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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    宇宙大爆炸后的第一個化學反應產物

                    2021-06-10 14:18:00

                      最近,英國《自然》雜志報道,科學家從行星狀星云NGC 7027中探測到氦合氫離子(HeH+),這是人類首次在宇宙中探測到這種離子。那么,作為元素周期表中的第1號元素氫和第2號元素氦,在宇宙大爆炸后究竟先有氫還是先有氦呢?

                      對于氫原子核與氦原子核來說,在宇宙大爆炸早期,存在一個“原初核合成”階段。在這個階段,首先產生氫原子核,再有氦原子核。

                      氫原子核其實就是質子。根據愛因斯坦的質能方程可得出,只要宇宙的溫度降低到93800億℃時,質子就會在宇宙中產生。通過與宇宙大爆炸開始時的普朗克能標做比對,再根據宇宙早期以輻射為主的特點,可以得出:氫原子核(質子)在宇宙大爆炸后1秒鐘就形成了。

                      根據氦原子的電離能量,可以得出:氦原子核是在宇宙大爆炸后3分鐘形成的。所以,氫原子核的出現要早于氦原子核。一般而言,決定元素類別的是原子核而非核外電子,在這個意義上,氫先于氦出現。

                      對于氫原子與氦原子來說,它們不但有原子核,還需要結合電子才可以形成原子。出乎意料的是,在宇宙大爆炸早期,氦原子的形成要早于氫原子的形成。

                      對于宇宙早期的天文現象,天文學家觀測到的是光譜線。而宇宙在不斷膨脹,所以越是宇宙早期的天文現象,其對應的光譜波長越容易被宇宙膨脹所拉長,產生所謂的“紅移”現象。因此,天文學家經常用紅移來標記宇宙學意義上的“時間”。比如,宇宙誕生后38萬年,光子開始變得“自由”(不再與電子相互影響),最終形成今天看到的宇宙微波背景輻射。按照天文學家的說法,宇宙誕生后38萬年也就是紅移1100的時候。

                      中性的氦原子在大約紅移2000的時候出現,而中性的氫原子在紅移1100的時候出現。紅移的數值越大,表示距離現在的時間越久遠,也意味著這個原子出現的時間越古老。因此,氦原子是宇宙中第一個出現的原子。

                      有了氫與氦,就相當于宇宙中的物質有了基礎材料。那么這些材料之間的第一次化學反應是怎樣進行的,產物又是什么?

                      20世紀70年代,有天文學家提出,中性的氦原子與質子(氫原子核)結合形成HeH+,這是宇宙中發生的第一個化學反應??茖W家認為HeH+比氫原子更早出現在宇宙中,所以它是宇宙中第一個分子離子。

                      早在1925年,化學家霍格內斯與倫恩在實驗室中合成出這種分子離子。但在宇宙中,科學家始終沒有發現HeH+的蹤跡。

                      2019年4月17日,科學家終于取得了突破。在美國國家航空航天局與德國航空航天中心的聯合項目中,同溫層紅外天文觀測臺(SOFIA)的高分辨率GREAT分光儀檢測到HeH+發射的紅外線。換言之,HeH+在宇宙中被找到了!

                      不過,這次探測到的HeH+雖然是宇宙中的,但是并非是在宇宙早期形成的。首先,行星狀星云NGC 7027(科學家從中探測到HeH+)距離地球只有3000光年,從宇宙學意義上來說,這是一個很近的距離。其次,這次觀測到的HeH+譜線紅移等于零,所以它絕不是來自宇宙早期。正如前面所言,如果是宇宙早期出現的HeH+,那么其紅移應該介于1100(氫原子出現之時)與2000(氦原子出現之時)之間,接近于宇宙微波背景輻射的紅移。

                      因此,如果要證明HeH+是宇宙中的第一個分子,就需要證明它很古老——需要找到HeH+的高紅移譜線才行。

                      那么,HeH+到底是一種什么樣的物質呢?化學家猜測,它可能是宇宙中最強的酸。HeH+是由氦原子和質子構成,而這個結構中質子是完全裸露的,這使得HeH+能夠結合任何與它碰撞的物質分子中的電子,從而表現出極大的酸性。

                    本文來自《科學畫報》

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