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举个栗子:为什么地球上的金子比银子少?

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举个栗子:为什么地球上的金子比银子少?

“金银天然不是货币,但货币天然是金银”,从古至今,金银几乎贯穿了我们人类发展历史,有着举足轻重的作用。研究者认为,作为重金属的金和银是在最极端的恒星环境形成的,因形成的机制不同,金子的数量明显少于银子。

宇宙中的各种元素是如何形成的?为什么地球上金子的数量少于银子?现代技术如此发达,我们是否可以做到“点石成金”?我们请美国明尼苏达大学物理与天文系的钱永忠教授为我们解读。

要了解金银的形成机制,就必须了解一些背景知识。大家在中学化学课上都接触过元素周期表,里面列出了已经被发现的100多种元素,与这些元素对应的 原子是构成宇宙中普通物质的基本单位。而原子则是由带正电的原子核与核外带负电的电子组成。原子核几乎包括了原子的全部质量,它由质量大约相等的质子和中 子组成。质子带正电,中子不带电。原子核含的质子数就是相应元素在周期表中的序号,因此,质子数相同但中子数不同的原子核对应于同一种元素。有数千种原子 核对应于周期表中的100多种元素,这些原子核中的绝大多数是放射性的,通过各种衰变最后会变成稳定核。宇宙中只有270多种稳定核,对应于81种元素。

宇宙中各种元素的相对数目也就取决于具体合成方式的难易程度和相应环境的普遍性。现代物理和 天文学理论认为,我们的宇宙在近140亿年前的大爆炸中诞生,经历一个极高温状态后开始不断膨胀冷却,并在这个过程的最初几分钟内制造了最轻的三种元素: 氢、氦和锂。因此,以质量记,早期宇宙中的所有气体都含有约75%的氢,约25%的氦和极少量的锂,这决定了合成其他元素的初始条件。

包含原始氢和氦的气体受万有引力的作用汇聚起来形成大大小小的恒星,而恒星发光靠的就是把氢和氦合成为更重的元素。这种获取能量的方式类似通过燃烧木柴 取得热量,只是效率要高出数百万倍。质量为太阳8倍以下的小到中等恒星只能把氢烧成氦和把氦烧成碳跟氧,而比太阳重8倍以上的大恒星还能把这种燃烧过程继 续下去,最终可以合成铁。正如木材烧成的灰不能再用来生火,铁是恒星内部进行的燃烧的最后产物。

比如铁的质子数是26,有很多金属如金银都比它的质子数多,比它重,那铁之后的金属是怎么形成的呢?

铁以后的元素主要靠俘获中子来合成。但是游离于原子核外的自由中子是不稳定的,平均寿命约为15分钟。因此,要俘获中子就得在可以提供中子的星 体环境中“现赚现吃”,这是合成金银等元素需要极端星体环境的原因。现在我们知道有的环境可以合成总质量差不多的金和银,还有的环境只能合成银而不能合成 金。然而天文观测表明,前一种环境更为普遍。所以,宇宙中的金和银应该有差不多的总质量。美国国家地理网站的那篇报道有几处与现有的理论和数据不符,这是其中之一。

在地球形成过程的初期,有很多月亮大小的雏形行星体撞到一起,产生的大量热量使得这时的地球处于熔化 状态,密度较高的含铁物质就沉到地心;因为金原子和铁原子非常亲和,绝大部分金就随着铁到了地心;银原子不跟铁原子亲和,所以留在地壳里的银要比金多出很 多。

如果我们考虑整个地球上的金和银,它们的总质量就差不多。这个结论可以用太阳系以及其他恒星的观测数据来佐证。首先,太阳系里的行星和卫星形成后, 还有很多陨石留下。如果陨石不是由熔化过的物质形成的,它含的金属就保留了形成太阳系的原始材料的成分。通过对掉到地球上的这种陨石的分析,得到的结果是 有10克银子就会有7克金子。其次,由于太阳的温度极高,它含的所有元素都处于气体状态,因此金和银在太阳里不存在分布不均的问题。太阳发出的光通过它的 表层时,有一部分会被那里的元素吸收;因为不同的元素吸收不同频率的光,通过观测太阳的光谱,我们就能得到太阳里各种元素的含量。这种观测得出的金银相对 含量与陨石分析的结果一样。最后,太阳光谱分析也可以推广到其他恒星。就我所知,天文学家已经在另外4颗银河系的恒星中测到了金和银,而且这4颗星中金和银都有差不多的总质量。

(答案整理自科学网)


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