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元素的前世(科技大观)
发布人: 永乐国际官网平台 来源: 永乐国际官网平台登录 发布时间: 2020-07-28 11:43

  为纪念俄罗斯科学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“”,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,被誉为未来性的“神奇材料”;以钪为催化剂合成的高材料可以获得极强的柔韧性,有望应用于材料本身的修复……

  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出核能。一般认为,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。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?这取决于我们资源的力度,以及走可持续发展道的决心。

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