过这样的原子核。因此，对于理论上所推测的这些不同的具有过剩中子的原子核，关于它们的“基本信息”，例如质量究竟是多少，寿命究竟有多长，科学家其实全都没有掌握。

没有这些基本的实验数据，比如说，就不可能知道在r过程中金是经过怎样的中间原子核制造出来的。所以，认为金、银、铂和铀这些元素起源于r过程，这种说法虽然得到许多科学家的赞同，但是仍然没有走出假说的阶段。

（本文发表于《科学世界》2011年第3期）