古今元素趣谈
自然界千姿百态，物种多样，但是组成万物的根本——化学元素却是有限的。早在3000多年以前，在古老的中国，就已经有了朴素的元素论思想，即“五行”学说。
“五行”学说认为宇宙万物都是由金、木、水、火、土这五种简单的元素构成的。在殷商时期产生的、现在能辨认的甲骨文中，已经常见到“土、木、水、火”这些文字。古印度在孔雀王朝时代，也产生了“四大元素”说，即地、水、风、火。
在古代，对于物质组成的认识，基本上可以归纳为两种理论：原子论和元素论。
在古代对原子论影响最深远的是古希腊时代的哲学家。德谟克利特是希腊原子论创始人留基伯的学生，他继承并且发展了留基伯的观点，认为原子是组成物体的不可分割的最小微粒。他又对这一观点进行加工、提炼，认为万物皆由“不可分割”的原子所组成；原子在质上都是相同的，只是外形彼此不相同，这就可以解释各种物质的性质。水的原子平滑呈圆形，因此水才能流动而无固定形状。火的原子是多刺的，这就是烧灼使人痛苦的原因。自然界中物质发生变化是由于结合在一起的原子分散开来，又重新以新的形式结合的结果。
在我国公元前4世纪也产生了类似古希腊的原子论思想，最早提出原子论思想的是墨家的创始人墨子。
墨家认为，宇宙由充实和空虚构成，也认为宏观充实物体是由“端”即原子构成，不同种类的“端”互相结合产生世界上形形色色的物质。墨家还把虚实结合的宏观世界结构推广到微观世界里去，提出一种麻纱模型来描述微观物质结构。他们将有宏观间断的宏观连续物体描述为“有间”，而将无宏观间断的物体描述为“无间”，并认为宏观连续物体内部仍然有微观间断，就像粗看起来结构紧密的一根麻纱，实际上在它们的纤维之间有空隙一样。
另一种是元素论，是从具体事物中概括出来的，易于接受。元素说有三元素和四元素两种学说。所谓三元素，即为炼金时所用的硫、汞和帕拉塞斯加入的新要素盐。这种观点认为，万物是由盐、硫、汞三种元素以不同的比例构成的。帕拉塞斯认为，汞是挥发的液体元素；盐是不挥发、不易燃的元素；硫是易燃的元素。物质中某一种元素成分的多寡，决定了该物质的性质。四元素说是指古希腊关于世界的物质组成的学说。这四种元素是土、气、水、火。这种观点在相当长的一段时间内影响着人类科学的发展。
也正是因为有上述这些元素的观点的禁锢，元素一直没有得到人们正确的认识，以致经过了1000多年的实践和探索，人们才建立了科学的元素理论。
古代帝王为了追求所谓的长生不老，促使了炼丹术的发展。炼丹，是企图炼制成使人长生不老的丹药。炼丹术起源于我国西汉时期，后辗转流传于阿拉伯、欧洲。然而，炼丹术本身所用的药物大多是汞、铅、砷等化合物，这些药物本身就是毒药，所以服用炼制的丹药不仅不能长生不老，反而使人断送性命。
虽然炼丹术不能得到长生不老的灵丹仙药，但是伴随着迷信炼丹术的是化学科学的兴起，这使人们的化学知识得到了提高和丰富。这是开始使用炼丹术所始料不及的。
17世纪70年代，英国化学家波意耳提出了化学元素论的科学概念。他提出化学元素是用一般化学方法，不能再分解为更简单的某些实物，是原始的、简单的物质，或者是完全纯净的物质。
18世纪下半叶，英国的化学家普里斯特利等人发现了氧。法国化学家拉瓦锡也因此建立了燃烧的氧素理论，否定了燃素学说。
揭开元素的秘密的过程是在十分漫长的岁月中经过科学家反复艰辛的努力，在发现了氧之后，最终才真正拉开序幕的。
此后，相继发现了很多金属和非金属元素。截至1871年，已经发现的元素有63个。
1869年，俄国化学家门捷列夫发现了化学元素周期律，即元素随着原子量增加而呈现周期性变化的规律，从此化学科学形成了一个比较完整的理论体系。
20世纪以后，化学方面的研究深入到原子内部，逐步揭示了原子结构和原子核结构。元素是由同种原子组成的物质，原子最外层电子的排布决定了元素性质。质子和中子组成的原子核，原子序数即为核电荷数，与核外的电子数相同。中子个数不同的同一种元素称为同位素。
