惰性元素：化学世界的“隐士”与“赋能者”

在元素周期表的大家庭中，有这样一群特殊的成员：它们仿佛与世无争的隐士，在化学反应中极少露面，却恰恰因为这份“沉默”，在现代科技与人类生活中扮演着不可替代的角色。

它们，就是惰性元素——也被称为稀有气体或贵族气体。

在现行的118种元素中，惰性元素共有七种：氦（He）、氖（Ne）、氩（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）以及人工合成的气奥（Og）。

其中，前六种天然存在于自然界中，而气奥则是科学家在实验室中人工合成的，其原子核极不稳定，半衰期很短。

在常温常压下，这些元素都是无色无味的气体，以单原子形式存在。

它们最显著的特征是“惰性”——极难与其他物质发生化学反应。

在惰性元素的原子中，电子在各个电子层中的排列恰好达到了最稳定的数目——即最外层电子层形成了完整的“八电子”（氦为“二电子”）稳定构型。

这种结构使原子既不容易失去电子，也不容易获得电子，自然就难以与其他原子发生电子交换或共享，从而表现出极强的化学稳定性。

1785年，英国科学家卡文迪什在研究空气组成时，发现空气中似乎还残留着少量未知气体，但这一现象当时并未引起重视。

直到100多年后的1894年，英国物理学家瑞利注意到一个微小却关键的差异：从空气中分离出的“氮气”每升重1.2572克，而从氮化合物中分离出的氮气每升仅1.2508克——两者相差0.0064克。

正是这细微的差别，促使他与化学家拉姆塞合作，最终发现了一种全新的、极不活泼的气体——氩（Argon），意为“不活泼”。

氦的发现则更具浪漫色彩。

1868年，法国天文学家简森在观察日全食时，在太阳光谱上发现了一条不属于已知元素的黄线。

英国天文学家洛克耶尔也独立观测到这条线，并将其命名为Helium，取自希腊语“太阳神”之意。

有趣的是，这个在太阳上“发现”的元素，直到27年后才在地球上找到。

此后，氖、氪、氙、氡相继被发现，惰性气体家族逐渐完整。

虽然被称为“惰性”，但这些元素在现代社会中却一点也不“闲”。

正因为它们不轻易参与化学反应，反而在许多需要“稳定环境”的场景中成为不可或缺的助手。

照明与显示：氖在通电时会发出明亮的橙红色光，是霓虹灯的经典材料；氩和氪则被用于填充白炽灯和荧光灯，防止灯丝氧化，延长使用寿命。

焊接与冶金：氩气作为保护气体，在焊接时覆盖熔池，隔绝空气中的氧气和氮气，确保焊缝质量。

航天与深海：氦气密度小且极不活泼，常用于填充气球、飞艇，并与氧气混合用于深海潜水呼吸气，避免氮麻醉的风险。

医疗与科研：氙气具有良好的麻醉作用，可用于医疗麻醉；氦-氖激光器在眼科手术和精密测量中有着重要应用。

半导体工业：高纯度的氖、氩、氪等气体被用于芯片制造过程中的刻蚀与清洗，是信息产业背后的“隐形功臣”。

长期以来，人们认为惰性元素完全无法参与化学反应。

但1962年，加拿大化学家巴特利特成功合成了六氟合铂酸氙，打破了“惰性元素绝对不反应”的刻板印象。

此后，氙的化合物相继被制备出来，惰性元素家族中也出现了“不惰”的成员。

这一突破不仅拓展了化学的边界，也让我们重新审视“稳定”与“活泼”之间的辩证关系。

粒子对撞机重现大爆炸后数微秒存在的物质

美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）的科学家们通过以接近光速轰击氧原子核，成功生成了夸克-胶子等离子体（QGP）。

