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一篇文章学会点石成金?从古代炼金术到现代核物理学

蝌蚪五线谱  · 公众号  ·  · 2024-12-11 17:26

正文

吴小锋|中国科学院大学

培养单位:中国科学院物理研究所

审核:刘笑然(特聘研究员)|中国科学院物理研究所

前几天,当小编睁开朦胧的双眼时,

看到一则新闻顿时不困了:


光泽华丽的黄金


一共整整一千吨黄金!有了这么多黄金,我可以想买什么买什么,想去哪玩就去哪玩 (做白日梦流口水中)


真是激动人心啊,不过现在还剩下最后一个小问题了: 我们怎么才能整到这么多黄金呢? 当然,获取黄金得 合法合规 。那么有没有一种办法能让我们合法(当然不一定合理)地获得黄金呢?



梦开始的地方

点石成金


凭空获得黄金,那岂不就是“ 点石成金 ”?随便用手一摸或者略微施展法术,就能将任何物体变成黄金。当然,点石成金 只存在于传说之中 ,现实生活中可没有这么神奇的魔法。不过,点石成金这一美好愿望,表达了古代人民一生当中和长生不老相齐的追求:无穷无尽的财富。


希腊神话中的弗里吉亚国王,他的双手能够将一切接触到的东西变成黄金。



那么,我们是否能够借助 科学的“力量” 去实现点石成金?


初窥门径

古代炼金术


你还别说,历史上真有一门学科来专门研究怎么把金属变成黄金,叫“ 炼金术 (Alchemy) 。在赫尔墨斯主义学派中,它和 “占星术”(Astrology) “神通术”(Theurgy) 并列“全宇宙三大智慧”之一。


不要对“炼金术”这个名字嗤之以鼻


炼金术,于其说是科学,它更像是某种事实经验与唯心玄学交融的 自然哲学 。一些炼金术学派认为存在一种所谓的“ 哲人石 ”,他们相信只要获得了这种神奇的石头,就能够实现把铁铜之类的廉价金属到金或银的贵金属的转变。而这一物质转化过程,就被称为“ 嬗变 (transmutation)


而为了能够合成传说中的哲人石,人们将各种物质物质按照不同的比例混合,有时进行加热或者搅拌,然后观察并记录会发生什么。看到这里有人可能会问:这不难道就是化学吗?没错! 现代化学 的雏形就是炼金术!


既然提到炼金术,那就不得不提到


帕拉塞尔苏斯认为, 这三种物质并称为“炼金术神圣三元素”。人们发现,汞和铁铜这类在常温下呈现固态的金属不同,它在常温下居然能够神奇地呈现 液态 ,如同具有某种魔力一般。人们还发现,如果将汞与其它金属混合,能够发生 汞齐化反应 形成合金,而利用汞的低沸点的特性,将合金中的汞蒸发就能够实现 金属的获取 。当然,这一过程常常会不经意间将反应物中本来就混有的金给提取出来,当时的人们根本不知道背后的原理是什么,就 误以为用汞炼出了金子 。此外,汞还是被认为具有治愈梅毒、黑死病等各种疑难杂症的神奇疗效,甚至能够延年益寿实现永生。因此在炼金术中,汞是一种常被用到的原料。


常温下的液态重金属——汞,俗称水银


许多历史著名人物,都曾用过汞进行炼金。在中国,炼金术也叫炼丹术,而秦始皇为了永生,曾经服用了炼金术士用 朱砂 (硫化汞,剧毒!)炼制成的“仙丹”,最后因急性汞中毒身亡。已经晚年退休的牛顿也曾痴迷于炼金术,他甚至亲自口服过汞。后来人们发现,由于长期进行各种汞挥发的炼金术实验,牛顿的头发丝里面竟然含有超标的汞!原来牛顿晚年的精神失常,就是汞中毒导致的!


笔者去英国时路过的威斯敏斯特教堂,据说牛顿长眠于此


在探索点石成金的道路上,无数人付出了巨大的代价。不过随着科学技术的不断进步和人们思想的启蒙,炼金术逐渐受到了越来越多的质疑和挑战。


牛顿在剑桥的导师兼同事,波义耳曾于1661年发表了划时代的《 怀疑派化学家 》,在这部书中他 对元素论进行了科学的重新定义 ,认为那些用化学方法无法再分解的物质才是元素,这一观点为人类科学认识物质的化学过程提供了方向。


而后1789年,拉瓦锡基于 氧化说 质量守恒定律 ,发表了世界上第一部真正意义上的化学教科书《 化学基本论述 》。他在这部书中分类并提出了 三十三种元素 ,强调了 实验定量分析的重要性 ,并提出了 新的理论体系 成功解释了众多无法解释的化学现象,从根本上否定了当时广泛传播的“燃素论”。这一部书的出现彻底终结了化学和炼金术的联系, 化学从此成为了一门独立的以科学实验和定量分析为基础的科学 。由于对化学的卓越贡献,拉瓦锡被后世尊称为“现代化学之父”。


化学教科书上的拉瓦锡,正在聚精会神地观察实验仪器......大概吧


随后,化学基本元素进一步被修正和确定。1869年,门捷列夫和迈耶尔提出 元素周期表 [1] ,揭示了 元素的性质随元素序号呈现周期性变化的规律


元素周期表,金位于第六周期IIB族第79号


现代化学的建立,标志着炼金术的历史舞台降下帷幕。


但通过炼金术的研究,人们能够认识 各种化学反应和相变的过程 ,发明并制造了包括玻 璃蒸馏器在内的各种化学装置 ,发展了 化学蒸馏、结晶和升华等实验操作 ,并发现了 酒精,火药等等材料 。炼金术为现代化学的建立积累了大量宝贵的知识和经验财富。


之后长期一段时间内, 元素守恒律 一直是个无人动摇的真理,因为 通过化学是不可能实现元素转变的 。难道说,我们真的就没有办法实现点石成金了吗?


渐入佳境

原子物理学


直到19世纪末,事情开始迎来转机。


1896年,一名法国的 综合工艺学院的教授出于好奇将用 黑布包裹了几天 的铀盐靠近相片,相片上居然出现了感光,他意识到似乎铀盐会自发散发某种 神秘射线 。不仅如此,这种射线还能使气体电离,而将铀盐进行 变温和电激发都对这种射线没有任何影响 [2]。


具有放射性的铀矿


当然后来我们知道,这是由于铀原子会自发衰变并产生核辐射导致的。这种性质称为 天然放射性 ,而它的发现者就是和 居里夫人获得诺贝尔物理学奖的贝可勒尔。这是 人类首次观测到元素核反应的证据 ,它标志着核物理学的开端。


而后数十年,人们陆陆续续观测到了各种自然界的核反应。1898年,居里夫妇尝试提取废矿中的放射性元素,最终经过几万次的提炼得到了纯的 元素镭 [3] 。1901年,索迪和卢瑟福两人发现放射性的钍可以自发转变为镭[4]。索迪曾惊讶地喊道:“卢瑟福,这是 嬗变 !”而卢瑟福则打趣地回答:“索迪,看在上帝的份上,别叫它 嬗变 。他们会把我们当作炼金术士砍头的!”


终于,从一种元素到另一种元素的转变,两百年的 元素守恒律 被打破了!


既然在炼金术中原子只是发生了破裂和重组,整个过程是元素守恒的,那么利用 核反应 这种元素不守恒的过程,是否能够实现其它元素向金的转变?







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