一、为什么可以实现人造钻石,却没办法人造黄金?
黄金在地球上是最珍贵的元素之一,在宇宙中也十分稀有,含量只有一百亿分之六。氢元素是宇宙中含量最多的元素,与氢相比黄金真是少得可怜,每找到1000亿个氢原子才能找到一个金原子。即使黄金如此稀有,然而宇宙很大,按照太阳系的总质量估算也有400亿亿吨的黄金。
太阳系的黄金储量很高,但以人类目前的技术还开采不到。自古以来,“点石成金”就是全人类共同的梦想,然而所谓的炼金术从来没有成功过。
随着化学的发展,人们认识到炼金术是不可能的。19世纪,门捷列夫提出元素周期表,人类开始科学地研究身边的各种元素,以及它们之间相互转化的可能性。金是元素周期表中的第79种元素,金原子(金-197)是由79个质子、118个中子和79个电子组成的稳定的原子。炼金术通常是指化学反应,只涉及电子的得失,而不涉及原子核的变化,所以不能把其它元素转化成金元素。
人造黄金要靠物理反应,由其它元素的原子核发生聚变或裂变,得到或丢失一定数量的质子和中子。科学家在实验室里利用这种方法获得了各种金的同位素,包括金-195、金-196、金-198和金-199。但是,这些人为制造的金同位素并不稳定,容易衰变和转化成铂或廉价的汞。不仅如此,通过人工核反应制造黄金需要消耗大量的能量,是一门不划算的生意。所以,我们现在见到的黄金都是从金矿中提取的。
地球上的黄金是有限的,宇宙却可以生产黄金,现在已经发现两种方法,一种是超新星爆炸,另一种是中子星相撞。
在恒星的核心,氢元素发生核聚变转化成氦,氦再进一步聚变出更重的元素。恒星生产重元素的能力与它的质量有关,像太阳这类中低质量的恒星,最多只能合成8号元素——氧;质量比太阳大8倍的恒星,也只能合成28号元素镍。大质量的恒星在合成了26号元素铁之后,内核很快会失去平衡,引发超新星爆发的过程,释放出大量的自由中子。铁原子核捕获自由中子,就会合成更重的元素,包括金、铂,乃至铀和钚等。
在中子星碰撞过程中,较低原子量的元素获得了捕获中子的机会,可以合成大量的金元素。2017年,科学家观测到两颗中子星合并事件产生的引力波,代号GW 170817。据估计,这起事件产生了大量的黄金,相当于地球质量的100倍。根据这起引力波事件,科学家推测宇宙中大部分的金元素是由密度极大的天体合并过程产生的。
二、黄金那么贵,为什么没有人研究出人造黄金?
那是因为人们无法制作出十分稳定的同位素。
众所周知,黄金已经成为具有收藏价值的商品,每当商品价格下跌时,黄金总能够保持原有的价值。为了进一步提高黄金的产量,大部分国家都会开矿,并源源不断的开出黄金。
与黄金形成鲜明对比的是钻石,我国已经具备着非常成熟的人造钻石技术,可始终无法掌握黄金制造技术。由于黄金保值空间比较大,这使得众多科学家也在研究黄金制造技术。结果可想而知,多项技术均以失败告终,毕竟同位素不稳定,容易导致黄金发生变化。
第一个原因:技术不成熟,造价非常高
每一项技术的发展和突破,需要更多的资金和人才。以目前的情况来看,人造黄金技术还未达到完善程度,这也迫使人造黄金技术的难度变得越来越大。更何况整体的人造黄金过程充满不确定因素,有可能花费大量的时间和资金。当人造黄金的造价远远高于天然黄金的价格,难免会使人造黄金的意义发生变化。
第二个原因:人造黄金很难形成十分稳定的同位素
当人们利用先进技术完成电子转移时,某一种元素的性质会发生变化。可是电子的转移也会与同位素稳定形成很大的关系,每一种天然元素中的电子和同位素相对稳定,才能够保持元素特征。人造黄金缺乏十分稳定的同位素,有可能导致人造黄金变成人造汞。
总的来说,虽然多项技术正在不断地进行突破,但是部分合成技术难度特别大。即便成功完成人造黄金的制造过程,难免会形成大量的造价。与其购买价格更高的人造黄金,大部分消费者更加倾向于购买升值空间较大的天然黄金。
三、人类为什么无法制造黄金
金是元素周期表中的第79种元素,金原子(金-197)是由79个质子、118个中子和79个电子组成的稳定的原子。而化学反应,只涉及电子的得失,而不涉及原子核的变化,所以不能把其它元素转化成金元素。
人造黄金要靠物理反应,由其它元素的原子核发生聚变或裂变,得到或丢失一定数量的质子和中子。但是,这些人为制造的金同位素并不稳定,容易衰变和转化成铂或汞。
黄金并不是地球自己造出来的,地球本身没这个能力制造黄金。黄金这种元素需要在极高温高压的环境中合成,这样的环境只有中子星能创造。我们现在见到的黄金都是从金矿中提取的,地球上的黄金是有限的。宇宙中的超新星爆炸和中子星相撞可以生产黄金。
四、为什么现在可以人为制造黄金,却没人生产?
大家都知道,我们这个世界通用货币是黄金,其他美元、欧元、人民币只是货币的符号而已。更何况黄金不仅仅是货币,而且黄金作为贵金属,还其他多种功能,为什么人们不合成黄金,而要花费大精力去勘探、开采黄金呢?
