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1 # 量子科學論
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2 # 宇瑤雜談
隨著科學的發展,目前人類已經認識到各種元素都由質子、中子、核外電子組成,因其原子核中含有的質子數量不同而體現出不同的元素。
相同“基本粒子”能夠組成最輕的元素“氫”,也能組成可以進行核裂變反應的“鈾”,當然,也能組成“金”。
現在,透過核物理變化,我們已經可以在實驗室完成元素間的轉化,這其中就包括金元素。
元素的發現史關於物質本質的認知,人類經過數千年的探索,才有了現代的微觀粒子體系,在這一過程中,無數的科學家們貢獻了自己智慧。
四元素學說
公元前六世紀的希臘,在當時的艾奧尼亞地區一部分流放者產生了一種思潮,“世間萬物是由為數不多的簡單物質構成的”。當然,這在當時還只是一種哲學思想,沒有進行任何科學驗證。
學術界公認的第一個提出了物質本質構成的人是泰勒斯,當時他提出了構成宇宙的基本要素是“水”,萬事萬物都是由“水”組成,只是形態不一樣。液態的水可以變成“氣”,“氣”在重新凝固後再次變成液態水,液態的水在落到陸地上,在壓力下,被壓縮成岩石。
這一思想在當時以神學為主要思潮的希臘地區,是一個非常了不起的進步,當然這個觀點也引起了不少的爭論。
正是這種爭論,誕生了古希臘時期的“四元素學說”,即世間萬物是由水、氣、火、土四種元素組成。
在古希臘哲學家恩培多克勒所著的《四元素學說》中指出:這四種基本元素,或單獨或相互結合,組成了世界的各種物質。
恩培多克勒的理論中提到,物質由基本元素構成,它們的總數量不會減少,這一點和現代化學非常相似。
燃素說
隨著時間的推移,到了中世紀時期,歐洲大陸都被籠罩在教會的愚昧統治之下,歐洲大陸的科學發展幾乎陷入停滯。但是在這一時期的中東,阿拉伯的鍊金術士們開始從鍊金術中思考世界的本質。
阿拉伯化學家哈比爾伊本·赫揚所記錄的實驗記錄中體現了他的一個觀點:所有金屬元素,都由貢和硫組合而成,只不過配比不一樣。
到了公元15世紀,瑞士醫學家帕拉切爾蘇斯發展了這一觀點,將燃燒物質作為探究物質組成的方法。
他融合了古希臘人和阿拉伯人的觀點,認為樹枝燃燒時分解出的四種物質,分別為煙(氣)、火焰(火)、從斷裂處噴出的液體(水)以及燃燒後留下的(土)。上升的煙霧為貢,火焰代表硫磺、灰燼則是鹽。
現代化學的誕生
到了1789年,法國化學家、現代化學的奠基人安東尼·拉瓦錫發表了《化學元素》論文。將元素進行了歸納,它們分別歸為氣體、金屬、非金屬以及土元素四類。
這在當時是非常準確的分類,不過透過下面的圖可以看出來,裡面有“光”、“熱”等非元素物質。
後來,英國化學家約翰·道爾頓拓展了安東尼·拉瓦錫的理論,他認為,元素還可以由不可分割的更小微粒組成,並稱這些顆粒為原子。當這些原子按照一定比例組合時,就能產生出不同的化合物。這已經相當接近物質組成的本質了,但是限於當時的條件,理論也只能到這一步為止。
元素週期表
到了19世紀,化學家們開始嘗試給元素分類,1829年,德國化學家德貝萊那提出了“三素組學說”。
1865年,英國化學家紐蘭茲受到“三素組學說”的影響,想到了把元素按原子量大小的順序進行排列。
在排列過程中,他發現無論從哪一個元素算起,每到第八個元素就和第一個元素的性質相近,並據此畫出了元素關係的“八音律”表。
因為當時的原子測量有誤差,所以這份“元素表”並不太準確,不過這是第一次發現元素具備“週期性”。
1867年,彼得堡大學的化學教授德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫想著作一本基礎化學教科書,在著作過程中他遇到了難題,就是如何來排列已知的63個元素,為此,他製造了當時已知的所有元素的卡片,嘗試進行排列。
時間來到1869年的3月1日,這是應該被歷史記住的一天,門捷列夫在將元素按照原子量遞增的方式排列並將稀土元素排除後,發現所有的元素都被按照順序排列了起來,並且元素性質呈現了明顯的週期性。這就是第一張“元素週期表”,它是豎排的。
1871年,門捷列夫改進了自己的元素週期表,把豎排改成了橫排,這就是沿用至今的“元素週期表”的雛形。
這其中有一件非常可惜的事情,因為種種原因,門捷列夫並沒有獲得諾貝爾獎。
原子的研究1803年,道爾頓發表了他有關原子論的論文,論文中提到了近代原子理論的概念。
1900年,德國著名物理學家馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克提出能量子概念和常數h(後稱為普朗克常數),這成為了後來微觀物理學中最基本的概念和最為重要的普適常量。
普朗克在能量子的概念中指出,電磁波的不是連續的,而是以一種最小的能量單位ε=hν為基礎變化,一份能量ε就叫作能量子,h=6.62559*10^-34Js,即普朗克常數
在他逝世後,他的墓誌銘就是一行字:h=6.63×10^-34J·S,這是對他一身成就的最高肯定!
