身边的化学之二 构成世界万物的元素

张梅

山林川原、河池泉井、日月生辉、电闪雷鸣……我们所处的世界丰富多彩。然而，尽管外表形形色色，变化无穷，但其内部的一切物质都含有相同的最简单的组成部分——元素。

我们要了解化学，还得从构成世界万物最基本的元素开始。

对元素起源的探索

元素到底是什么，它从哪里来？人们对世界认识的程度不同，会给出不同的答案。

在西方，元素的观点最早清楚地表述在古希腊哲学家们的学说里。古希腊哲学家柏拉图最早提出了元素一词，他的学生亚里士多德，则对四元素说做了进一步的阐释。亚里士多德认为，物质的基本性质是冷、热、湿、干，他们成对组合，就得出水火气土四种元素。亚里士多德的元素说，在很大程度上影响了中世纪欧洲的炼金术思想。

与此同时，中国古代的先哲们也开始探寻万物的组成和起源。中国古代的元素起源学说，又可称为阴阳五行学说。春秋末期，老子明确提出了阴和阳的哲学观点。他认为宇宙间任何物质都存在阴阳两性，对立统一又和谐存在。阴阳作用产生五行，金木水火土，相互滋生相互作用，产生了宇宙万物的无穷变化。

与古人相比，我们可以借助更多的技术手段帮助我们探索世界，思考元素的起源。目前，在自然科学研究领域元素起源学说有很多种。其中，最有影响力的就是大爆炸理论。

元素的生成

根据大爆炸理论，大约137亿年前，宇宙还没有诞生，没有元素，没有万物。从某一时刻大爆炸开始了。宇宙大爆炸发生后，温度下降到十的九次方K。此时，质子和中子依靠短程强力结合，生成原子核。第一个被生成的原子核就是氢。在恒星形成的初始阶段，星云依靠万有引力而形成。在星云的内部，温度极高、密度极大，因此能够发生核聚变反应。首先是氢核聚变，我们又称为氢燃烧。氢通过聚变生成氦，放出的能量非常巨大。质量是两克的氢，聚变生成氦，放出的热量大约是五亿四千万千焦耳，相当于燃烧20吨标准煤所放出的热量。

恒星中核聚变反应继续发生，氦继续聚变，直至生成碳。我们称之为氦燃烧。此时，恒星体积变大变为红巨星。此后，碳能够发生一系列聚变反应，生成氮、氧等元素，被称作碳燃烧。此时，恒星的中心由于引力作用，会坍塌成一个核，而外部进一步变大，达到第二次红巨星阶段。此时，他的大小可能相当于整个太阳系。核聚变反应可以一直发生下去，因为反应始终是放热的，所有比铁轻的元素，在这个过程中都能够被生成。

当核聚变反应发生到铁元素，就不再放出能量了。因此，就不够继续维持恒星的膨胀。此时，恒星会发生坍塌。这就是所谓的超新星爆炸。在超新星爆炸过程中，温度非常高，可以发生需要消耗能量的重核聚变反应。很多比铁重的核素，都可以在这个过程中被生成。比如，金银铜铂铅等。

通过超新星爆炸生成重核的过程，又被称为快过程。当然，重元素的生成也可以通过慢过程来完成。所谓慢过程指的是，较轻的核经过漫长的时间，俘获其它粒子，从而生成重元素的过程。例如，锌68俘获中子生成锌69，然后发生β衰变转变成镓69，镓元素就这样生成了。利用慢过程，生成铁后元素，与古人提出的金石自然进化论的理念非常相似。铁经过200年化为铜，再经过200年化为白金。最后，化为黄金。

元素周期表

我们在中学时代一接触化学，首先需要了解学习的就是元素周期表。在周期表中，元素是以元素的原子序排列，一横行称为一个周期，一列称为一个族。由于周期表能够准确地预测各种元素的特性及其之间的关系，因此它在化学及其他科学范畴中被广泛使用。

现代化学的元素周期律1869年由俄国科学家门捷列夫首创，他将当时已知的63种元素依相对原子质量大小并以表的形式排列，把有相似化学性质的元素放在同一列，制成元素周期表的雏形。随着科学的发展，元素周期表中未知元素留下的空位先后被填满。当原子结构的奥秘被发现时，编排依据由相对原子质量改为原子的质子数﹙核外电子数或核电荷数﹚，形成现行的元素周期表。

元素周期表揭示了物质世界的秘密，把一些看来似乎互不相关的元素统一起来，组成了一个完整的自然体系。它的发明，是近代化学史上的一个创举，对于促进化学的发展，起了巨大的作用。 （根据MOOC课程《化学与社会》整理）

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