氟——一种元素的神秘故事
Ken Croswell
译自Sky and Telescope, Vol.106, No.3 (2003)
地球上的每种元素都讲述了一个天界写就的故事：大气层和我们身体中蛋白质里的氮形成于象五车二这样略重于太阳的恒星中，这些恒星在它们死亡之际将其外层以行星状星云的形式抛洒出来；你吸入的氧和商店招牌灯中的氖是由大质量恒星（如心宿二）产生，并在其演化晚期发生超新星爆发时喷涌而出的；而超新星本身则锻造了你血液中的铁和首饰中的金的大部分。
然而，有一种元素却充满了神秘色彩：这就是氟。尽管氟看上去并不陌生——它存在于牙膏、富含氟化物的水，以及漂亮的萤石矿中——但没有人知道它是如何产生的。根据一种有趣的理论，氟的存在要归功于中微子这种每时每刻都从太阳核心射出，并穿过我们的身体的鬼样粒子。而一种与之竞争的观点主张，该元素形成于红巨星中的氮发生聚变之际。同时，还有一种观点主张，是沃尔夫—拉叶（Wolf-Rayet）星这种已被吹去外壳的大质量蓝星耍了这个把戏。
上图：当太阳质量的恒星死亡时，它们将外层抛出，形成像宝瓶座螺旋星云NGC 7293这样的行星状星云。通过分析被抛出的外壳，天文学家们了解到了濒死恒星的化学历史。这样的研究帮助人们确定最难以捉摸的元素之一——氟元素的可能的起源。图片提供：NASA，NOAO，ESA，哈勃螺旋星云小组，M. Meixner（STScI）以及T. A. Rector（NRAO）。
一种与众不同的元素
不论是从天文学还是从化学角度来说，氟（原子序数为9，因为其核中有9个质子）都是与众不同的。按元素在宇宙中的丰度来看，它的邻居——碳（原子序数为6）、氮（7）、氧（8）、氖（10）——都在前六位之中，仅次与氢和氦。但氟甚至排在前20以外。它就好象是在高楼大厦间筑起的小破屋。
氟的缺乏为天文学家们提供了一条重要的线索——以及一个可能的机会。线索是简单的：无论造就氟的是什么，都不可能造得太多。实际上，使恒星大量产生碳、氮、氧和氖的核反应必然大规模地绕过了氟。
而这也转而说明，对氟这种存在情况的探索可能会发现迄今无人知晓的核合成反应。加州大学Santa Cruz分校的Stan E. Woosley说：“最稀少的同位素实际上会是一些非常有趣的物理过程的表现，因为这些元素需要特殊的环境来制造。例如，产生铁是很容易的，但制造氟却极其困难。”结果是，由奇特的过程产生的氟并未被其他地方大量生成的元素所掩盖。
大部分光谱学家从未见过氟元素的谱线。由于氟的稀有，它产生的几条光谱线十分暗弱。尽管银河系包含有1000亿颗恒星或更多，天文学家们只在不到100颗恒星中发现过氟。
甚至对于化学家来说，氟作为所有元素中最活泼的一种而显得与众不同。它是如此之活泼，因而它能与惰性气体氪和氙结合而形成分子。当与氢配对时，它就形成了氢氟酸（HF）——一种能溶解掉盛装它的玻璃试管的强腐蚀性物质。氟是卤素的一种，与氯、溴、碘、砹一起占据了元素周期表的右数第二列。
对于核科学家来说，氟是脆弱的。与其他元素不同，氟只有一种稳定同位素：氟-19。虽然一般说来，恒星是元素的制造者，但它们却经常毁灭自己原先就拥有的氟元素。这是因为恒星中含量最高的元素——氢和氦——会毁灭氟。在恒星炽热的内部，氢原子核——也就是质子——将氟劈裂成氧和氦；而氦-4能使氟转化成氖。因此，任何试图露面的氟原子都必须面对一个与它为敌的宇宙。
上图：在元素周期表中，氟（以红色标出）是出现在熟悉的土地中的陌生人。与它相邻的元素——碳、氮、氧，还有氖——都是宇宙中含量最多的元素，其含量仅次于氢和氦。但氟是如此稀少，它的丰度甚至不在前20以内。
爆炸性的观点
1988年，Woosley和华盛顿大学的物理学家Wick C. Haxton提出了解决问题的一条途径。他们建议，氟可以由超新星产生和保存。恒星爆炸能将氟元素以足够快的速度抛出，使其免受能毁灭它的元素的影响。在2002年的一篇论文中，Woosley和其他声称，超新星的中微子可能产生了宇宙中大部分的氟。如果是这样的话，你牙膏中的氟正是因为这种几乎能穿透所有物体的幽灵粒子才得以存在。
当一颗像心宿二那样的大质量星演化成超新星时，1058个中微子猛冲着穿过爆炸的恒星。虽然中微子通常是无害的——每秒有数以万亿的太阳中微子穿过我们——超新星产生的中微子却携带了如此多的能量，而且密度是如此之高，以致200个这些通常意义上的鬼粒子中的一个能与新诞生的中子星外的物质作用。如果在太阳的位置上有一颗超新星，仅仅是中微子的爆发就足以使人丧命。
