前不久，有一则翻译过来的新闻谈到天文学家的新发现解释了“为什么金子比银子少”（例如，见http://tech.sina.com.cn/geo/space/news/2012-09-11/07291314.shtml），辽宁日报的记者张晓丽女士建议我写篇科普文章加以介绍。由于并非自己的研究领域，对其了解不够深入，我向她推荐了美国明尼苏达大学的钱永忠教授。钱教授是国际上超新星核合成研究方面的著名专家，下文是近日发表的一篇采访他的文章，很好地论述这一问题。看了此文后我感到，幸亏自己没有写，否则因为对这方面研究的整体情况不够了解，写出来也可能有错误。这也提醒我们，做科普还是要谨慎的，对自己不太了解的东西，还是不要瞎科普。

为什么在地球上金子比银子“少”

http://roll.sohu.com/20121012/n354695377.shtml

“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。近期，美国国家地理网站的一篇报道引发了我们对于 “地球银多金少之谜”的一些热议。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。

 

统观整个宇宙金与银数量差不多

 

　　辽宁日报：据美国国家地理网站最近的报道，那些稀有的重金属，如金和银，都需要最极端的恒星环境才能形成，因为形成的机制不同，金子的数量明显少于银子，您是否同意这样的观点？

 

钱永忠：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。

 

　　辽宁日报：原来100多种元素之所以不同，原因在于原子核内质子和中子的数量啊。

 

　 　钱永忠：没错，制造各种各样的原子核就可以合成不同的元素，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。

 

辽宁日报：根据元素周期表，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？

 

　 　钱永忠：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。

 

具体到地球金入地心，银浮地表

 

　　辽宁日报：我们直观上觉得金比银少很多，这是为什么？

 

　 　钱永忠：这是因为金和银在地球上的不同分布造成的。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。

 

　　辽宁日报：金子都沉入地心了，我们应该怎么去对比地球上金银的数量？

 

钱永忠：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。

 

　 　需要说明的是，太阳以及类似的恒星不能提供高效合成金和银的环境，它们所含的金银都是继承的遗产。高效合成金和银的环境主要是八个太阳质量以上的大恒 星，它们的寿命只有几百万到几千万年，最终爆炸形成超新星。在爆炸后的几个月内，一颗超新星的亮度可以超过银河系中其他所有恒星的总和，中国古代天文观测 者把这种突然出现的星体称为“客星”。超新星中合成的金和银在爆炸中被抛到星际空间，成为形成下一代恒星的原材料，太阳和太阳系别的天体里的金银就是这么 得来的。

 

　　辽宁日报：太阳这样级别的恒星无法提供合成金银的环境，可以推想也会有只能造银而不能造金的超新星，对吗？

钱 永忠：现在的理论认为，有的超新星能造总质量差不多的金和银，这些超新星可以解释上面的观测事实，但还有少数超新星只能造银而不能造金。这是因为在银河系 的几颗恒星中测到了银而没测到金，而且这些恒星中与金接近的那些元素也非常少。美国国家地理网站的那篇报道泛泛地说银比金多出很多，主要的观测依据就是这 些。但是那篇报道提及的最新观测文献里还有更多的其他数据：在几十颗已经测到银的恒星中，虽然还没有测到金，可是这些恒星中与金接近的那些元素很丰富。因 此，根据现有的观测数据，没有理由认为银大大多于金是个普遍现象。就太阳系来说，金和银有差不多的总质量是个“铁定”的事实。

 

在超新星环境中可以做到“点铁成金”

 

　　辽宁日报：金银作为天然的货币，使人们产生“点石成金”或“点铁成金”的幻想，但从未实现。

 

　 　钱永忠：古时候中西方都有很多人热心于炼金术，大名鼎鼎的物理学宗师牛顿就是其中之一。他们没有炼成金子的原因很简单：“点铁成金”必须把含26个质子 和30个中子的铁原子核变成含79个质子和118个中子的金原子核，这只有通过俘获中子才有可能。但炼金术不能提供中子，所以注定会失败。

 

　 　炼金术只是把各种原子组合在一起，因为不改变原子核，所以不能生成新的元素。从积极的方面看，炼金术的发生和发展引导了人们对原子之间相互作用的认识， 为化学这个学科做了前期铺垫。但是，化学之所以能脱离这种背景成为科学，靠得是不迷信，而是通过严格的实验检验来发展和完善理论基础，这是所有科学学科的 共同点。

 

　辽宁日报：超新星环境具体是如何“点铁成金”的？

 

　 　钱永忠：前面我们已经谈到，铁以后的所有元素主要是在能提供中子的星体环境内通过俘获中子合成的。对银和金来说，这种环境是超新星。以金为例，如果用上 述铁核做起点，需要俘获141个中子才能得到和上述金核有相同质量的原子核；在俘获这些中子的过程中有很多中间产物是不稳定的，被它们俘获的中子在核内衰 变为质子；最终有53个中子衰变为质子，加上铁原有的26个质子就给出金对应的79个质子，金就是这样在超新星中炼成的。

 

　　辽宁日报：现代科技如此发达，是否可以通过实验模拟金子的合成？

 

　 　钱永忠：如前面所说，合成金子需要中子。在地球上大量中子的来源有两个：核反应堆和核弹。但是核反应堆里的中子密度太低，合成金的效率低到不值得一试； 核弹爆炸时倒是能产生极高的中子密度，可是用核弹来合成金是否太得不偿失了？另外，众多核反应的实验数据已经足以证明合成金的基本原理了。

 

　　辽宁日报：除了金银，宇宙中所有的元素都与我们人类的生产生活息息相关，它们的相对含量是怎样的？

钱 永忠：经过大爆炸的洗礼，起初宇宙中所有气体的质量约75%来自氢，其余几乎都来自氦。从整个宇宙来说，现在普通物质的成分与这个初始成分差不多。以太阳 为例，它的质量约71%来自氢，约27%来自氦，只有约2%来自所有其他元素。这说明大爆炸后的元素合成效率是多么低。氦以后的元素在太阳中的相对含量参 差不齐，这是因为有的元素比较容易合成，相应的合成环境也比较普遍，而别的元素则不然。比如碳，它是中等恒星内燃烧的产物，而这些恒星相对来说比较多，它 们走到生命的尽头时虽然不会爆炸，但也会抛出大量含有新合成元素的气体作为遗产留给下一代恒星；因此太阳含有比较多的碳，约占0.24%的质量。相比之 下，铁以后元素的合成非常困难，因为这需要中子，而能够提供大量中子的星体环境很少；太阳含的银和金只占约七亿分之一和十亿分之一的质量。太阳中含量最低 的元素之一是铍，它在周期表中位居第四，只占约70亿分之一的太阳质量，这是因为铍原子核极其“脆弱”，它很容易被摧毁但不容易合成。 本报记者／张晓丽

 

专家档案

 

　 　钱永忠 1989年毕业于中国科学技术大学物理系，1993年获美国加州大学圣迭戈分校物理学博士，现为美国明尼苏达大学物理与天文系教授。主要从事原子核天体物 理方向的研究，包括重元素合成，超新星爆发，中微子与原子核相互作用以及中微子振荡等方面。由于对理论原子核天体物理的贡献，包括对通过快速俘获中子制造 重元素以及对超新星内中微子集体振荡的理论研究，于2008年当选为美国物理学会会士。

 

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自陈学雷科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-3061-623017.html

上一篇：怀祖母
下一篇：玛吉阿米