元素的起源与0号元素

郭德荣

(宁夏大学化学化工学院 宁夏银川750021)

不久前，中国知网刊登了一则“发现0号元素”的消息。大意是:法国科学家弗朗西斯科-米格尔·马凯斯(Francisco-Miguel Marqucs)在国家重离子研究所(GANIL)的加速器实验中，发现了6个粒子，这种粒子是4个被聚合在一起的中子，该粒子不显电性，被称为“四中子”。如果是这样，它将是一种元素，有人将其称之为0号元素，它与普通中子互称为同位素。在元素周期表中，0号元素的位置应在氢元素的前面。对于这一消息，网上有两种相反的评论。一种意见对四中子有较大的质疑，认为按照标准的粒子物理模式，核力再强也无法将两个中子结合在一起，更不用说4个了;如果修改物理法则允许四中子存在的话，这个世界将变成另外的样子。另一种意见认为以上推断存在漏洞，现有的理论的确支持四中子存在，但只是一种随机产生的短寿命粒子。有科学家指出，4个中子同时击中探测器的可能性是存在的;另外，中子星的存在也支持多中子物质的理论，在中子星中，有大量的中子聚合在一起，说明宇宙中存在一种无法解释的力量实现了它们的相聚。

这一消息是令人兴奋的。上世纪末，我就提出中子是0号元素的概念，并于2000年在宁夏大学化学化工学院作了几次学术报告，把0号元素排在我新制定的元素周期表中。2005年，我出版了专著“元素的演化和周期律的本质”［1］，进一步阐述了把中子看作0号元素的论点和论据。如果四中子真的存在，那将为我的论点增添一条新的论据。后来我又给0号元素命了名，在本文中将对有关0号元素的问题做进一步说明。

1 化学元素的起源和演化

自然界事物的运动和变化遵循着各种各样的基本规律，而在这些规律之上还有一条更基本的规律，这就是万事万物都存在着一个起源、演化和消亡的规律。这里所谓的万事万物，不但包括地球上的一切事物，还包括地球本身以及地球以外的一切天体、整个宇宙空间中的一切事物，最终包括我们认识到的宇宙本身。毋庸质疑，化学元素也有其起源、演化和消亡的过程。

最早用科学思想提出化学元素起源和演化的科学家是英国物理学家、化学家克鲁克斯(W.Crookes)，他发现各种化学元素在自然界存在的丰度有一定的规律，并根据这个规律提出复杂元素是由简单元素演化而来的假说。这是约100年前的事，当时的科学拿不出其他证据证实这一假说。

20世纪中叶发展起来的恒星能源理论和现代宇宙学理论为化学元素起源和演化学说开辟了新的道路。化学元素的起源和演化学说得到科学实验、天体观测和许多领域科学理论的支持，宇宙中化学元素起源的理论由此而逐步完善。1983年诺贝尔物理学奖授予美国科学家福勒(W.A.Fowler)，他是因发展了宇宙中化学元素起源的理论而获得该奖的。

宇宙中所有的天体都是由我们所认识的100多种化学元素组成的，因而化学元素起源是宇宙起源的组成部分。宇宙起源是现代宇宙理论的核心，在爱因斯坦(A.Einsten)的广义相对论基础上发展起来的现代宇宙学把人们对宇宙的认识从哲学家的思辨中和神学家的庙堂里解放了出来，使之成为一门真正的科学。之后德西特(W.De Sitter)、弗里德曼(A.Friedman)、勒梅特(G.Lemaitre)、爱丁顿(A.Eddington)等天文学家有效地发展了爱因斯坦的宇宙学理论。天文学家哈勃(E.Hubble)对天体的观测则具有突破性的成就，他为1932年建立爱因斯坦-德西特宇宙起源模型奠定了基础。1948年，弗里德曼的学生伽莫夫(G.Gamow)把它发展成一套完整的新宇宙学［2］，到20世纪60年代已成为宇宙学中的主导理论。

1956年，4位合作者玛格丽特·伯比奇(Margaret Burbidge)、杰弗里·伯比奇(Geoffrey Burbidge)、福勒(W.A.Fowler)、霍伊尔(Fred Hoyle)在《科学》上刊登了一篇关于元素起源的短文，接着就发表了登在《现代文理评论》上的那篇至今被视为科学经典的论文，用瑞典科学院宣布福勒获诺贝尔奖时的话，该文“仍然是我们对这个领域知识的基础，核物理和空间研究的最新进展已经进一步证实其正确性。”［2］