Woosley和Haxton写道，正是这种相互作用造就了氟。在爆炸之前，大质量恒星产生了大批拥有10个质子和10个中子的氖-20。在爆炸过程中，中微子飞过星体的氖层，它们中的一部分打下了原子中的一个质子，产生了氟-19；或是移走了原子内的一个中子，留下最终要衰变成氟-19的氖-19。氟可以由这两条途径中的任何一条产生。不幸的是，没有人在超新星或超新星余迹中观测到氟，因而，这个中微子过程仍仅仅是个推测。
重大发现
1992年，天文学家们确实发现了氟的存在——不是在超新星中，而是在几十颗红巨星里。布鲁塞尔自由大学（Free University of Brussels）的Alain Jorissen说：“那是在你的职业生涯中你少有的几次能想到‘天哪——这真是太棒了’的时候之一，因为理论与观测相符合，而且彼此之间并无任何矛盾。”在比利时完成学位论文期间，Jorissen发展了一套阐述氟的产生的理论，其时他并不知道德克萨斯的两位天文学家已经证实了它。在印第安那州召开的一次会议中，Jorissen碰到了来自德克萨斯大学Austin分校的David L. Lambert。Lambert告诉Jorissen，他和德克萨斯大学El Paso分校的Verne V. Smith在研究巨星中的其他元素时，偶然探测到了气体氢氟酸（HF）的红外特征谱线。那时，氟只在太阳、金星、参宿四、星际介质、宇宙线、碳星的外包层和一、两个行星状星云中被发现过。不久之后，天文学家们就测量了65颗巨星的氟丰度。
这些星体中的一部分是普通的巨星，如光谱型为K的牧夫座大角星和光谱型为M的仙女座β。大部分K型和M型星的氟丰度大致与太阳相当。然而，在天文学家们仔细观察碳星的时候，故事发生了戏剧性的变化：它们的氟丰度都高于太阳——甚至可以达到65倍以上。这表明，正如Jorissen的论文预计的，这些恒星自己产生了氟。这个发现使Notre Dame大学的Grant J. Mathews在发表于Nature杂志上的一篇论文中以压头韵的形式写道：“氟可能形成于膨胀的红巨星发生频繁狂暴的核聚变闪耀时。”（Fluorine is probably formed in the frequent furious fusion flashes of an inflated florid star.）
关键是依靠两种聚变反应供能的渐进支巨星。第一种反应发生在星体外层，通过碳—氮—氧（CNO）循环将氢转化成氦。在该反应中，碳、氮、氧对由氢向氦的转变起催化作用。CNO循环同时也使碳和氧转化成氮-14。
第二种核聚变反应在恒星的深层随机发生。氢聚变的余烬——氦——被转化成了碳。氦壳层的燃烧是不稳定的。氦壳层点火后，它产生的大量热量导致了被称为氦闪的核反应失控的发生。反应结束时，星体外层的对流将碳元素“挖”到了表面，使普通的巨星转变成了超新星。
同样的过程也使氟元素到达了星体表面。由于燃烧氢的CNO循环产生了氮-14，这种元素与氦相混合。在氦壳层闪耀时发生的核反应可将其转化成氟-19。通常情况下，氟并不会保存下来——它被能将其破坏的氦原子核所包围——但在这种情形中，氟形成的速度快于氦将它毁灭的速度，而且它能上升到恒星的“低温”外层。所以当恒星死亡时，富含氟的大气会被抛向太空，形成漂亮的行星状星云。
银河系中红巨星的祖先拥有1—8倍于太阳的质量。（更重的恒星就不是巨星，而是最终以超新星的形式爆发的超巨星了。）较小的巨星——质量小于太阳的4倍——实际上制造了大部分的氟，因为质量更大的恒星氦闪产生的高温能够摧毁的氟比所产生的更多。
上图：天文学家们认为，一般大质量的巨星生成氟的数量要比质量小些的巨星少。线索来自像创造了天鹅座蛋状星云的濒死恒星这样的天体；该星最初有约7倍的太阳质量。对蛋状星云抛出物形成的涟漪的分析几乎没有找到关于该元素的迹象。图片提供：NASA，哈勃遗珍计划（STScI/AURA）。
对行星状星云中氟的少量观测结果支持这一与质量有关的趋势。1997年，北京大学的刘晓为在乌鸦座行星状星云NGC 4361中检测到了相当高的氟丰度。星云前身的质量可能在1—2倍太阳质量之间。早些时候，天文学家们已在正损失着质量的碳星狮子座CW（质量在1.5至4倍太阳之间）包层中探测到了高氟丰度。但在2001年，亚利桑那大学的Jaime L. Highberger和她的同事声称，在蛋状星云——一个由7倍太阳质量的恒星形成的行星状星云前体——拥有相对很低的氟丰度。天文学家们指出，蛋状星云的低氟丰度可能是由于前身星的大质量造成的。