金是一种元素,化学符号是Au,原子序数79。目前世界上已经发现的118个元素,其中自然界存在的有94种,这些元素是由原子核中质子数决定的。我们都知道 ,质子数决定元素的种类,最外层电子决定元素的化学性质,而原子的结构则决定物质的种类。比如说,钻石和石墨原子都具有相同质子数,所以它们同属碳元素,但是因为钻石和石墨的原子结构不一样,从而在宏观上面呈现出完全不一样的物质形态。
因此,理论上要造黄金,只要想办法将一个元素的原子质子数变为79个就可以了,看起来是不是很简单的样子?但是做起来可不是一件简单的事情,甚至对于目前人类的技术,是一件极为困难的事情。
黄金是一种惰性的金属,所以化学性质极为稳定,只有在极高温度和极高压力下才可能产生。现在主流观点认为,宇宙中的黄金都是来源于中子星的合并以及超新星爆发过程产生的,只要在这种级别下的温度和压力才能产生金元素,就连恒星的核聚变都只能产生到铁元素。我们太阳目前只能产生氦元素,换句话说,太阳还是初级核聚变。
原子是由原子核和电子构成,其中原子核集中了原子的绝大部分质量,电子在外面外绕着原子核高速运动,就好比我们太阳系的行星围绕太阳转动一样。在宇宙大爆炸后,形成各种元素过程中,先是产生原子核小的元素,比如氢元素,这也是为什么氢是宇宙中最多的元素。后来经过各种核聚变(如恒星发光发热),才慢慢产生各种原子核大的元素,同时也产生各种化合物。在恒星燃烧殆尽演变的超新星爆发、中子星合并等大爆炸过程,产生重原子核元素并被抛射到宇宙各处,从而形成各种固态天体。
那么人工可以创造这种条件用于合成黄金吗?答案是可以的,实际上,已经有人这么做了。他们使用超高速的质子 、中子等“粒子”作为炮弹去轰击原子核 ,让其原子重新形成新的物质。比如说美国,在1941年的时候就就实现这一科技 ,使得人类数千年来的“点石成金”梦想变成了现实 。美国哈佛大学的班布里奇博士及其助手 ,在实验室中利用 “慢中子技术 ”成功地将比金原子序数大1的汞变成了金。1980年 ,美国劳伦斯伯克利研究所的研究人员 ,通过将铋置入高能加速器中,用近乎光速的粒子去轰击铋的原子核,将铋原子核中的4个质子“轰出”原子核,改变原子核结构,从而实现了将83 号元素铋转变成了黄金。 用类似的方法 ,他们把82号元素铅也变成了金。
理论上人类确实掌握了“制造黄金”的技术了,但是先别高兴太早,以上这些只是粒子级别的。而且使用对撞机撞出的质子随机性很大,制成黄金几率很小,一台电子对撞机要制造一克黄金,估计得数百万年以上。不要说世界上有多少对撞机、加速器,就是有,用脚趾头想想也知道在经济上也极为不划算。
网上有一个传言,说日本一个科学家将半径为50厘米,厚12厘米,重1.34吨的水银,经过50e6电子伏的γ-射线照射70天后,再经过六年时间的冷却,得到74公斤的黄金和180公斤的原子序为78的铂。但是这条消息没有经过证实,而且也找不到出处,造谣的可能性太大。
可能有人问,钻石可以人工制造,而黄金为什么不可以?其中一个主要原因就是无论使用高温高压合成法(种晶触媒法)所用石墨或者化学气相沉积法所用甲烷,它们的原材料所需元素都是C(碳),与钻石的元素一样。因此在人工制造钻石过程中并没有改变原子核内质子数,只需要改变原子的结构,相对改变原子核质子数来说,要简单得多。
综上所述,人类为什么不制造黄金,一来是技术难度太高,目前还无法批量生产;二是成本太高。另外,还有一种观点认为是没有必要,黄金可以批量制造了,那还值钱吗?这就是为什么我们现在没有大规模的开始人工制造黄金,而还要满地球的找黄金的原因。
五、人类为什么无法制造黄金?
金是元素周期表中的第79种元素,金原子(金-197)是由79个质子、118个中子和79个电子组成的稳定的原子。而化学反应,只涉及电子的得失,而不涉及原子核的变化,所以不能把其它元素转化成金元素。
人造黄金要靠物理反应,由其它元素的原子核发生聚变或裂变,得到或丢失一定数量的质子和中子。但是,这些人为制造的金同位素并不稳定,容易衰变和转化成铂或汞。
金的价值
时至今日,炼金术的含义已经不仅仅只是创造黄金了,而是泛指一系列古代人进行的化学实验,当时的炼金术师可以说是人类最早的一批化学家,直到十七世纪到十八世纪,化学都没有和炼金术分开,一直是炼金术的一部分。
有传言说,牛顿的晚年一直沉迷于炼金术和神学,有人认为是因为牛顿手里的钱不够用,才钻研炼金术试图制造黄金,其实牛顿并不缺钱,他研究炼金术并不是为了炼制黄金,而是从一个不同的角度去研究物质中隐藏的自然规律。
作为经典力学的奠基人,牛顿在科学领域的贡献不言而喻,但是在当时那个时代,神学和炼金术是被当时的社会阶层普遍接受的,牛顿也不能免俗,限制牛顿的并不是他的见识,而是当时整个时代的观点。