科技大观·元素的前世今生

2019-04-09 09:52 人民日报

  为纪念俄罗斯科学家门捷列夫编制元素周期表150周年,联合国将今年定为“化学元素周期表国际年”。元素周期表的诞生是现代科学最重要、最具影响力的成就之一,是“科学共同的语言”。时至今日,科学家依然可以通过元素周期表获得启迪。

  元素周期表最初只有63个“成员”,随着人类认知的提高,这一“大家庭”扩充到了目前的118种元素。其中90种为自然元素,另外28种为人工合成元素。这些元素的原子核外面像洋葱一样,“包裹”着一层层电子,每层可以填充的电子数不同。如此一个个一层层地填充下去,就构成了目前的已知元素。元素周期表的伟大之处,是通过横纵排列揭示了元素随着电子层数增多周而复始的性质变化,为人类寻找世界规律奠定了基础。

  通过对元素的研究,人类收获了许多伟大的科学发现和重要应用。其中孕育出的量子力学深刻改变了科学的面貌,而新材料的不断涌现,则改变着人们的生活。不论是在铁中加入适当比例的碳所合成的钢,还是以碳氢为基础的高分子化合物塑料,都已成为现代生产生活的重要部分。现在,由碳原子组成的石墨烯纳米材料有着卓越的导电和光学性质,被誉为未来革命性的“神奇材料”;以钪为催化剂合成的高分子材料可以获得极强的柔韧性,有望应用于材料本身的自我修复……

  此外,基于元素演化的核能发展有望保障人类的能源安全。元素周期表中所有的元素都是核聚变反应的产物,其变化蕴含着极大的能量。铁是元素周期表中最稳定的元素,比铁轻的元素聚变以及比铁重的元素裂变都会释放出核能。一般认为,宇宙大爆炸和随后的核聚变产生比铁轻的元素,而恒星衰老产生的超新星爆发这样的高能过程才会产生比铁重的元素。目前核电站中均依靠重元素核裂变产生能量,利用的就是上一次超新星爆发时储存的能量,从原料的可靠性和蕴含的能量来说均不如轻元素的核聚变。所以,不少大国正加紧研究国家点火计划,期望实现轻元素的可控核聚变,一劳永逸地解决人类的能源问题。

  需要警示的是,地球上的一些元素很稀缺,有些甚至可能会消失。欧洲化学学会最近公布的一张图表显示,氦、铟等元素随着人类的使用,在未来100年或更短时间内会越来越难以获得。其中铟是手机触摸屏的关键材料,以现在的消耗速度,只够使用10至20年。因此对手机的回收利用工作需要引起足够重视。与此类似,镓、砷和锗是重要的半导体材料,同样面临供给不足的威胁。而氦元素虽然占比不小,却容易在太阳的加热下散失到太空中去。地球上氦资源来自地下矿藏,是开采天然气的伴生品。它是获得低温环境的重要元素,科学家们呼吁要显著减少氦向大气的直排,莫让廉价的氦气球带走珍贵的氦元素。

  150年来,对于元素的发现与探索帮助科学发展走上了快车道。我们能否把这个多彩世界完好地留给下一代?这取决于我们保护资源的力度,以及走可持续发展道路的决心。

  (作者为中国科学院物理研究所研究员)

责编:樊俊卿
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