“炼金术”的终极追求——点石成金

出品：科普中国

作者：五月（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）

监制：中国科普博览

金（Au），作为重金属元素中知名的一员，是生活中常见且广受欢迎的一种贵金属，具有稳定性强、延展性好、催化性能高等优点，在首饰、货币、医疗、催化和众多工业领域都有广泛的应用。

在中国，早早就有“点石成金”这个成语，而在西方，提到点石成金，我们也很容易想到中世纪的炼金士们：他们致力于将普通金属转变为贵金属，如黄金，以满足创造财富的欲望。不止西方的炼金士们追求人造黄金，中国历史上也早有人进行相关尝试，但均未成功。

站在现代化学的角度，我们知道古代炼金士们的道路是行不通的。但如果我们站在现代科学的角度，纵观“金”的一生，能否实现点石成金这一梦想呢？

从氢到铁的成长史

在早期宇宙中，各处的物质密度都非常高，它就像一碗由各种粒子混合组成的浓汤，并没有原子核的存在。在宇宙大爆炸之后，一些粒子粘在一起并捕获电子创造出原子核，但最初几乎只有氢、氦这种很轻的原子核。在引力的作用下，这些轻核聚集成团，其核心温度和密度不断升高，最终达到了核聚变所需要的高温高压，氢、氦原子开始发生核聚变——恒星诞生了。

宇宙的演化

（图片来源：veer图库）

对于像太阳这样的恒星而言，首先进行氢原子核的聚变反应，生成氦原子核，其释放出来的能量又促使氦原子核继续发生核聚变，生成了碳原子核、氧原子核，释放的能量继续促使碳、氧原子核发生聚变形成更重的元素……因此，很多人又将太阳这样的恒星称为“元素的炼丹炉”。如此来说，恒星内部核聚变持续进行的话，元素会变得越来越重，最后岂不是会形成富饶的金矿？

其实不然。在恒星质量足够大的情况下，其内部的核反应可以一直持续到生成铁原子核，但铁的比结合能最高，要往铁原子核里面“挤”入核子就会变得很困难，需要消耗大量的能量。恒星内部发生铁聚变时，会消耗大量的能量，相当于在恒星内部加上了“灭火器”，会造成恒星坍缩。那比铁更重的元素（超铁元素）是如何形成的呢？

各种元素的比结合能，其中铁的最高

（图片来源：Wikipedia）

点石成金的炮弹

先前的核聚变是将两个较轻的原子核聚合到一块，形成更重的原子核。科学家们根据太阳系原子核丰度的观测结果和原子核的壳模型推出，超铁元素的形成是由于“中子俘获”过程——在元素聚变到铁元素之后，更重的元素是由于直接向铁原子核中塞入中子形成的。

如果只是中子数增多的话，并没有改变原子的种类，只是产生了更重的同位素罢了，但有一些同位素并不稳定，通常会存在着β衰变，也就是其中的中子有一定的概率通过释放一个电子，从而衰变成质子，如此原子核就会多了一个质子变成更重的元素。

恒星中通过慢中子俘获过程把铁变成金的过程

（图片来源：中国科学院近代物理所）

发生在恒星内部的中子俘获非常微弱，效率很低，也被称为“慢中子俘获”（Slow-过程）。那有没有办法给它加加速实现大规模量产更重的元素呢？

要想实现“快中子俘获”（Rapid-过程），就需要中子通量的密度足够高，有足够多的中子、足够大的能量促使中子俘获过程的快速发生，什么样的环境能够满足这些条件呢？

科学家发现超新星爆发能够促使中子俘获快速发生。恒星内部发生铁聚变时会吸收能量，引发核爆炸，这就是超新星爆发。超新星爆发能够照亮一个星系，同时还会产生原子序数比铁原子大的元素。在这场能够照亮星系的“烟花秀”中，大量的中子以极其高能的形式被释放出来，在这些高能中子的撞击和β衰变的作用下，先前的原子核不断“升级”，于是形成了大量的重金属元素。但这些重金属元素大部分都集中在恒星的核心部分，为我们所用的并不多。