1911年,英國物理學家歐內斯特·盧瑟福發表了他的原子行星模型,在該模型中,原子的重量集中在原子中間,叫原子核。
盧瑟福的行星原子模型(上圖)
盧瑟福還是第一個在實驗室成功引起核反應的人,當然這個不是我們常說的核爆炸,而是單個原子的核物理變化。
另外,他還是一名傑出的導師,在他的助手和學生中,共有8名獲得了諾貝爾獎,這一成就至到現在仍然無人能及!
1905年~1915年,在這個對於現代物理學非常重要的時期裡,現代物理學的奠基人阿爾伯特·愛因斯坦先後提出了狹義相對論和廣義相對論。
相對論中首次提出了質能等階的概念,質量可以轉化為能量,也就是著名的質能方程式E=mc^2。使得人們對於物質的本質有了更深的理解。
愛因斯坦也因為這兩個理論一舉奠定了自己在物理界的地位,開創了現代物理學。
1918年,同樣是歐內斯特·盧瑟福,在一次α粒子轟擊氮氣的實驗中,檢測到了氫核。
基於這次實驗,盧瑟福提出了“質子”的概念,後來,他又預言了中子的存在,第一次向世人揭示了原子核裡面的秘密。
元素工廠—恆星根據元素都是由比原子更小的基本粒子組成的這一理論,元素之間是可以互相轉化的。
宇宙大爆炸後,星際物質在自身引力的作用下,經過漫長時間的匯聚形成了巨大的塵埃雲,在塵埃雲的中心,大量的物質被聚集起來,這其中絕大部分是氫元素。
星雲中心的氫元素受到巨大的擠壓,核心溫度開始不斷升高,當溫度達到1000萬度時,氫原子在高溫高壓下,因為量子遂穿效應被“點燃”,恆星核反應開始了,氫原子被聚變成氦原子,恆星開始“燃燒”!
根據恆星質量的大小,恆星工場從氫元素開始,開始按照元素週期表逐步生成其他元素,至到第26號元素—鐵為止。
因為鐵元素的比結合能最高,從鐵元素開始,核聚變反應從釋放能量變成吸收能量,恆星的核反應無法繼續下去,物質在其自身巨大的壓力下開始坍縮,最終——超新星爆發!
根據恆星的質量,“燃燒”完的恆星最終會變成白矮星、中子星或者黑洞。
宇宙中金元素的產生
因為恆星的核反應只能生成到第26號元素—鐵,在鐵元素之後的元素,都來自於恆星生命的終末—超新星爆發。
超新星爆發的巨大能量釋放,使鐵元素之後的元素能夠獲得足夠的聚變能量,從而生成了比鐵的原子序號更高的元素,這裡面就包括金。
另外,如果有多箇中子星或者黑洞的發生碰撞融合,在這一過程中也會釋放出巨大的能量,也能生成金元素。
人類能製造出金元素嗎?
