出品：科普中國

作者：五月（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

金（Au），作為重金屬元素中知名的一員，是生活中常見且廣受歡迎的一種貴金屬，具有穩(wěn)定性強、延展性好、催化性能高等優(yōu)點，在首飾、貨幣、醫(yī)療、催化和眾多工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

在中國，早早就有“點石成金”這個成語，而在西方，提到點石成金，我們也很容易想到中世紀的煉金士們：他們致力于將普通金屬轉(zhuǎn)變?yōu)橘F金屬，如黃金，以滿足創(chuàng)造財富的欲望。不止西方的煉金士們追求人造黃金，中國歷史上也早有人進行相關(guān)嘗試，但均未成功。

站在現(xiàn)代化學的角度，我們知道古代煉金士們的道路是行不通的。但如果我們站在現(xiàn)代科學的角度，縱觀“金”的一生，能否實現(xiàn)點石成金這一夢想呢？

從氫到鐵的成長史

在早期宇宙中，各處的物質(zhì)密度都非常高，它就像一碗由各種粒子混合組成的濃湯，并沒有原子核的存在。在宇宙大爆炸之后，一些粒子粘在一起并捕獲電子創(chuàng)造出原子核，但最初幾乎只有氫、氦這種很輕的原子核。在引力的作用下，這些輕核聚集成團，其核心溫度和密度不斷升高，最終達到了核聚變所需要的高溫高壓，氫、氦原子開始發(fā)生核聚變——恒星誕生了。

宇宙的演化

（圖片來源：veer圖庫）

對于像太陽這樣的恒星而言，首先進行氫原子核的聚變反應(yīng)，生成氦原子核，其釋放出來的能量又促使氦原子核繼續(xù)發(fā)生核聚變，生成了碳原子核、氧原子核，釋放的能量繼續(xù)促使碳、氧原子核發(fā)生聚變形成更重的元素……因此，很多人又將太陽這樣的恒星稱為“元素的煉丹爐”。如此來說，恒星內(nèi)部核聚變持續(xù)進行的話，元素會變得越來越重，最后豈不是會形成富饒的金礦？

其實不然。在恒星質(zhì)量足夠大的情況下，其內(nèi)部的核反應(yīng)可以一直持續(xù)到生成鐵原子核，但鐵的比結(jié)合能最高，要往鐵原子核里面“擠”入核子就會變得很困難，需要消耗大量的能量。恒星內(nèi)部發(fā)生鐵聚變時，會消耗大量的能量，相當于在恒星內(nèi)部加上了“滅火器”，會造成恒星坍縮。那比鐵更重的元素（超鐵元素）是如何形成的呢？

各種元素的比結(jié)合能，其中鐵的最高

（圖片來源：Wikipedia）

點石成金的炮彈

先前的核聚變是將兩個較輕的原子核聚合到一塊，形成更重的原子核。科學家們根據(jù)太陽系原子核豐度的觀測結(jié)果和原子核的殼模型推出，超鐵元素的形成是由于“中子俘獲”過程——在元素聚變到鐵元素之后，更重的元素是由于直接向鐵原子核中塞入中子形成的。

如果只是中子數(shù)增多的話，并沒有改變原子的種類，只是產(chǎn)生了更重的同位素罷了，但有一些同位素并不穩(wěn)定，通常會存在著β衰變，也就是其中的中子有一定的概率通過釋放一個電子，從而衰變成質(zhì)子，如此原子核就會多了一個質(zhì)子變成更重的元素。

恒星中通過慢中子俘獲過程把鐵變成金的過程

（圖片來源：中國科學院近代物理所）

發(fā)生在恒星內(nèi)部的中子俘獲非常微弱，效率很低，也被稱為“慢中子俘獲”（Slow-過程）。那有沒有辦法給它加加速實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)更重的元素呢？

要想實現(xiàn)“快中子俘獲”（Rapid-過程），就需要中子通量的密度足夠高，有足夠多的中子、足夠大的能量促使中子俘獲過程的快速發(fā)生，什么樣的環(huán)境能夠滿足這些條件呢？

科學家發(fā)現(xiàn)超新星爆發(fā)能夠促使中子俘獲快速發(fā)生。恒星內(nèi)部發(fā)生鐵聚變時會吸收能量，引發(fā)核爆炸，這就是超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)能夠照亮一個星系，同時還會產(chǎn)生原子序數(shù)比鐵原子大的元素。在這場能夠照亮星系的“煙花秀”中，大量的中子以極其高能的形式被釋放出來，在這些高能中子的撞擊和β衰變的作用下，先前的原子核不斷“升級”，于是形成了大量的重金屬元素。但這些重金屬元素大部分都集中在恒星的核心部分，為我們所用的并不多。

