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地球上的黃金是哪來的?我們能用物理學(xué)手段人工制造黃金嗎?

 魅力科學(xué)君 2023-05-26 發(fā)布于四川

在地球上,估計沒有人不會喜歡黃金,這種金屬擁有漂亮的光澤,還具備了優(yōu)越的物理和化學(xué)性質(zhì),比如說極佳的延展性和可鍛性,極強的抗腐蝕性和抗氧化性,良好的導(dǎo)電性能等等,更重要的是,人類在地球表面能夠找到的黃金極為有限,這無限使得黃金更加珍貴。

地球上的黃金是哪來的?

要回答這個問題,我們需要從宇宙中的恒星演化講起。恒星依靠其內(nèi)部的核聚變反應(yīng)提供的能量來發(fā)光發(fā)熱,簡單來講就是,在恒星的內(nèi)部,較輕的元素不斷地聚變成較重的元素,進而持續(xù)向外釋放出能量。

驅(qū)動恒星核聚變的力量,其實來自恒星自身的重力,一顆恒星的質(zhì)量越大,其自身的重力就越大,就可以生成更重的元素,但恒星的核聚變并不能生成宇宙中所有的元素,即使是質(zhì)量巨大的恒星,也只可能聚變到鐵元素,為什么呢?這是因為鐵元素以及比鐵元素更重的元素就算會發(fā)生核聚變,也不會釋放出能量,反而會吸收能量。

所以當(dāng)宇宙中的那些大質(zhì)量恒星內(nèi)部的核聚變進行到鐵元素這一步的時候,恒星就會因為其內(nèi)部驟然失去能量而急劇坍縮,進而發(fā)生威力巨大的爆炸,這也被稱為“超新星爆發(fā)”。

當(dāng)大質(zhì)量恒星發(fā)生“超新星爆發(fā)”時,會在極短的時間內(nèi)釋放出巨大的能量,并營造出中子異常豐富的環(huán)境,在這種條件下,較輕的原子核會大量的捕獲中子并迅速變重,而這種狀態(tài)的原子核是不穩(wěn)定的,它們很快就會發(fā)生衰變,進而形成大量的比鐵更重的元素,其中就包括了黃金。

在“超新星爆發(fā)”之后,恒星留下的殘骸會根據(jù)其自身的質(zhì)量形成不同的天體,如果質(zhì)量特別大,就會形成黑洞,而質(zhì)量相對較小的話,就會形成中子星。隨著時間的流逝,宇宙中的那些中子星有可能相互接近,進而發(fā)生碰撞,而當(dāng)中子星碰撞的時候,又會形成中子密度極大、能量極高的環(huán)境,于是又會生成大量的重元素,其中當(dāng)然也含有相當(dāng)數(shù)量的黃金。

實際上,地球上的黃金就是來自于此,它們是來自遠古恒星的星塵,在宇宙空間中經(jīng)過億萬年的時間漂泊,它們輾轉(zhuǎn)來到了地球。

我們能用物理學(xué)手段人工制造黃金嗎?

盡管以我們現(xiàn)有的科技,根本無法復(fù)現(xiàn)“超新星爆發(fā)”、中子星碰撞這樣的高能環(huán)境,但這并不代表我們不能用物理學(xué)手段人工制造黃金。

相信大家都知道,一個原子屬于哪種元素,其實是由其原子核內(nèi)部的質(zhì)子數(shù)量決定的,比如說原子核內(nèi)部有一個質(zhì)子,它就是1號元素氫,有兩個質(zhì)子,它就是2號元素氦。所以從理論上來講,只要我們能夠想辦法改變其他元素的原子核內(nèi)的質(zhì)量數(shù)量,就可以將其轉(zhuǎn)變成黃金。

黃金在元素周期中是79號元素(Au),也就是說,黃金的原子核內(nèi)含有79個質(zhì)子,所以想要人工制作黃金,最好的方法就是從元素周期中與黃金鄰近的元素下手,比如說78號元素鉑(Pt)以及80號元素汞(Hg),不過在地球上,鉑比黃金更加珍貴,所以相對而言,將汞轉(zhuǎn)變成黃金更加可行,怎么做呢?

一種有效的方法就是高能粒子的轟擊,其原理可以簡單地描述為,利用高能粒子的“沖擊力”撞出汞原子的原子核內(nèi)的一個質(zhì)子,進行使其轉(zhuǎn)變成金原子,實際上,這種方法已被證明是可行的,因為早在上個世紀,就有物理學(xué)家利用高能中子轟擊汞原子核,并成功地制造出了少量的黃金。

除了80號元素汞之外,另一種元素也可以通過相對簡單的物理學(xué)手段轉(zhuǎn)變成黃金,這種元素就是鉍(Bi),鉍元素是83號元素,其原子核比黃金多了4個質(zhì)子,而我們都知道,α粒子擁有4個重子(兩個質(zhì)子和兩個中子),所以我們就可以利用高級α粒子轟擊鉍原子核,這樣就有可能一次性地從鉍原子的原子核里撞出4個質(zhì)子,進而使其變成金原子。

那么問題就來了,既然我們能用物理學(xué)手段人工制造黃金,那為什么現(xiàn)代地球上的黃金依然很稀有呢?主要原因就是四個字:“得不償失”,具體來講就是用上述的方法制造出的黃金,其價值遠遠低于制造它們所消耗的資源。

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