答案是可以,並且已經成功。
人類目前掌握的核反應技術還不足以製造金元素,但是除了核反應之外,大型粒子對撞機也能完成這個“元素轉變”。
使用高速粒子炮彈轟擊比金原子序號高的原子,就有可能擊破其原子核,最終生成金原子。
1980年,美國勞倫斯伯克利研究所使用高速粒子轟擊鉍原子,4個質子破核而出,然後這個鉍就搖身一變成了金,不過這種方式目前還停留在實驗室階段,並且使用這種方式製造的黃金成本巨大。
物質都由基本粒子組成,目前我們已經能夠深入到比質子更小的範圍去探查物質的本質,希望隨著研究的繼續升入,我們最終能破解出宇宙真正的奧秘! -
3 # 真理再現人間
傳統道家佛家包括基督教,都有點金術,就是修練者,用功能改變分子結構變成黃金的結構。今天科學教辦不到。牛頓本人就大量研究神學,包括點金術。
回覆列表
黃金可以從其他元素中創造出來。但是這個過程需要核反應,而且成本太高,我們現在無法通過出售從其他元素創造出來的黃金來賺錢。下面就說下用其他元素造金的過程?
質子數決定原子化學性質在地球上我們能看到的所有物質都是由原子構成的。所有的原子都是由一個包含質子和中子結合在一起的小原子核和與原子核結合的一大團電子組成的。由於原子的大部分物理和化學性質是由其電子的數目和排列決定的,但由於其電子的數目和排列是由原子核中的質子數決定的,因此原子的性質在很大程度上取決於原子核中質子的數目。所有原子核中質子數相同的原子的行為幾乎相同。因此,我們稱一組具有相同數量質子的原子為“化學元素”,並將各種性質與特定元素聯絡起來。
如何製造黃金金是每個原子核中含有79個質子的化學元素。每個含有79個質子的原子都是一個金原子,所有的金原子在化學性質上都是一樣的。原則上,我們可以透過簡單地組裝79個質子以及足夠的中子使原子核保持穩定來製造出黃金。或者更方便的是,我們可以從汞(含80)中除去一個質子,或者在鉑中新增一個質子(其中有78)來製造黃金。
這一過程原則上很簡單,但在實踐中卻很難做到。從原子核中增加或除去質子是核反應的型別。因此,任何一系列的化學反應都不可能產生黃金。化學反應改變了原子中電子的數目和排列,但原子的原子核保持不變。因此,古代鍊金術士夢想透過簡單的化學反應來創造黃金是不可能實現的。我們必須用核反應來製造黃金。困難在於核反應需要大量的能量。
穩定原子的原子核非常緊密地結合在一起,所以很難將任何粒子永久地從原子核剝離或新增進去。為了引發核反應,我們必須向原子核發射高能粒子。我們可以透過放射性衰變,反應堆中的核反應,慢粒子加速,或者這些技術的混合中得到這樣的高能粒子。例如,Sherr,Bainbridge和Anderson1941年向汞元素髮射中子創造出黃金。這些中子是由哈佛迴旋加速器啟動的一系列核反應產生的高能粒子。
通常,黃金是由鉑(比黃金少一個質子)或汞(比黃金多一個質子)產生的。用中子轟擊鉑或汞原子核可以擊出中子或增加中子,透過天然放射性衰變產生黃金。從這一生產過程中可以明顯看出,從其他元素中產生的大部分黃金具有放射性。放射性黃金對人類是有危害的,不能在商業上出售。此外,當放射性黃金在幾天後經歷放射性衰變時,它就不再是黃金了。因此,為了製造非放射性黃金,我們必須:
建造一個核反應堆作為中子的來源。把汞放在反應堆裡。經過大量的工作,只能創造出一小部分黃金。淨化產生的黃金。這個聽起來同意做起來難,因為我們不能用純化學的方法分離出非放射性金和放射性金。從這一過程中可以明顯看出,目前製造非放射性黃金的成本比黃金的價格要高得多。用其他元素製造黃金目前是一項昂貴的實驗室試驗,並不是一項可行的商業活動。也許技術在未來會有足夠的進步,從而使在核反應堆中創造黃金成為一項有利可圖的商業行為。