江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

宇宙宇宙中第一个分子的前世今生


当你仰望星空的时候 ， 是否好奇宇宙是如何从虚无混沌演化成如今的炫目璀璨？宇宙中的第一个原子是什么？什么样的环境里才能诞生宇宙中的第一个原子？原子间的第一个化学反应是什么？宇宙中第一个分子又是如何诞生？
在遥远的太空中 ， 那里的温度和压力与地球上的有很大的不同 。 因此 ， 其中许多化学物质与我们所熟悉的化学物质不同 ， 上述的问题的答案是难以预测甚至有些是无法知晓的 。 2019年 ， 科学家最终发现了一个长期被预测的分子：氢化氦（HeH+） ， 这项突破正在改变我们对太空化学的理解 。
开天辟地：宇宙首个原子的诞生
众所周知 ， 宇宙中的第一个“原子”根本不是现代科学所定义的原子 ， 它们仅仅是尚未找到电子的原子核 。 当宇宙爆炸发生时 ， 宇宙中能量激增 ， 所有的物质都粉碎成微粒 。 在该过程中 ， 质子和中子经常发生碰撞 ， 其中一部分会形成较大的核 ， 例如氘核和具有两个质子和两个中子的氦核 。 质子和中子的各种其他排列也已形成 ， 在早期的宇宙中所有原子核团簇基本上只是氢、氦和痕量锂（图1） 。
在这三个原子核中 ， 氦原子是第一个形成了真实原子 。 我们都知道原子不仅是原子核 ， 还必须拥有电子 。 那么为什么氦原子核是第一个聚集大量电子的微粒 ， 而非氢或锂原子核呢?
我们都知道氦气是元素周期表中的第一个“稀有气体” ， 也是第一个拥有足够的电子以完全填充其所有电子轨道的元素 。 因此 ， 如果说电子是构成化学的主要成分 ， 那么氦元素则是元素周期表中电子的主要“窃取者” 。 在现代实验室中 ， 从氦气中夺取电子比从任何其他元素中夺取电子需要更多的能量 ， 而且夺取第二个电子所需的能量是夺取第一个电子所需能量的两倍以上 。 因此我们可以想象 ， 在早期的宇宙中 ， 一旦氦原子核找到了电子 ， 它们就会在氢原子核开始捕获电子之前 ， 甚至在锂原子核收集所有三个所需电子之前 ， 就充满电子形成了真正原子 。
宇宙宇宙中第一个分子的前世今生
本文插图
图1. 氢原子、氘原子、氦原子以及锂原子的原子结构（图片来源：Sci. Am.）
成键起源：宇宙首个分子的形成
那时 ， 宇宙中其余物质主要是由孤立的质子组成 ， 这些质子由于缺少电子 ， 他们开始放慢脚步 ， 寻找带有相反电荷的配偶体 ， 以使它们保持电中性 。 但是由于氦原子核的强大“窃取”电子的能力 ， 氢原子核自身捕获自由电子较为困难 ， 因此它转向了已经生成的氦原子（图2） 。 尽管它不愿与氦气原子共享电子 ， 但氦原子一直持续存在于氢核团簇中 ， 频繁的碰撞最终导致氦原子与质子共享电子 。 至此 ， 宇宙中诞生了第一根化学键 。 氦和氢组成新化合物被称为氢化氦（HeH+） ， 被认为是宇宙中第一个持久存在且有一定丰度的化学分子[1] 。
宇宙宇宙中第一个分子的前世今生
本文插图
图2. HeH+的轨道模型和球棍模型（图片来源：Sci. Am.）
氦竟然是宇宙第一个参与化学反应的元素 ， 因为当今的科学理解中 ， 氦是与其他元素成键可能性最小的元素 ， 即为最惰性的元素 。 然而在早期的宇宙中 ， 氦气是唯一一个可以给出电子的物种 。 这个推测几十年来虽然有坚实的理论基础作为依据 ， 但长期以来一直缺乏实验观察的佐证 。 除实验室外 ， HeH+不能在地球上形成 ， 然而天体化学家也一直没有在太空中发现这一物种 。 然而 ， 去年天文学家宣布他们首次观察到这种分子 ， 潜伏在一颗垂死恒星的尘埃中 。 历经40年的搜寻后 ， 科学家们终于取得了成功 ， 并且在为早期宇宙如何形成的研究中添加了新的重要内容 。 到目前为止 ， 科学家已经在太空中发现了200多种分子 ， 而HeH+现在也被列入了外星分子的行列 。


推荐阅读


上一篇：央视新闻客户端|国内首单跨境电商TIR国际公路出口运输业务在新疆启动

下一篇：北青社区新闻|团购平台有顾客点评，北京一川菜馆女服务员确诊：此前饭店未停业