20世纪40年代，在原子和原子核结构理论的指导下，人工开始合成92号元素铀以后的新元素。截至2010年，已经人工合成出第118号元素。人们把这些人工合成的新元素称为超铀元素。
核化学以核反应和核裂变为研究对象，成功地把贱金属汞转变为金元素。
科学的发展是无止境的，人们对于化学元素的认识也正在不断地深入和延伸。
太空中元素的合成
合成元素的各类核反应很多是在太空环境下进行的，所以要弄清元素的起源就涉及各种天体物质。宇宙的起源和演化、银河系的构造和演化、恒星的类型和历史，都与元素合成不无关系。可以肯定地说，今天自然界有这么多的元素，是由于天体物质及其活动的多样性造成的。
一、宇宙中元素合成的起源与演化
美国天体物理学家温伯格在《宇宙的最初三分钟》中，以大量图片的方式形象地描绘了宇宙的起源。早在1912年，施里弗就得到了“星云”的光谱，结果表明许多光谱都具有多普勒红移现象，即这些“星云”在朝远离我们的方向运动。随后人们知道，这些“星云”实际上是类似银河系一样的星系。
1929年哈勃对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究。
哈勃测定出了一些星云的退行速度v，又给出了这些星云与我们的距离D，发现v与D成正比关系，即v＝H0D，这就是著名的哈勃定律，式中的比例常数H0称为哈勃常数。
哈勃定律揭示宇宙是在不断膨胀的。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀。因此，在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀，从任何一个星系来看，一切星系都以它为中心向四面散开，越远的星系间彼此散开的速度越大。
根据这一定律可以推想：在最初阶段，宇宙是一个高温、高密度的原始火球。那么这个最初阶段的宇宙到底有多大呢？遗憾的是至今仍没有一种准确描述这一宇宙的原始阶段的理论，只有一些猜想和假设。但宇宙最初几分钟的演化过程与其大小没有关系，所以科学界很多人不愿意继续探讨这个问题。
但在这里只介绍元素起源，所以我们从宇宙大爆炸开始讨论元素的起源和核合成过程。
大爆炸理论认为整个宇宙正在向外迅速膨胀，并得出一个结论：整个宇宙源于100多亿年以前的一次大爆炸，大爆炸发生前，宇宙是一个无限小的奇点，大爆炸发生后所有的一切物质才得以诞生。
一些物理学家认为，在大爆炸之后的10～48秒，宇宙处于普朗克时期。这一时期，自然界的四种力（强相互作用、弱相互作用、电磁作用和引力作用）是统一的，在（10～48）～（10～35）秒期间，引力开始分离出去了，但另外三种力还是统一的。这时温度仍极高，约为1027开尔文。宇宙仍是一片辐射的世界，但这时已经有可能存在少量的轻子、夸克、轻夸克和引力子。在（10～35）～（10～33）秒如此短暂的时间内，宇宙开始迅速膨胀，这时强相互作用开始分离出去了，并且出现了作为强相互作用交换粒子的胶子。这一时期的特征是物质开始多于反物质。在（10～33）～（10～6）秒，这四种力完全分离了，作为它们之间交换用的粒子便开始永久存在了。此外，电子、正电子、中微子和反中微子出现了。从（10～6）～2秒，这是夸克囚禁时期，这时出现了中子和质子，反物质的量显著减少，而物质占了主导地位。
随后，开始了核合成时期。这一时期与元素合成有关。这时，由于宇宙温度仍很高，质子和中子还无法相互结合，而只能与电子、正电子、中微子和反中微子处于热平衡中。
目前，我们还不清楚宇宙的起点在哪里。而近些年的一些实验，主要是对哈勃常数的测量。
新测定的哈勃常数给出的宇宙年龄只有80亿年，而目前已知的最古老的恒星的年龄已经达到130亿年。一个年轻的宇宙中竟然存在着比它要老的恒星，这令很多人觉得不可思议。这一年龄矛盾正好出现在宇宙学和恒星学这两个领域，并且这两个领域也恰好与元素的合成关系最密切。因此宇宙年龄的研究必将会深化我们对元素起源的认识，我们期待着这一方面研究的新进展。
二、银河系的构造及演化