QGP是宇宙诞生后最初几微秒内存在的一种物质形态，有助于物理学家确定质子、中子和原子最初是如何形成的。

研究QGP还可以帮助科学家理解物理学中的其他现象，例如核稳定性的极限，以及对X粒子等奇特粒子的搜寻。

然而，由于QGP即使在宇宙大爆炸之后也只持续了几微秒，科学家很难直接观测到它，即使在RHIC或CERN大型强子对撞机（LHC）这样的粒子对撞机内部也是如此。

因此，科学家唯一能知道QGP是否形成的方法，是利用RHIC的螺线管径迹探测器或STAR探测器等探测器，研究从原子核碰撞中飞出的粒子。

“科学家研究QGP最有力的方法之一，是确定其特征信号出现在哪里——同样重要的是，确定这些信号在哪里消失，”参与这项工作的山东大学物理学教授李毅说。

研究人员此前发现，高能粒子喷注在穿过粒子对撞机内原子核碰撞后留下的炽热、致密物质时会损失能量。

这被称为喷注淬火，被认为是QGP形成的标志。

什么是喷注淬火？ 当粒子对撞机将金等较重的原子核相互轰击时，它们的边界会瓦解，质子和中子中的夸克和胶子被释放出来。

这些碰撞遵循爱因斯坦著名的E=mc²方程，并相应释放能量。

由于形成的QGP比原子核本身还小，研究人员利用探测器来发现这些原子核碰撞后飞出的其他粒子。

然而，在观测中，研究人员发现一些粒子从这些碰撞中飞出时能量低于预期，就好像它们被等离子体中的夸克和胶子困住了一样。

为了进一步理解这一点，研究人员研究当原子核中的单个夸克或胶子与另一个原子核中的单个夸克或胶子碰撞时释放的能量喷注。

这种碰撞会在碰撞区边缘产生两束高能粒子喷注，帮助研究人员通过观察这些粒子的能量损失来研究QGP。

这种喷注淬火对于理解QGP至关重要，同时也是其存在的明显迹象。

研究氧原子核碰撞 RHIC的研究人员曾在金-金碰撞中观察到喷注淬火。

金原子核有78个质子和118个中子，属于相对较大的原子核；研究发现，从这些碰撞中产生的较低能量粒子会集体运动，像一种没有阻力的完美液体。

研究人员想知道，如果他们使用包含氧等较轻元素原子核的系统，是否会得到类似的观测结果。

每个碰撞氧原子核只有8个质子和8个中子，因此氧提供了一个比金或铅等重原子核更简单的系统来观测喷注淬火。

利用RHIC在2021年以2000亿电子伏特（GeV）进行的氧-氧碰撞数据，该团队发现，由于喷注淬火，高能粒子被抑制了20%。

虽然这一抑制程度低于金和铅对应的情况，但仍能证明QGP的形成。

由于LHC的研究人员也研究过氧-氧碰撞，RHIC团队可以将自己的发现与CERN研究人员的结果进行比较。

“我们正从两个方面推进边界，以探索产生QGP的最低条件：一方面通过观察这些小型氧-氧碰撞来研究原子核尺寸，另一方面也研究较低碰撞能量的数据——而我们仍然看到了这一关键的QGP特征。

这是我们测量的独特之处，”布鲁克海文国家实验室STAR物理学家马荣荣在新闻稿中解释道。

随着新的sPHENIX探测器如今成为RHIC粒子对撞机装置的一部分，未来关于氧-氧碰撞还将有更多发现。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！

粒子对撞机重现大爆炸后数微秒存在的物质

美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）的科学家们通过以接近光速轰击氧原子核，成功生成了夸克-胶子等离子体（QGP）。

QGP是宇宙诞生后最初几微秒内存在的一种物质形态，有助于物理学家确定质子、中子和原子最初是如何形成的。

研究QGP还可以帮助科学家理解物理学中的其他现象，例如核稳定性的极限，以及对X粒子等奇特粒子的搜寻。

然而，由于QGP即使在宇宙大爆炸之后也只持续了几微秒，科学家很难直接观测到它，即使在RHIC或CERN大型强子对撞机（LHC）这样的粒子对撞机内部也是如此。

因此，科学家唯一能知道QGP是否形成的方法，是利用RHIC的螺线管径迹探测器或STAR探测器等探测器，研究从原子核碰撞中飞出的粒子。

“科学家研究QGP最有力的方法之一，是确定其特征信号出现在哪里——同样重要的是，确定这些信号在哪里消失，”参与这项工作的山东大学物理学教授李毅说。

研究人员此前发现，高能粒子喷注在穿过粒子对撞机内原子核碰撞后留下的炽热、致密物质时会损失能量。

这被称为喷注淬火，被认为是QGP形成的标志。

什么是喷注淬火？ 当粒子对撞机将金等较重的原子核相互轰击时，它们的边界会瓦解，质子和中子中的夸克和胶子被释放出来。

这些碰撞遵循爱因斯坦著名的E=mc²方程，并相应释放能量。

由于形成的QGP比原子核本身还小，研究人员利用探测器来发现这些原子核碰撞后飞出的其他粒子。

然而，在观测中，研究人员发现一些粒子从这些碰撞中飞出时能量低于预期，就好像它们被等离子体中的夸克和胶子困住了一样。

为了进一步理解这一点，研究人员研究当原子核中的单个夸克或胶子与另一个原子核中的单个夸克或胶子碰撞时释放的能量喷注。

这种碰撞会在碰撞区边缘产生两束高能粒子喷注，帮助研究人员通过观察这些粒子的能量损失来研究QGP。

这种喷注淬火对于理解QGP至关重要，同时也是其存在的明显迹象。

研究氧原子核碰撞 RHIC的研究人员曾在金-金碰撞中观察到喷注淬火。

金原子核有78个质子和118个中子，属于相对较大的原子核；研究发现，从这些碰撞中产生的较低能量粒子会集体运动，像一种没有阻力的完美液体。

研究人员想知道，如果他们使用包含氧等较轻元素原子核的系统，是否会得到类似的观测结果。

每个碰撞氧原子核只有8个质子和8个中子，因此氧提供了一个比金或铅等重原子核更简单的系统来观测喷注淬火。

利用RHIC在2021年以2000亿电子伏特（GeV）进行的氧-氧碰撞数据，该团队发现，由于喷注淬火，高能粒子被抑制了20%。

虽然这一抑制程度低于金和铅对应的情况，但仍能证明QGP的形成。

由于LHC的研究人员也研究过氧-氧碰撞，RHIC团队可以将自己的发现与CERN研究人员的结果进行比较。

“我们正从两个方面推进边界，以探索产生QGP的最低条件：一方面通过观察这些小型氧-氧碰撞来研究原子核尺寸，另一方面也研究较低碰撞能量的数据——而我们仍然看到了这一关键的QGP特征。

这是我们测量的独特之处，”布鲁克海文国家实验室STAR物理学家马荣荣在新闻稿中解释道。

随着新的sPHENIX探测器如今成为RHIC粒子对撞机装置的一部分，未来关于氧-氧碰撞还将有更多发现。

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