我們能把鉛變成金子嗎？ 能！但是有放射性

你有沒有夢想過一夜暴富？從鉛等廉價的金屬中提煉出黃金似乎是一個很誘人的主意，這也是中世紀煉金術(shù)士們試圖實現(xiàn)的目標。

于是，他們設(shè)想了一種“賢者之石”，在西方煉金術(shù)中又被稱為“萬能藥”，能賦予食用者永生不老和治愈所有疾病的能力，并帶來數(shù)不清的財富?！叭f能藥”最令人興奮的特性之一是它可以將包括鉛在內(nèi)的任何賤金屬，轉(zhuǎn)化為閃閃發(fā)光的黃金。這個將一種元素轉(zhuǎn)化為另一種元素的過程被稱為“嬗變”。

不過，“萬能藥”只是傳說中的東西，歷史上的煉金術(shù)士從來沒有把鉛變成金子。他們注定要失敗，因為任何常規(guī)的化學(xué)反應(yīng)都無法把鉛變成金。那么，在現(xiàn)代世界，科學(xué)家們能否憑借不斷發(fā)展的化學(xué)知識和先進工具，完成這一化學(xué)壯舉？

其實，通過某種方法把鉛這樣的賤金屬轉(zhuǎn)變?yōu)辄S金是可能的，但從中能得到多少黃金卻是一個問題。

什么是元素？

讓我們從最基本的元素概念說起。將鉛轉(zhuǎn)化為金意味著將一種元素轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素。每一種元素都是由組成原子核的質(zhì)子數(shù)（稱為原子序數(shù)）和中子數(shù)（質(zhì)子質(zhì)量+中子質(zhì)量=質(zhì)量數(shù)）來定義的;對元素的定義而言，電子的數(shù)量并不那么重要。

鉛的原子序數(shù)是82，即原子核中有82個質(zhì)子，而金的原子序數(shù)是79。要把一種元素變成另一種元素，就必須改變原子核中的質(zhì)子數(shù)。

在保持質(zhì)子數(shù)不變的同時，如果改變原子核中的中子數(shù)，就會產(chǎn)生相同元素的不同“味”，即同位素。鉛有4種自然的穩(wěn)定同位素，以及多種在實驗室中產(chǎn)生的其他同位素。在所有穩(wěn)定元素中，鉛具有最高的原子序數(shù)，其3個同位素是較重元素的主要核衰變鏈的終點——所有原子序數(shù)高于鉛（82）的元素都具有放射性。

元素的轉(zhuǎn)變

作為亞原子粒子，質(zhì)子和中子被保持原子核穩(wěn)定的強大核力束縛著，克服這些力需要巨大的能量。從原子核中移除一個質(zhì)子或中子就像在靈魂不純潔的情況下嘗試舉起雷神之錘，向原子中添加一個亞原子粒子則像試圖迫使同一極的磁鐵接觸。而且，增加或減少亞原子粒子的過程都會釋放出過量的能量。

如果我們確實成功地改變了原子核的組成呢？答案是，這會擾亂元素內(nèi)部力量的平衡，從而給元素帶來“身份危機”。該元素會開始釋放亞原子粒子，以達到更穩(wěn)定的狀態(tài)，這與放射性衰變的過程類似。

通過輻射來嬗變

具有較大原子核的原子無法很好地控制自身大小，這使得它們很不穩(wěn)定，會通過釋放質(zhì)子和中子（α衰變）、電子（β衰變）和電磁輻射（γ衰變，即釋放伽馬射線）來減輕額外的重量。

元素周期表中在鉍（原子序數(shù)83）之后的大多數(shù)元素都是放射性元素。不過，放射性衰變并不是生產(chǎn)黃金的好方法。首先，放射性元素需要數(shù)月（有的需要數(shù)年甚至數(shù)千年）才能衰變?yōu)楦胀ǖ脑?，如鐳-226的半衰期為1600年。其次，放射性衰變釋放的輻射會導(dǎo)致癌癥和甲狀腺問題等疾病。

最后，鈾、釷和鐳在衰變結(jié)束后最終都變成了鉛。鉛是穩(wěn)定元素，不會進一步衰變。這一點很可惜，因為金只比鉛少3個質(zhì)子。

亞原子粒子轟擊

排除了放射性衰變，還有什么方法可以把鉛變成金？科學(xué)家已經(jīng)有了好幾個選擇。

事實上，用鉛來制造黃金并不是一個好策略，因為鉛比金多3個質(zhì)子。更好的選擇是使用汞（比金多1個質(zhì)子）或鉑（比金少1個質(zhì)子）。

將賤金屬轉(zhuǎn)化為黃金的最早實驗始于1924年。日本研究者（Nagoaka）和德國研究者（Miethe和Stammreich）各自獨立進行了實驗，將汞置于高電流中，使其轉(zhuǎn)變?yōu)辄S金。然而，后來進行此類實驗的研究人員得到了負面的結(jié)果，使這些發(fā)現(xiàn)陷入爭議。因此，用電來點汞成金可能并不現(xiàn)實。

另一種選擇是用質(zhì)子和中子等亞原子粒子轟擊汞或鉑。1941年，研究人員用快中子轟擊汞，使這種金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸷豌K。1936年，研究人員用氘核（具有一個質(zhì)子和一個中子的原子核）轟擊鉑，使其產(chǎn)生放射性鉑同位素并衰變?yōu)榻稹?/p>

如果你有大量可用的鉛，那或許也能用質(zhì)子轟擊的方法獲得黃金。在1996年的一項實驗中，研究人員用600MeV的質(zhì)子轟擊鉛之后獲得了金。

你能獲取多少金子？

如果你開始幻想通過這種方法來制造黃金致富，那還是早點放棄吧。首先，通過質(zhì)子轟擊方法得到的黃金大部分都具有放射性，意味著它可能會衰變。不幸的是，目前還沒有任何化學(xué)方法能將放射性金轉(zhuǎn)化為普通金。

其次，所有這些實驗所獲得的金質(zhì)量都少于1毫克，價值幾乎可以忽略不計。一份實驗記錄中寫道，Miethe和Stammreich獲得的黃金只值1美元，卻花費了他們6萬美元！因此，即便你從這些實驗中得到了一些有價值的金子，你也已經(jīng)債臺高筑了。

對進行這些實驗的研究人員來說，他們更感興趣的是原子及其亞原子粒子的行為，而不是獲取黃金致富。事實上，他們更有可能通過這些實驗發(fā)現(xiàn)一些真正有用的東西，比如某種極為豐富且可持續(xù)的能源。

科學(xué)家已經(jīng)利用嬗變技術(shù)創(chuàng)造了一些新元素。钷、锝等元素以及鑭系和錒系中的許多元素都是人造的。2020年，有研究稱通過用鉍原子轟擊鋅原子的方法，創(chuàng)造出了一種原子序數(shù)為113的新元素。一名參與該項目的研究人員表示，在進行了40多億次轟擊之后，他們才三次制造出了這種元素。