一、序言

那夜空闪烁的繁星，自古以来，不仅把人们诱入到一个梦幻般的境界，而且，还给旅行者指引方向，给农民们指示播种期和收获期等，它是人们日常生活的指针。人们何时才知道太阳、月亮也是那些繁星之一的呢？又从何时才开始奇异地想到太阳及星星发出的光是连续的，与我们在地球上使用的火是不一样的呢？

人们思索太阳及各星星的光源时，自然首先会围绕着太阳及其他星星是由什么组成的问题来思考。1865年，印度发生日全蚀时，人们从太阳的日冕光谱中发现了氦元素，并认为它不是地球上而是太阳上的金属元素。于是，取希腊语中太阳之意的词Helios的词头和金属元素词汇所共通的词尾“um”合成“helium”命名之。直到最近，人们还认为太阳及其他星星同我们居住的地球是完全不同的。今天，我们已经知道，地球是漂浮在宇宙中的太阳的行星之一，地球上存在的元素和组成星体的元素绝无不同之处。

二、星球是由什么组成的？

1. 本身不发光的星球

1959年苏联宇宙飞船“射月2号”首次登月后见到的月球景象是遍布岩石和砂子的一片荒漠世界。其后对月球的探测表明，月球上的岩石和砂子与地球上的岩石和砂子极其相似，今天已查明，与地球一样绕太阳运转的水星、金星、火星，也是由与地球上的岩石和砂子相同的物质组成的，而且绕木星及土星运行的卫星，木卫1及木卫3、土卫6等，也由与月球相同的物质构成。那么，岩石与砂子到底由什么组成呢？

若把含量少的元素也都计算在内，可以说岩石和砂子包含着我们已知的全部稳定元素。各类岩石尽管或多或少地含有钠、钾、钙、铝或铜、银、金，但是主要成分都是硅酸盐，即氧与硅的化合物。此外，据说金星被厚厚的一层二氧化碳云包围着，表明金星含有大量的碳和氧，而地球的大气中含有大量的氮。尽管如此，我们是否就能把星球的主要成分氧、硅、碳、氮等元素看成是宇宙中最多的元素呢？

2. 元素在自然界中的存在度

在中学或高等学校的教科书上，出现有“克拉克（Clarke）数”一词。在给化学元素下了定义并接连不断地发现新的元素时，人们自然会问，这些元素在自然界中所占的比例究竟是多少？1889年，F. W. 克拉克（Clarke）最早发表了有关这个问题的论文。但是，克拉克数只指示出约占整个地球0.3%的岩石、水域及大气层中的元素比网，这对于我们说来，虽然是从身边得到的数值，可是，对于整个广阔无垠的宇宙说来，就不适用了。那么，怎样研究各元素在整个宇宙中所占的比例呢？

—种办法是，首先分析来自宇宙中的陨石的元素存在度，然后由此类推之。此法是由V. M. 戈德施米特提出来的。再一种办法是只要研究出离我们最近的发光星球——太阳中的元素存在度，那么就能获得宇宙中的普遍值。这两种办法现在都已延续下来了，并在继续努力以获取更佳值。现仅把这样测得的最新宇宙元素存在度中我们较常见的一些元素的数值列于表1中。

W. D. 哈金斯和G. 奥多从克拉克数发现了哈金斯法则，即在自然界中，原子序号为偶数的元素一般比与之相邻的原子序号为奇数的元素要多。由此可知，元素在自然界中存在的多少是有一定规律的，也就是说质子为偶数的原子核比质子为奇数的原子核更稳定。

宇宙中元素存在度的研究，已经历了半个世纪之久，直到现在还在继续进行着。这是因为它同元素的原子核性质的研究有着很深的关系，这种关系能进一步为探明元素是怎样产生的问题提供线索。

3. 元素的诞生（发光星球之谜）

化学家把原子作为物质的最小单位来考虑，元素的含义便在原有基础上增添了新的内容，人们虽然知道原子含有原子核和绕核旋转的电子，并阐明了电子的方向性，还知道构成任何种类原子的粒子都主要是质子、中子和电子，但却很少有人注意到它们曾经以分离形态存在过的时期，或者说由它们形成元素的过程。

今天，人们已经认识到，原子不是构成物质的最小单位。太阳及夜空闪烁的星星，甚至至今还在制造着各种原子核。其中，那些不稳定的原子核或者立即分裂，或者再与其他质子、中子或α粒子等相结合变成稳定的原子核。例如，众所周知的氢原子核中，有的只包含一个质子，有的包含一个质子和一个中子，还有的包含一个质子和两个中子。把这些原子核密闭在一定的装置内施加压力，它们便可相互结合形成氦原子核。一个氦原子核比两个氢原子的核要小，因此在高压下是稳定的。在氢元素形成氦元素的反应进行时放出的能量就是太阳光及大部分星星发出的光。