迄今人类所能观测到的星系及其空间总称为宇宙系。宇宙由众多的星系所组成，据统计，宇宙中至少存在1000多亿个星系，其边界有100多亿光年。太阳系所处的银河系就是这1000多亿个星系中的一员。这些星系对元素合成具有重要作用，由于篇幅原因这里只以银河系为例。
银河系是由约1400亿颗恒星及大量星际物质组成的巨大系统，其主要组成部分为银河。我们在晴朗的夜晚仰望天空，可以看到一条群星密集、白茫茫的光带，这就是人们常说的银河。
银河系里大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范围内，扁球的形状好像铁饼。扁球体中间突出的部分叫“球核”，半径约为7000光年。球核的中部叫“银心”，四周叫“银盘”。在银盘外面有一个更大的球形，那里星少，密度小，称为“银晕”，直径为7万光年。银河系是一个漩涡星系，具有漩涡结构，即有一个银心和两个旋臂，旋臂相距4500光年。其各部分的旋转速度和周期，因距银心的远近而不同。球核本身主要是一些年老的恒星，而年轻的恒星主要集中在旋臂。
太阳就是位于旋臂上的一颗离球核约3万光年、年龄为46亿年的恒星。
银心直径大约为几光年，由100多万颗恒星组成，其质量大约相当于几百万颗太阳，如果它一旦发生剧烈的爆炸则称为银心爆炸，这对元素核合成有重要的意义。现在有一种观点认为，可能至少一部分旋臂是曾经银心爆炸时产生的扩散壳的遗迹，并且太阳系的形成也和银心爆炸有很大关系，太阳系含有的重元素就可能是银心爆炸时期的产物。
通过天文观测表明，银河系的确存在过爆炸和剧烈的扰动，而且至今仍未平息。观测还表明，银河中心区域的重元素的量比其他部位多。关于这一点有两种解释，一种是银心附近发生超新星爆炸的概率高；另一种就是银心的爆炸规模尽管无法与宇宙大爆炸相比，但却可与100亿颗超新星爆发的规模相当。如此剧烈的爆炸当然会伴随着核反应，从而对元素合成做出贡献。对我们来说银心爆炸的原因和机制还不是很清楚，爆炸释放出的巨大能量是无法用核能解释的，现有一种假设认为是由于质量巨大的天体物质的引力能释放。但银心爆炸会引起哪些反应以及合成哪些元素至今尚不清楚。一种观点是大量物质从星际空间向银心收缩，随后发生爆炸，新的物质在高温和高密度的状态下诞生，并以适当的速度膨胀。当然详细的物质诞生过程还不清楚。这种过程形式上与宇宙大爆炸没有大的区别，因此常被称作小爆炸。然而，两者不仅在规模上不同，而且宇宙大爆炸对宇宙初期的温度、密度、光子与核子的比值等物理参数都有所限定。而银心小爆炸却可以完全自由地选择参数。这种小爆炸也可生成氦，同时还是合成重元素的良好条件。据目前观测表明，银心处的重元素量要多于其他区。但小爆炸理论确实不成熟，尤其是根据小爆炸理论计算出的太阳系丰度与实验值有较大差异。
根据银河系内的球状星团的年龄来推算，银河系的年龄在100亿年以上。现认为球状星团是银河系中最早的成员，两者年龄基本相似，从理论上讲球状星团略为年轻些。如果这样，球状星团的重元素丰度应该很低，宇宙大爆炸只合成了氢、氦和少量轻元素。银河系形成时不应含重元素，可是通过实验观测发现球状星团含有重元素。也就是说，迄今为止还没有发现一个不含重元素的球状星团。此外，所发现的球状星团也不具有相同的重元素丰度。总之，银河系演化（尤其是银心爆炸）对元素合成的作用至今还存在着很多秘密。
三、恒星系演化学说
在地球上遥望夜空，宇宙是恒星的世界。恒星在宇宙中的分布是不均匀的。从诞生的那天起，它们就聚集成群，交映成辉，组成双星、星团、星系……古代的天文学家认为恒星在星空的位置是固定的，所以给它起名“恒星”，意思是“永恒不变的星”。可是我们今天知道它们在不停地高速运动着，比如太阳就带着整个太阳系在绕银河系的中心运动。但别的恒星离我们实在太远了，以致我们难以察觉到它们位置的变动。
恒星是在熊熊燃烧的星球。一般来说恒星的体积和质量都比较大。只是由于距离地球太遥远的缘故，星光才显得那么微弱。恒星发光的能力有强有弱。天文学上用“光度”来表示它。所谓“光度”，就是指从恒星表面以光的形式辐射出的功率。