中子在化学元素起源理论中的地位特殊，“中子是伽莫夫宇宙的关键成分。一个中子只要是在稳定的原子核内，它就保持为中子。但若随其自便，则单独的中子会自己衰败，每个中子分裂成一个质子和一个电子。这种衰变发生得相当快，半衰期大约是13分钟(注:当前确定为881秒)。所以如果宇宙是从满含中子的高密集态也就是一种中子气开始，那么它就能提供出质子和电子，这两种粒子的数量总是相等的，它们进而组成稳定的原子，于是就不会有一种电荷过剩。”［2］

当代宇宙大爆炸模型被称为宇宙学标准模型，按照这个模型，宇宙是在大约137亿年前从一个具有无限大的密度和时空曲率的“奇点”开始的。宇宙年龄在0.1秒以前是轻子和夸克的天下，接着进入强子时期，由夸克结合成的中子和质子诞生了;在宇宙年龄约10～200秒时进入核过程时期，中子和质子首先结合为氘核，两个氘结合为氚核，氚核与氘核又结合为氦核，这个过程进行了约3分钟时间，除产生氦核外还产生了少量的锂和铍。质子十分稳定，处于自由状态的中子则衰变为质子。其他的元素是在其后的漫长过程中，随着宇宙的膨胀和温度降低形成中性原子，然后演化出星系和恒星。在恒星中，以氢为燃料的核聚变产生出氦，以氦为燃料的核聚变产生出碳等更重的元素;恒星质量越大，更重的元素也有可能成为核燃料，但这个核燃料到铁就终止了。比铁重的元素则是在超新星爆发时产生的。

这就是化学元素的起源和演化的大概过程。这里主要强调的是中子，没有中子就不会有元素的生成和演化。元素的起源是从中子和质子的诞生开始的，而中子可自发衰变为质子，由此可认为中子是元素起源和演化的起点，这个结论是符合事实的［1-5］。

20世纪40年代，伽莫夫(G.Gamow)把当时宇宙创生的思想推进了一大步，他把化学元素的形成同宇宙创生联系起来，确信宇宙中化学元素的相对丰度值必定是由宇宙创生的过程决定的。后来他和阿尔弗(A.Alpher)从一篇研究论文中得知，各种原子的中子俘获截面随元素在周期表中的位置不同而变化，而其变化曲线同宇宙中化学元素的相对丰度曲线很相似。大爆炸宇宙学的第一篇研究论文就是在这一有益启示下完成的［2］。他们的最后结论是，宇宙中现在的化学元素丰度曲线是宇宙最初形成时一次巨大爆炸的结果。

按伽莫夫的理论，宇宙元素是从中子开始的，中子可自发地衰变为质子，随宇宙膨胀而温度降低，重元素按中子俘获的快慢顺序由中子和质子生成。这个理论还预言早期的炽热宇宙会留下一个微波背景辐射遗迹，温度约为5K。

科学家后来对宇宙中的氦丰度及氘丰度进行了直接测量，结果证明轻元素起源理论是很成功的。1964年，彭齐亚斯(A.Penzias)和威尔逊(W.Wilson)发现了微波背景辐射，当时测定为3.5K，现定为2.7K。这与伽莫夫原来的计算结果不完全相同，这主要是由于宇宙初期的质子大多是由轻子相碰撞产生的［6-7］。

2 “从无到有”和“0起点”

近20年来，宇宙学又有了重要的进展。粒子和量子重力理论彻底改变了人们过去的宇宙观，对宇宙的观测和研究得出了新的结论，即大部分宇宙能量弥漫于整个空间，这个新发现有力地支持了宇宙无中生有的准确性。为此，美国理论物理学家克劳斯(Lawrence M.Krauss)出版了名著《无中生有的宇宙》［3］，他在书中写道:“我们今天的一切都是量子波动的结果，量子波动必然是无中生有的结果。”“看来量子力学不仅允许宇宙无中生有，甚至需要宇宙无中生有。我强调:在这种情况下，‘无’的意思是:不存在时间、空间和一切!‘无’是不稳定的。”

元素起源是宇宙起源以后的事情，宇宙起源于“无”，元素也起源于“无”，但这两个“无”似有区别。事物的起源就意味着从无到有或“无中生有”。需要对这里所说的“无”强调的是:“无”不是指一无所有那种绝对的无，而是指某事物的本来不存在。

在数学的坐标系中，两个坐标轴的交点用0表示，在这里我们也借用0来表示“有和无”的交点，称其为“0起点”，它表示事物起源的起点或者起始的特殊状态，指一切事物的起源从0开始，其意义并不等同于数学上的0。