1994年，科學家拍攝到的超新星爆發(fā)（SN 1994D，左下角的明亮白點） （圖片來源：Wikipedia）

除此之外，還有一種方式能夠產(chǎn)生比鐵元素原子序數(shù)更大的元素，那就是中子星合并。經(jīng)歷超新星爆發(fā)的大質(zhì)量恒星根據(jù)內(nèi)核質(zhì)量的不同有兩種歸宿，一種是形成黑洞，一種是變成密度極大的中子星。如果宇宙中的兩顆中子星相遇，它們會在引力的作用下相互靠近，并最終合并到一起。在合并的過程中，會產(chǎn)生強烈的引力波，也會產(chǎn)生金、銀等原子序數(shù)較大的元素。但這種核反應(yīng)是復雜多樣的，因此想在宇宙中找到一顆純金的天體，只能是遙不可及的夢。

太陽系中同位素豐度分布和相應(yīng)的核合成過程

（圖片來源：參考文獻2）

來自星空的禮物

在超新星爆發(fā)和中子星合并過程中所產(chǎn)生的物質(zhì)會被拋灑在宇宙中，與已存在的星際氣體、塵埃云等混合，在引力的作用下形成新的星體。也就是說，在上一代恒星的“墳?zāi)埂敝校杏隽讼乱淮男求w，包括恒星、行星等。這些恒星、行星及其他天體會在引力的作用下不斷長大并趨于平衡，形成新的星系，這里面就包含我們的太陽系。

因此，現(xiàn)在地球上存在的黃金，一部分是早期微型地球的組成物：早期地球物質(zhì)處于熔融狀態(tài)，黃金的密度較大，會不斷下降沉入地核，而地質(zhì)活動會以火山噴發(fā)的形式將一部分黃金從地核運到地表；另一部分則是來自天外的禮物：在地球凝固穩(wěn)定之后，地球的引力會“捕獲”路過的隕石，其上有著豐富的金、鎢、鉛等重金屬，它們來到地球之后會在地質(zhì)活動的作用下下沉、富集，等待被人們發(fā)現(xiàn)的那一天。

人造黃金，道阻且艱

在認識了金元素的“前世今生”之后，“點石成金”的理論基礎(chǔ)就已經(jīng)存在了。各種元素的差別在于它們的原子中質(zhì)子、中子和電子數(shù)目的不同，特別是質(zhì)子的數(shù)目。如果我們能夠人為的改變原子核中質(zhì)子的數(shù)目，就可以把一種元素轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素，用“廉價”的元素制造“貴重”的元素。大自然為我們提供的辦法有兩種，代表著核聚變的加法以及代表著核裂變的減法。

現(xiàn)在元素周期表中的118種元素，其中92種是在自然界發(fā)現(xiàn)的，26種是通過核聚變的方式，由較輕的元素聚變得到的人造元素。人造元素的產(chǎn)生就是做加法，但要實現(xiàn)這種變化需要極端的高溫和高壓，一般需要上億度的高溫或者幾千億個大氣壓的壓力。而要做減法，就是想辦法將比金原子核更重的原子核，如汞中的質(zhì)子祛除。

人類對“點石成金”的夢想，直到1941年，才終于夢想成真——美國哈佛大學的班布里奇博士用中子轟擊古代煉金士們煉金常用的汞原子（水銀），將其原子核中的一個質(zhì)子轟擊出來，同時有一些中子被新原子核俘獲，成功地將比金原子序數(shù)大1的汞變成了金。到了1980年，美國勞倫斯伯克利研究所利用高能加速器，用接近光速的粒子轟擊鉍原子核（原子系數(shù)為83）使4個質(zhì)子破核而出，剩下了79個質(zhì)子，使其變成了金原子了——但這個過程創(chuàng)造的金元素極為稀少，能量消耗卻極為巨大，據(jù)估算，用這種方法生產(chǎn)的黃金其成本超過每盎司一萬億美元，但當時開采出來的一盎司黃金僅需560美元。

鉍金屬，它會在自然情況下形成美妙的晶體，我們在許多科學實驗套裝中就能買到

（圖片來源：Wikipedia）

在人造黃金過程中所消耗的人力物力財力，遠遠超過了得到的黃金本身的價值，從經(jīng)濟的角度來看無疑是失敗的。但這些實驗的目的，并不是為了得到貨幣黃金，而是在創(chuàng)造黃金的過程中提升人類對超鐵元素的認知，這具有非常重大的意義。

點石成金的實驗雖然已經(jīng)成功，但對超鐵元素起源的研究仍前路漫漫，這些研究也將極大推動核物理、天體物理和天體演化等學科的發(fā)展，為現(xiàn)代科學的大廈添磚加瓦。

參考文獻：

[1]李潮,謝忠菲,楊樹斌.從“0”開始的繁榮——金元素[J].廣東化工,2020,47(09):93-94.

[2]唐曉東,李闊昂.宇宙中元素的起源[J].物理,2019,48(10):633-639.

來源: 中國科普博覽

內(nèi)容資源由項目單位提供