现在，在宇宙空间，有些星体内部密度也可能很小，而且存在着分离形态的元素的原子核、原子及它们相结合成的分子。这些原子核、原子和分子向宇宙空间扩展，有的地方浓度大、有的地方浓度小，在有某种因素存在的特定区域，浓度开始增大起来，最终将会诞生新星球。因此，可以认为，现在诞生的星球中，所有元素存在的比例与宇宙中元素存在的比例大致相同。

如果把历史追溯到宇宙的开始，据说，在宇宙诞生后约0.01秒，存在着大量的电子和中微子等基本粒子，而质子和中子的数目只有它们的大约十亿分之一，宇宙膨胀，温度随之降低，质子的数量逐渐增加。宇宙诞生3分钟后，质子的数量已为中子的七倍，此时便开始形成氦原子核。在30分钟后，占整个重量四分之一的粒子构成氦原子核，其余的则构成氢原子核（质子）。然后以氦原子核和氢原子核为材料，相继诞生了星体。星体的内部又形成新的元素，不久该星体爆发，把形成的元素连同原有的物质一块儿抛到宇宙空间。有关星体内部元素合成的详细过程已有专著论述。

尽管星体内部在逐渐形成新元素，但总是原料多而成物极少。因而，直到在宇宙诞生一百多亿年的今天，宇宙中存在的主要成分仍然是氢和氦，它们的比例变化也不太大。

三、宇宙空间存在的物质

我们已经知道宇宙的主要成分现在仍然是氢和氦。宇宙中一切元素的存在量从宇宙的标准来说，也许是极微量的，但也多得无法与我们在地球上所发现的量相比较。下面试以我们在地球上使用的铁和宇宙空间以铁陨石或宇宙尘埃形态存在的铁的差别为例说明之。

铁，众所周知，虽然能作为金属铁使用，但是很容易变成氧化物和硫化物。在约占整个陨石80%的普通球粒状陨石中，铁的存在形态主要有金属铁，名叫Troilite的硫化铁，还有名叫Olivine［(Mg，Fe)SiO₃] 和Pyroxene［(Mg，Fe)₂SiO₃] 的硅酸盐。其中，金属形态的铁和宇宙中的铁陨石、石铁陨石、宇宙尘埃中的铁粒相同，约含镍3 ~ 15%、钴0.5%，其他元素只不过是百万分之几。它们和地球上开采的铁的最大不同之处是，还含有相当量的铂、钯、金等贵金属元素（含量分别为7 ppm、4 ppm、2 ppm），而完全不含碱金属、碱土金属元素及锰之类的所谓亲石元素。可是在地球上炼出的铁都含有相当量的锰。我们通常用的地球上的铁矿，同陨石相对比，属于宇宙空间的硅酸盐或硫化物形态的铁，在地面上用人工还原成金属铁时，可以说无论怎样也不能完全除掉所含的亲石元素。

在地球的中心，似乎存在着相当于铁陨石的东西。但是，不可能钻破地球把它们取出来。当然，人类将来会有可能飞到宇宙空间，用大磁铁那样的东西携带铁陨石。这种想法一旦实现，也许就能在生产铁、镍、钴的同时，得到相当量的金、铂、钯等贵金属，并制造出与我们通常要用很大力气才能制得的特殊钢材不相同的优质铁材。

四、宇宙空间的有机物生成

在陨石中存在生物化石的说法曾轰动一时之后，又过了四个半世纪，在关于飞碟的小说中，我们还能读到关于宇宙人活动的话题。实际上，既然有这么多星体，也就可能有和我们的太阳系相同的星系，因而，说不定在宇宙的某个角落会存在着与我们地球上的条件相同的星球，在它上面也有生物生存。

这类幻想我们暂且不予理会，现就从陨石中抽取出来的有机物、太阳及星体的光谱，还有著名的米勒——尤里（Milley-Urey）反应结果来看，宇宙空间是的确能够合成简单的以甲烷为主的烃、氰化物、醇、醛、醚、胺、酰胺、酸、酯等物质的。这些有机物质也正是衍变成生物的先驱化合物，然而，与生物特别有关系的、只产生左旋光性的化合物是否存在尚未被证实。

五、结束语

最基本的化学元素原来不到一百种，它们都是在宇宙开始的时候由星球内部存在的基本粒子、电子、质子及中子等形成的。即使在今天，星球的内部也仍然在形成元素，换言之，化学实际上渊源于星球世界。

我们承受着太阳所发生的以核聚合反应为主的原子能的恩惠，却对在夜空中闪烁的星星上面进行原子核应所发出的光感到非常离奇。在广阔无垠的宇宙中大规模的化学反应总是在这里或那里，瞬时或长久地进行着，产生出各种各样的原子、分子、尘埃、石、岩以及有机物质。这些反应，有的与我们地球上看见的或人为发生的相似，也有的是我们想象不到的。我认为，虽然现在一定还存在超越化学家的思考范围的东西，但是我们在回顾历史之后，能够展望科学的未来发展。

（《化学工業》，1983年第4期）