1994年，科学家拍摄到的超新星爆发（SN 1994D，左下角的明亮白点） （图片来源：Wikipedia）

除此之外，还有一种方式能够产生比铁元素原子序数更大的元素，那就是中子星合并。经历超新星爆发的大质量恒星根据内核质量的不同有两种归宿，一种是形成黑洞，一种是变成密度极大的中子星。如果宇宙中的两颗中子星相遇，它们会在引力的作用下相互靠近，并最终合并到一起。在合并的过程中，会产生强烈的引力波，也会产生金、银等原子序数较大的元素。但这种核反应是复杂多样的，因此想在宇宙中找到一颗纯金的天体，只能是遥不可及的梦。

太阳系中同位素丰度分布和相应的核合成过程

（图片来源：参考文献2）

来自星空的礼物

在超新星爆发和中子星合并过程中所产生的物质会被抛洒在宇宙中，与已存在的星际气体、尘埃云等混合，在引力的作用下形成新的星体。也就是说，在上一代恒星的“坟墓”之中，孕育出了下一代的星体，包括恒星、行星等。这些恒星、行星及其他天体会在引力的作用下不断长大并趋于平衡，形成新的星系，这里面就包含我们的太阳系。

因此，现在地球上存在的黄金，一部分是早期微型地球的组成物：早期地球物质处于熔融状态，黄金的密度较大，会不断下降沉入地核，而地质活动会以火山喷发的形式将一部分黄金从地核运到地表；另一部分则是来自天外的礼物：在地球凝固稳定之后，地球的引力会“捕获”路过的陨石，其上有着丰富的金、钨、铅等重金属，它们来到地球之后会在地质活动的作用下下沉、富集，等待被人们发现的那一天。

人造黄金，道阻且艰

在认识了金元素的“前世今生”之后，“点石成金”的理论基础就已经存在了。各种元素的差别在于它们的原子中质子、中子和电子数目的不同，特别是质子的数目。如果我们能够人为的改变原子核中质子的数目，就可以把一种元素转变为另一种元素，用“廉价”的元素制造“贵重”的元素。大自然为我们提供的办法有两种，代表着核聚变的加法以及代表着核裂变的减法。

现在元素周期表中的118种元素，其中92种是在自然界发现的，26种是通过核聚变的方式，由较轻的元素聚变得到的人造元素。人造元素的产生就是做加法，但要实现这种变化需要极端的高温和高压，一般需要上亿度的高温或者几千亿个大气压的压力。而要做减法，就是想办法将比金原子核更重的原子核，如汞中的质子祛除。

人类对“点石成金”的梦想，直到1941年，才终于梦想成真——美国哈佛大学的班布里奇博士用中子轰击古代炼金士们炼金常用的汞原子（水银），将其原子核中的一个质子轰击出来，同时有一些中子被新原子核俘获，成功地将比金原子序数大1的汞变成了金。到了1980年，美国劳伦斯伯克利研究所利用高能加速器，用接近光速的粒子轰击铋原子核（原子系数为83）使4个质子破核而出，剩下了79个质子，使其变成了金原子了——但这个过程创造的金元素极为稀少，能量消耗却极为巨大，据估算，用这种方法生产的黄金其成本超过每盎司一万亿美元，但当时开采出来的一盎司黄金仅需560美元。

铋金属，它会在自然情况下形成美妙的晶体，我们在许多科学实验套装中就能买到

（图片来源：Wikipedia）

在人造黄金过程中所消耗的人力物力财力，远远超过了得到的黄金本身的价值，从经济的角度来看无疑是失败的。但这些实验的目的，并不是为了得到货币黄金，而是在创造黄金的过程中提升人类对超铁元素的认知，这具有非常重大的意义。

点石成金的实验虽然已经成功，但对超铁元素起源的研究仍前路漫漫，这些研究也将极大推动核物理、天体物理和天体演化等学科的发展，为现代科学的大厦添砖加瓦。

参考文献：

[1]李潮,谢忠菲,杨树斌.从“0”开始的繁荣——金元素[J].广东化工,2020,47(09):93-94.

[2]唐晓东,李阔昂.宇宙中元素的起源[J].物理,2019,48(10):633-639.