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我们能把铅变成金子吗?能!但是有放射性

时间: 2021年06月01日 | 作者: Admin | 来源: 新浪科技
你有没有梦想过一夜暴富?从铅等廉价的金属中提炼出黄金似乎是一个很诱人的主意,这也是中世纪炼金术士们试图实现的目标。


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中世纪炼金术士所做的很多事情都没有涉及到真正的科学问题


  于是,他们设想了一种“贤者之石”,在西方炼金术中又被称为“万能药”,能赋予食用者永生不老和治愈所有疾病的能力,并带来数不清的财富。“万能药”最令人兴奋的特性之一是,它可以将包括铅在内的任何贱金属,转化为闪闪发光的黄金。这种将一种元素转化为另一种元素的过程被称为“嬗变”。


  不过,“万能药”只是传说中的东西,历史上的炼金术士都从来没有把铅变成金子。他们注定要失败,因为任何常规的化学反应都无法把铅变成金。那么,在现代世界,科学家们能否凭借不断发展的化学知识和先进工具,完成这一化学壮举?


  其实通过某种方法把铅这样的贱金属转变为黄金是可能的,但从中能得到多少黄金却是一个问题。


  什么是元素?


  让我们从最基本的元素概念说起。将铅转化为金意味着将一种元素转变为另一种元素。每一种元素都是由组成原子核的质子数(称为原子序数)和中子数(质子质量+中子质量=质量数)来定义的;对元素的定义而言,电子的数量并不那么重要。


  铅的原子序数是82,即原子核中有82个质子,而金的原子序数是79。要把一种元素变成另一种元素,就必须改变原子核中的质子数。


  在保持质子数不变的同时,如果改变原子核中的中子数,就会产生相同元素的不同“味”,即同位素。铅有4种自然的稳定同位素,以及多种在实验室中产生的其他同位素。在所有稳定元素中,铅具有最高的原子序数,其3个同位素是较重元素的主要核衰变链的终点——所有原子序数高于铅(82)的元素都具有放射性。


  元素的转变


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每一种元素都是由组成原子核的质子数(称为原子序数)和中子数(质子质量+中子质量=质量数)来定义的


  作为亚原子粒子,质子和中子被保持原子核稳定的强大核力束缚着,克服这些力需要巨大的能量。从原子核中移除一个质子或中子就像在灵魂不纯洁的情况下尝试举起雷神之锤,向原子中添加一个亚原子粒子则像试图迫使同一极的磁铁接触。而且,增加或减少亚原子粒子的过程都会释放出过量的能量。


  如果我们确实成功地改变了原子核的组成呢?答案是,这会扰乱元素内部力量的平衡,从而给元素带来“身份危机”。该元素会开始释放亚原子粒子,以达到更稳定的状态,这与放射性衰变的过程类似。


  通过辐射来嬗变


  具有较大原子核的原子无法很好地控制自身大小,这使得它们很不稳定,会通过释放质子和中子(α衰变)、电子(β衰变)和电磁辐射(γ衰变,即释放伽马射线)来减轻额外的重量。


  元素周期表中在铋(原子序数83)之后的大多数元素都是放射性元素。不过,放射性衰变并不是生产黄金的好方法。首先,放射性元素需要数月(有的需要数年甚至数千年)才能衰变为更普通的元素,如镭-226的半衰期为1600年。其次,放射性衰变释放的辐射会导致癌症和甲状腺问题等疾病。


  第三,铀、钍和镭在衰变结束后最终都变成了铅。铅是稳定元素,不会进一步衰变。这一点很可惜,因为金只比铅少3个质子。


  亚原子粒子轰击


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用人工方法转变而来的黄金往往具有放射性


  排除了放射性衰变,还有什么方法可以把铅变成金?科学家已经有了好几个选择。


  事实上,用铅来制造黄金并不是一个好策略,因为铅比金多3个质子。更好的选择是使用汞(比金多1个质子)或铂(比金少1个质子)


  将贱金属转化为黄金的最早实验始于1924年。日本研究者(Nagoaka)和德国研究者(Miethe和Stammreich)各自独立进行了实验,将汞置于高电流中,使其转变为黄金。然而,后来进行此类实验的研究人员得到了负面的结果,使这些发现陷入争议。因此,用电来点汞成金可能并不现实。


  另一种选择是用质子和中子等亚原子粒子轰击汞或铂。1941年,研究人员用快中子轰击汞,使这种金属转变为金和铂。1936年,研究人员用氘核(具有一个质子和一个中子的原子核)轰击铂,使其产生放射性铂同位素并衰变为金。


  如果你有大量可用的铅,那或许也能用质子轰击的方法获得黄金。在1996年的一项实验中,研究人员用600MeV的质子轰击铅之后获得了金。


  你能获取多少金子?


  如果你开始幻想通过这种方法来制造黄金致富,那还是早点放弃吧。首先,通过质子轰击方法得到的黄金大部分都具有放射性,意味着它可能会衰变。不幸的是,目前还没有任何化学方法能将放射性金转化为普通金。


  其次,所有这些实验所获得的金质量都少于1毫克,价值几乎可以忽略不计。一份实验记录中写道,Miethe和Stammreich获得的黄金只值1美元,却花费了他们6万美元!因此,即便你从这些实验中得到了一些有价值的金子,你也已经债台高筑了。


  对进行这些实验的研究人员来说,他们更感兴趣的是原子及其亚原子粒子的行为,而不是获取黄金致富。事实上,他们更有可能通过这些实验发现一些真正有用的东西,比如某种极为丰富且可持续的能源。


  科学家已经利用嬗变技术创造了一些新元素。钷、锝等元素以及镧系和锕系中的许多元素都是人造的。2020年,有研究称通过用铋原子轰击锌原子的方法,创造出了一种原子序数为113的新元素。一名参与该项目的研究人员表示,在进行了40多亿次轰击之后,他们才三次制造出了这种元素。(任天)