科学阶梯丨从古代炼金术到现代核物理学

科技 2025-01-22 19:26 北京

「编者按 」

一部部科学经典著作，犹如人类文明史上璀璨的里程碑，奠定了现代科学基石，铺就了人类进步的阶梯。为让更多读者感受科学魅力，北京市科学技术协会推出“科学阶梯”专栏，对科学经典著作进行深入诠释。

本期我们带来的是《怀疑的化学家》，让我们一起看看英国物理学家和化学家波义耳如何将化学从“炼金术”中解放出来的。

此前

有这样一则新闻

引发关注

光泽华丽的黄金

中国发现价值830亿美元金矿，真是激动人心。不过，除了开矿，我们还有什么方法可以获得这么多黄金呢？

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”？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。

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

历史上真有一门学科来专门研究怎么把金属变成黄金，叫做“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。

不要对“炼金术”这个名字嗤之以鼻

炼金术，与其说是科学，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，就能够把铁铜之类的廉价金属转化为金或银等贵金属。而这一物质转化过程，就被称为“嬗变”（transmutation）。

为了能够合成传说中的哲人石，人们将各种物质按照不同比例混合，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，那就不得不提到汞。

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，而利用汞的低沸点特性，将合金中的汞蒸发，就能够实现金属的获取。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，一些皇帝为了永生，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。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。

英国威斯敏斯特教堂，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《怀疑的化学家》，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。

波义耳

1789年，拉瓦锡基于氧化说和质量守恒定律，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33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。

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，标志着炼金术走下了历史舞台。

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。

之后很长一段时间内，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

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，它的发现者就是和居里夫人共同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。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？

要想通过核反应“炼金”，首先需要了解什么是原子核。根据卢瑟福-玻尔模型，原子核由质子和中子共同构成（除了氢1原子核中只有一个质子），而元素的种类是根据质子的多少进行区分的。也就是说，原子核内有多少质子，就代表着这个原子是多少号元素。

一个锂原子（3号元素）的示意图

放射性元素的自发辐射，就是核反应中的核裂变过程，在这一过程中原子核会不断发生分裂形成多个核素更小的原子。也就是说，如果我们让比金原子序数更大的元素发生核裂变，那么产物中就有可能会有金。

但由于铀235的半衰期长达七亿年，因此铀原子基本只会自发缓慢衰变。而若想人工可控地加速核裂变这一过程，那需要在反应堆中进行链式反应。

首先利用硫酸将铀矿进行浸泡溶解得到溶融盐：

UO₃ + H₂SO₄ = UO₂SO₄ + H₂O

再进一步富集，提纯和浓缩，利用链式反应将铀原子分解成各种更小的原子。待反应结束之后，那么就有可能在裂变产物中找到金了。

想要让链式反应开启，就需要加入关键的一样东西——中子。当铀原子受到中子撞击时，会强行发生裂变，释放大量的能量并产生两个中子。天然形成的铀矿由于铀原子浓度低，不会发生链式反应。但在相当铀浓度的条件下，这两个中子就很有可能在能量被杂质吸收前，激发更多的铀原子，从而形成链式反应，促使大量原子核裂变发生。

铀的链式反应，产物能够有多种

反应堆与原子弹，可控与不可控的核裂变链式反应

然而事实上，由于人工核裂变中用于反应的核原料价格远比黄金高昂，并且在链式反应中会出现多种副产物，真正能够形成稳定金原子的概率微乎其微。

提到这里可能有读者会问了，既然一个核变多个核的核裂变能生产金，那能不能利用多个原子核变一个核的核聚变来生产金？

核聚变反应堆

让我们简单分析下。要进行核聚变，目前一种方法就是通过强磁场对离子的约束从而实现聚变。而一个离子在磁场下做圆周运动的半径R为：

其中m为离子质量，v为速度，q为电荷量，B为磁场强度。也就是说，元素离子质量越大，要想磁场约束离子做圆周运动的半径不变，磁场就必须增大。而在核聚变反应堆中，若没有对内部施加非常大的磁场，那么大量高速运动的离子将会对装置内部造成破坏。

另一方面，从原子比结合能看的话，26号元素铁具有最高比结合能，往后元素的比结合能将会降低，也就是说，想要实现更高元素的聚变就需要提供能量。然而目前的核聚变装置光是实现氢原子到氦原子的释能反应就已经消耗大量能量了，要实现金这种重元素的聚变合成那几乎是不可能的事。