随风吹动
同时，日内瓦天文台的Georges Meynet和布鲁塞尔自由大学的Maral Arnould建议氟的寻找者们把目光放在沃尔夫—拉叶星这种蓝星上，而不要紧盯红色恒星。这种天体起源于质量最大的O型主序星。一颗典型的O型星演化时，星体会膨胀，这导致其表面冷却，直至转化成像心宿二这样的红超巨星。然而，最亮的O型星——诞生时的质量大于太阳的40倍——发出的光之强烈，足以将它们的氢包层吹到宇宙中去。其结果是，恒星依旧保持热而蓝，变成沃尔夫—拉叶星，并使其产生的、位于被吹走的表面之下的元素暴露出来。
这些元素中的一种是氮-14，产生于恒星通过CNO循环将氢转变成氮之际。当恒星将其氦核点燃的时候，通过与发生在红巨星中的过程相同的反应，部分氮-14就转化成了氟-19。
一般情况下，氟不会长久保存下去，因为氦燃烧导致了温度上升，并轰击氟-19使其变为氖。但在沃尔夫—拉叶星中，氟的结局要好得多。Meynet说：“星风很重要，因为它能保护元素免遭破坏。”星风将刚刚制得的氟吹入星际空间，使其不被氦所破坏。根据Meynet和Arnould的计算，沃尔夫—拉叶星的星风是氟元素的主要来源，其应拥有70倍于太阳的氟丰度。但遗憾的是，没有人在沃尔夫—拉叶星中发现过氟。
上图：含有微量元素杂质的氟化钙（即萤石，CaF2）是地球上色彩最丰富的矿石之一。萤石是卤化物，也就是说，它含有卤族元素。氯化钠（NaCl），即食盐，是最有名的卤化物。（译注：因条件所限，以上几图并非原文插图。）
考验时间
正在进行的新观测可能会在超新星、红巨星和沃尔夫—拉叶星这三种相竞争的理论之间最终指明氟的起源。
关键是追踪氟与氧和铁相比在年轻的银河系中形成的速度。氧形成速度很快，因为它是由燃烧迅速而狂暴，并很快会爆炸的短寿命大质量恒星形成的。其结果是，年轻的银河系和银晕中的老年贫金属星（只拥有极少数重于氢、氦的元素）都有氧的存在。相反，铁在银河系中扩散得很慢，因为它主要由Ia型超新星——由白矮星爆发产生——形成。而这类星体在爆发前要演化数十亿年。
三种关于氟产生的理论对元素的历史作了不同的假设，因而它们对于在贫金属星中该元素的丰度也有不同的说明。如果氟由短寿命大质量恒星爆发产生的超新星经中微子作用产生，它在银河系中形成的速度会很快，而晕族恒星中也应存在一些氟。反之，若是红巨星产生了宇宙中的大部分氟，晕族恒星中氟的含量应较少，因为红巨星起源于太阳这样的长寿命天体。
涉及沃尔夫—拉叶星的理论推测了第三种情形——银河系在金属丰度达到某一临界值后才有氟产生。这是因为金属丰度的高低决定了沃尔夫—拉叶星是否能够产生。O型星如要演化成沃尔夫—拉叶星，则必须吹去它的大气层；但为达到这一点，星光就必须推动大气中的金属元素。所以，没有金属，就没有沃尔夫—拉叶星——因而也就没有氟。
麻烦是，在贫金属星中检验氟的存在比在一般恒星中还要困难，因为这三种理论都预计道，在贫金属星中氟的丰度更低。尽管如此，在2003年9月的Astronomical Journal上，里约热内卢国家天文台的Katia Cunha，美国国家光学天文台（NOAO）的Verne Smith和David Lambert报告了引人注目的观测结果：在贫金属星中发现了氢氟酸。利用位于智利的8.1米南双子望远镜，Cunha和她的同事测得了大麦哲伦云中9颗此类恒星的氟丰度。天文学家们甚至在铁丰度只及太阳5%—10%的半人马Ω球状星团的2颗星中找到了氟。这说明，一个伟大的时代即将来临。
通过将氟的丰度与氧和铁比较，天文学家们得出结论说，氟主要起源于大质量恒星——要么是在恒星爆发时射出的中微子流穿过了氖，要么是通过沃尔夫—拉叶星中的核反应，要么二者兼而有之。相反，红巨星看上去贡献不大。
因而，如果中微子从不与物质作用，最亮的恒星也从不吹走它们的外层，大部分氟将不复存在——而我们可能会生出更多的牙洞。又有谁能想到，正是这种奇异的过程拯救了你的牙齿呢？
Cunha仍警告说，需要更多的观测资料——尤其是有关拥有如此重要的线索的贫金属星的——来证实这一结论。她希望能在一年之内讲出藏在你牙膏中的氟背后的完整故事。
天文学家Ken Croswell毕业于哈佛大学，他的第一本书The Alchemy of the Heavens（中译本名为《银河系》，黄磷译，海南出版社1999年出版）追述了元素的起源，该书曾获洛杉矶时报（Los Angeles Times）图书奖提名。他最新的一本书Magnificent Mars将于2003年1月出版。
