黄金能通过物理方法制造出来吗?

2021-04-15 21:08:49 科学宇航员

长久以来,人类一直想通过“炼金术”来把其他金属转变成黄金,就连著名的物理学家、数学家牛顿都尝试过。然而,数千年来,所谓的炼金术无一成功。随着化学的发展,人类逐渐认识到,炼金术是不可能实现的。

到了19世纪,随着门捷列夫提出元素周期表,人类开始系统地研究各种元素。黄金是一种金属单质,它是元素周期表中的第79号元素。既然黄金不是化合物而是单质,那么,通过化学反应不可能把其他金属元素转变成黄金。因为化学反应只涉及价电子得失,反应前后的元素种类不会发生变化,不可能会有新的元素被制造出来。

化学炼金技术无法制造出黄金,能否通过物理方法来制造黄金呢?

金是第79号元素,在自然界中能够稳定存在的金原子(金-197)由79个质子、118个中子和79个电子组成。通过核聚变或者核裂变反应,可以让其他元素的原子核获得或者失去一定数量的质子和中子,从而让其转变为金原子。

通过核反应方法,人类能够制造出金的各种同位素,包括金-195、金-196、金-198和金-199。这些金的同位素都不稳定,很容易发生衰变,转变成铂或者汞。然而,通过核反应来制造黄金需要消耗巨大的能量,这完全是亏本的行为,所以黄金都是从金矿中提炼出来的。

地球上存在黄金,而地球最初是从太阳星云中形成而来,这意味着宇宙能够制造出黄金。那么,金在宇宙中是如何产生的呢?

在宇宙中,金的产生途径主要有两种,一种是超新星爆发,还有一种是中子星碰撞。

超新星爆发

恒星的核心区域,氢原子核通过核聚变反应产生氦原子核,而氦又会进一步合成出更重的元素。对于太阳这样的中低质量恒星,核聚变反应最多只会制造出第8号元素——氧。即便是质量超过太阳8倍的大质量恒星,核聚变反应最多也只能合成出第28号元素——镍。

那么,更重的元素是怎么来的呢?

大质量恒星在合成出第26号元素铁之后,核心很快会失衡,由此引发超新星爆发。在此期间,大量的自由中子被释放出来,铁原子核能够俘获中子,从而进一步制造出更重的元素,金、铂,甚至铀和钚等元素能够在此过程中产生。

双中子星碰撞

在2017年,人类探测到了一起特殊的引力波事件——GW170817,由1.3亿光年外的两颗中子星碰撞所产生。在此期间,天文学家还通过多个电磁波波段(包括伽马射线、X射线和光学)观测了这一宇宙灾难事件。

结果表明,在中子星碰撞过程中,通过快中子捕获过程可以大量合成出金元素。据估计,GW170817引力波事件制造出了100个地球质量的黄金。基于此次引力波事件,天文学家认为,宇宙中的黄金大都是于双致密天体合并之后产生的千新星事件。

金在宇宙中很稀少,其丰度仅为一百亿分之六。在宇宙中,每1000亿个氢原子对应1个金原子。由此可以算出,太阳系中包含了大约400亿亿吨的黄金。最后,当我们在使用黄金时,我们需要感谢太阳系诞生之前的某颗超新星或者中子星。

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