本文讨论以上问题是为了研究化学元素。我们已经知道化学元素起源于中子，也就是说中子是化学元素起源和演化的起点，下面论述中子是否可以算是化学元素。

3 0号元素

如前所述，可以认为中子是化学元素起源和演化的起点，这就是说，中子在宇宙中的诞生意味化学元素在宇宙中“从无到有”了，即中子的地位就处于元素的“0起点”状态。首先，中子表示化学元素从无到有，那么中子就应该是化学元素，它是“0状态”的元素，故可称之为0号元素;其次，0号元素一般显示不出普通元素的化学特征，这也是人们至今没有把中子看作化学元素的根本原因。

0号元素的特殊性在于它只参与核反应而不参与化学反应。从核反应角度看，中子是当之无愧的元素，而从化学反应角度看，似乎它又不是元素。时至今日，人们一直忽略中子是元素的方面，而当代化学元素起源和演化学说的成就，把中子是否为化学元素的问题提到了科学议程上。本人建议把中子看作元素，这个建议也只有在人们对化学元素的起源和演化有了深刻的认识才有可能被认可。

在物质起源演化“0起点”的概念中，中子被认为是特殊的“0号元素”。同理，本人对元素周期系，也提出了“0周期”和“0族”的概念和实际应用［1］。

3.1 中子是特殊的化学元素

3.1.1 中子和质子

中子和质子的大小及质量几乎相同，并有相似的结构和性质，它们的自旋都是1/2，都由上夸克(u)和下夸克(d)结合而成。若用n代表中子，p代表质子，那么中子可表示为n(dud)，质子可表示为p(udu)。“如果不管电磁力而只看质子和中子的其余性质，它们就很相似，相似到使物理学家把它们看作是一个基本实体的两种可能的‘态’，这个基本实体就叫做核子。”［2］

在两种核子态之间，即在中子和质子之间，或者说在上、下夸克之间，有着一种基本的对称性。“通过计算，两个质子之间、1个质子和1个中子之间以及两个中子之间的强相互作用是几乎相同的。除了一个带电一个不带电这一几乎可以忽略的事实之外，中子和质子的习性是完全一样的。1932年，沃纳·海森堡(Werner Heisenberg)大胆地提出:大自然在明确暗示，中子之谜只能通过大自然设计中的一种基本对称来理解。”［8］这就是为什么只有这两种核子才能组成各种元素原子的原子核从而造就出大千世界。

人们通常把质子看作1号元素氢的原子核氢离子(H+)。这已经能够说明中子和质子有着同等的地位，也就有理由把中子看作“0号元素”的原子核，即中子是一种特殊的元素。

3.1.2 中子星

把中子看作一种元素的另一个有力证据就是在宇宙中存在着由这种元素构成的天体——中子星。当较大的恒星演化为超新星爆发之后，其核心会坍缩成中子星，中子星是在特别条件下由中子相互结合构成的星体。自1976年发现第一颗中子星至今，人类已发现了2000多颗中子星，其中大多数表现为脉冲星。中子星存在的事实告诉我们，可以把中子看做是一种特殊的元素。有了中子是一种元素这个前提，我们才可以说:宇宙间一切星球都是由化学元素构成的。

3.1.3 中子与稀有气体元素

稀有气体元素不仅很难与其他元素化合，而且自身也是以单个原子的形式存在，这一特性与中子是相似的。1962年，人们合成了重稀有气体元素的化合物，这样就使所有稀有气体元素都摘掉了“惰性”的帽子。当初被认为是元素并不是以它们是否有化合物为依据，而且至今也没有报道氦有什么化合物，但氦当然还是元素。还有很多来不及化合就消失了的人造元素也是元素，唯独中子不被认为是元素，这可能是由于中子外面没有电子。但人们在高能情况下发现一个新的核就算发现新元素了。须知，所有元素都是在极高的温度下诞生的，与电子毫不相关，中子不也是一个裸的核吗?

3.1.4 “四中子”

在本文开始时已经说明四中子是有可能存在的，马克小组的实验进一步说明，把中子看做0号元素是正确的。

综上可得结论:中子是核电荷为0、核外无电子的特殊元素，这一元素在周期表中排在氢元素之前，原子序数为0号。0号元素可以说是有放射性的，其衰变与其他放射性元素的衰变特点一致，即中子可衰变为另一种元素，同时放出射线。中子的半衰期为881.5±1.5秒，衰变后生成1号元素氢的核(质子p):

式中νe为电子中微子，e-为电子。

0号元素的特殊性在于它不参与一般的化学反应，但在核反应中是十分活泼的。

3.2 0号元素的元素符号

普通元素的元素符号都是大写的拉丁字母。由于0号元素的特殊性，我们用一个小写的拉丁字母“n”作为它的元素符号，其实这就是我们习惯上早已使用的符号，即中子的拉丁文neutron的首字母。

3.3 0号元素的命名

笔者将0号元素命名为“中”，其含义非常丰富:

第一，“中”指0号元素是中子。

第二，“中”象征0号元素对电子亲和的“中性”。

第三，“中”表达了首先从理论上提出0号元素概念的是中国人，“中”也寄托着笔者对中国的热爱。

第四，“中”表示“中”元素在周期表的中心位置和地位［1］，它包含着丰富的中华文化智慧。

元素起源于0号元素，因而0号元素是所有元素的“始祖”，它不参与各元素原子间化分与化合的变化，但却保持着每一种元素原子核的平衡。在原子核中，中子与质子数量的比例一般在1～1.5之间，并且越大的核越需要更大比例的中子来保持这个平衡。

第五，“中”包含着丰富的美学意义。

在中华文化中，“中”的美学意义在于“中”能表达事物的对称与和谐。

在元素大家族中，与0号元素“中”相对称的元素是1号元素“氢”:“中”是宇宙演化的起始元素;“氢”是恒星上元素演化的起始元素。“中”元素原子的核是一个强子——中子;“氢”元素原子的核也是一个强子——质子。其他元素原子的核则是由中子和质子组成的一个对称、平衡和协调的体系。

4 核反应

虽然核反应过程中发生了粒子的质变，产生了新物质，但通常是把这样的物质运动纳入物理运动或物理变化过程;在化学科学中，有一个分支学科称为核化学，核反应是核化学的重要组成部分。

核反应是由于核结构发生变化产生新原子核的物质运动过程，而原子核是由中子和质子组成的，所以核反应的实质是原子核中中子和质子数量的变化。无论是发生在自然界的核反应还是人工核反应，中子和质子都是最活跃的。

人们把组成原子核的中子和质子统称为核子。无论是在原子核的组成中还是在核反应中，中子和质子都是对等的。唯一不同的是，质子可以认为是一种核素(氢元素有3种核素，质子是其中之一而且是氢元素最重要的核素)，即质子就是元素，但中子则不是元素。把中子和质子这样区别开来是说不通的。

有中子参加的核反应是常见的也是最重要的核反应，在核与核间有力碰撞下发生的核反应中，常有中子产生。1932年，查德威克(J.Chadwick)重复了用α粒子轰击铍原子核能发射出穿透能力非常强的射线的实验，他进一步分析证明，这种射线正是12年前卢瑟福(E.Rutherford)预言的中子流，中子终于被发现了。接着约里奥-居里(Joliot-Curie)夫妇发现用α粒子轰击硼、铝、镁等靶核也能产生中子，同时产生带有放射性的原子核，从而开拓了人工获得放射性元素的新道路。

当前对原子能的开发主要是核的裂变能。我们知道，铀-235、铀-233、钚-239等重核被慢中子轰击时可分裂成大小不同的两个碎核，同时有2～4个中子射出。如果使射出的中子减速继续轰击更多的重核，就可实现重核的链式裂变反应并获得巨大的原子能。这里中子的作用是最关键的。

由于中子不带电荷，因而容易打入原子核引起各种核反应;反之，当原子核受到撞击时，中子又容易从核中迸发出来引起核裂变，这就决定了中子是核反应中的最活泼元素。这一性质还决定了中子在元素生成演化过程中的巨大作用，也决定了人类对中子的广泛应用。

对中子的应用主要在以下几个方面(这里不作详细介绍):

利用强的中子源制造各种同位素、研究新的核反应。

利用慢中子有效获取核能，在裂变反应堆的控制中起重要作用。

生产核燃料和生产超铀元素。

利用中子研究核反应机制、研究原子核的结构。

在所有核反应中，中子与其他核素起着相同甚至更重要的作用，可见中子和质子一样，都既是核子也是核素，中子是一种不带电荷的特殊的核素。

结论:应该把中子定义为“0号元素”;中子是一种特殊的重要元素。

［1］郭德荣.元素的演化和周期律的本质.银川:宁夏人民教育出版社，2005

［2］约翰·格里宾.大爆炸探秘——量子物理与宇宙.卢炬甫译.上海:上海科技教育出版社，2001

［3］Krauss L M.无中生有的宇宙.刘仲敬译.南京:江苏人民出版社，2012

［4］Hawking Stephen.时间简史.许明贤，吴忠超译.长沙:湖南科学技术出版社，2002

［5］Barrow John.宇宙的起源.卞毓麟译.上海:上海科学技术出版社，2007

［6］李醒民，宋德生，王身立.震撼人心的科学发现.长沙:湖南科学技术出版社，2008

［7］罗先汉.天体演化.太原:山西科学技术出版社，2000

［8］阿·热.可怕的对称.荀坤，劳玉军译.长沙:湖南科学技术出版社，1998