各种元素的比结合能

巅峰造极

高能粒子学

此路不通，我们能否再次从炼金术中找到些许启迪？

汞是否能够成为现代核物理的“炼金原料”呢？

答案是可能的。让我们再次看看元素周期表，汞是位于第六周期IIB族的80号元素，而汞旁边紧挨着的元素就是金。

所以金和汞在原子核上就差一个质子，那么如果有这样一个“镊子”，能够将汞原子核多出来的质子给“撬”出来，那我们就能用等质量的汞换取几乎等质量的金了。

然而问题来了，我们平时见到的各种镊子由原子构成的，而原子核的半径远远小于原子。而且原子核是非常稳定的结构，撬动它也需要非常大的能量。那我们如何找到这样一把能够撬动原子核的“镊子”呢？

答案就是高能粒子。利用质子中子甚至是光子轰击汞的原子核，把原子里面多余的质子给“撬出来”。而需要撬动粒子所需要消耗的巨额能量，就由高能粒子的动能来提供。根据相对论的质能方程，粒子的能量E满足[5]：

其中m₀为粒子的静止质量，c为光速，v为粒子的速度。通过高能粒子加速器将粒子加速接近光速，此时的高能粒子将具有极大的能量，其能量足以实现原子核的撬动。

既然有了充足的理论支持和强大的实验装置，那就可以开始实验去验证可行性了。1941年，美国哈佛大学的班布里奇博士最先尝试利用“快中子技术”的办法制造金[6]。在中子的持续轰击下，汞原子核中的一个质子被剥离了出来，而新的原子核俘获了更多的中子，这些原子核经过各种复杂的亚稳态，最终形成了金原子。这一成果标志着人类首次真正意义上通过核物理的方法实现了金的制备。

点石成金，这一曾经遥不可及的梦想，历经数千年，终于被现代科学实现了。

接着到了1980年，美国劳伦斯伯克利研究所的西博格，利用高能加速器将加速接近光速的氦原子核轰击铋（原子序数为83），也同样获得了金原子[7]。而在1997年，日本科学家松本通过高能伽马射线照射汞，最后从中提炼出了近七百克左右的黄金，再次刷新里程碑。

然而现实又得泼冷水，人们发现整个装置在这一过程中耗费了极大的电能，而最后生产出的金却少得可怜。经过计算要生成一盎司金就得耗费接近一亿美元，而一盎司金市场只能卖到两千多美元，两者在数量级上的差距是天文数字。

虽然坐拥金山的幻想似乎已经破灭，与先人在炼金术上的尝试相比，我们确实有了质的飞跃。或许朝着这个方向走下去，将来真的有一天，科学技术能够发展出高效廉价的元素转换技术，让每个人都能实现点石成金。

参考资料：

[1] 王波. 门捷列夫：激情一生，悲情一世. 中国青年报. [2009-07-28]

[2] Becquerel, Henri, 1852–1908. history.aip.org. [17 April 2022]

[3] Marie Curie – Research Breakthroughs (1807–1904)Part 2. American Institute of Physics. [2011-11-07].

[4] Muriel Howorth,Pioneer Research on the Atom: The Life Story of Frederick Soddy, New World, London 1958, pp 83-84

[5] Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik, 17: 891, (1905).

[6] PTransmutation of Mercury by Fast Neutrons, Phys. Rev. 60, 473, (1941).

[7] Energy dependence of 209Bi fragmentation in relativistic nuclear collisions, Physical Review C. 23 (3): 1044, (1981).

科学经典推荐

《怀疑的化学家》

[法] 波义耳著

英国物理学家和化学家波义耳1661年出版了名著《怀疑的化学家》，标志着近代化学开始从“炼金术”中解放出来。波义耳反对当时“炼金术”派的“元素”观，提出了接近于近代化学元素的概念，区分了化合物和混合物。他把实验方法引入化学研究之中，主张化学要建立在大量的实验观察基础上，对物质的化学变化要进行定量研究，从而开创了分析化学的研究，并引入了“分析化学”这个名称。恩格斯对他给予了高度评价，指出“波义耳把化学确定为科学”。

来源：“中科院物理所”公众号

撰文：吴小锋（中国科学院大学)

审核：刘笑然（中国科学院物理研究所特聘研究员）

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