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,還具備了優越的物理和化學性質,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恆星演化講起。恆星依靠其內部的核聚變反應提供的能量來發光發熱,簡單來講就是,在恆星的內部,較輕的元素不斷地聚變成較重的元素,進而持續向外釋放出能量。
驅動恆星核聚變的力量,其實來自恆星自身的重力,一顆恆星的質量越大,其自身的重力就越大,就可以生成更重的元素,但恆星的核聚變並不能生成宇宙中所有的元素,即使是質量巨大的恆星,也只可能聚變到鐵元素,為什麼呢?這是因為鐵元素以及比鐵元素更重的元素就算會發生核聚變,也不會釋放出能量,反而會吸收能量。
所以當宇宙中的那些大質量恆星內部的核聚變進行到鐵元素這一步的時候,恆星就會因為其內部驟然失去能量而急劇坍縮,進而發生威力巨大的爆炸,這也被稱為「超新星爆發」。
當大質量恆星發生「超新星爆發」時,會在極短的時間內釋放出巨大的能量,並營造出中子異常豐富的環境,在這種條件下,較輕的原子核會大量的捕獲中子並迅速變重,而這種狀態的原子核是不穩定的,它們很快就會發生衰變,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」之後,恆星留下的殘骸會根據其自身的質量形成不同的天體,如果質量特別大,就會形成黑洞,而質量相對較小的話,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,進而發生碰撞,而當中子星碰撞的時候,又會形成中子密度極大、能量極高的環境,於是又會生成大量的重元素,其中當然也含有相當數量的黃金。
實際上,地球上的黃金就是來自於此,它們是來自遠古恆星的星塵,在宇宙空間中經過億萬年的時間漂泊,它們輾轉來到了地球。
我們能用物理學手段人工製造黃金嗎?
儘管以我們現有的科技,根本無法復現「超新星爆發」、中子星碰撞這樣的高能環境,但這並不代表我們不能用物理學手段人工製造黃金。
相信大家都知道,一個原子屬於哪種元素,其實是由其原子核內部的質子數量決定的,比如說原子核內部有一個質子,它就是1號元素氫,有兩個質子,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的質量數量,就可以將其轉變成黃金。
黃金在元素周期中是79號元素(Au),也就是說,黃金的原子核內含有79個質子,所以想要人工製作黃金,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,將汞轉變成黃金更加可行,怎麼做呢?
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「衝擊力」撞出汞原子的原子核內的一個質子,進行使其轉變成金原子,實際上,這種方法已被證明是可行的,因為早在上個世紀,就有物理學家利用高能中子轟擊汞原子核,並成功地製造出了少量的黃金。
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手段轉變成黃金,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個質子,而我們都知道,α粒子擁有4個重子(兩個質子和兩個中子),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個質子,進而使其變成金原子。
那麼問題就來了,既然我們能用物理學手段人工製造黃金,那為什麼現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製造出的黃金,其價值遠遠低於製造它們所消耗的資源。