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为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起

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online_member 发表于 2019-10-17 21:57:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起500 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608

在人类的历史中,金银被赋予了某种特殊含义,大多与“高贵”“永恒”“财富”相关。

人们将所有珍贵值钱的事物都被简化为“金银财宝”,而人才则比喻为金子,而“是金子就会发光的”。

在历史上,金银的价格随着各种经济活动有关。比如古埃及时,银的价格居然是金的价格的2倍,而到了17世纪的日本,金银的价格还是相等的。
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起787 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608
自然状态下存在的单质金



但是,到了近代,随着科技水平的不断提升,人们对银的产出早已远远高于金的产量。就目前来说,国际金价在人民币300多元/克,而银价却成了“白菜价”:只有区区的3块多人民币/克。

为何金要比银贵呢?

其实最主要的原因在于金在地球上的丰富度要低于银。

那又是为什么金在地球上的分布要比银少呢?
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起949 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608



这可能需要从金和银元素的形成讲起!

元素的起源

我们的宇宙据科学家推算形成于137亿年前的一次大爆炸。在大爆炸的前夕,宇宙所有的能量都被压缩在一个普朗克尺度(10×10^-35米)大小里——也就是我们常说的奇点。

在这点,宇宙没有空间、物质和时间概念,只有一片混沌态的能量,热量极高。
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起154 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608
宇宙大爆炸模型



当轰隆一声巨响,宇宙以常人难以想象的速度进行扩张。伴随着空间的形成,宇宙的温度则开始降低。大爆炸后10-35秒引力从中逃逸出来,构成质子的夸克等开始形成。

在大爆炸后10-12秒,质子等开始形成。

我们知道,“1”是所有数字的开端,也是通向无穷的起点。

当宇宙的高温浓汤因为空间扩张逐渐变得热却时,就像烧红的铁水终究要走向铁青色的铁块。

质子以1为基础单位,捕获电子而搭建起“氢”这种原子。

于是,大爆炸10秒后,稳定的氢原子就形成了。
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起60 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608
最“简洁”的氢原子:1个质子+1个电子



在我们的宇宙中,直到今天,氢元素依然是宇宙的主要物质。

但是,就是这种由1个质子和电子构成的简单分子,却是宇宙世界走向复杂的起点。

曾经在宇宙诞生的初期,一些氢元素构成的氢分子弥漫地分布在空间里不知去向,但不知受到何种扰动,氢分子在万有引力地作用下,开始相互吸引。

而这种吸引一旦开始,万有引力就如同恶魔的大嘴吞噬着它周围的所有一切。于是,氢分子被迫不断地聚集成团,最终形成了巨大的天体。

理论上来说,如果没有一种力量来对抗万有引力的自我坍缩,那么这些聚集在一起的氢分子将会被无限制地压缩下去。

但是,真实情况是,当氢原子在巨压和高温下,它最终会发生核聚变反应。
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起119 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608
氢的核聚变反应



而这个核聚变反应的主要产物就是氦元素,由2个质子构成的元素。

巨量的氢元素发生剧烈的核聚变反应,无数颗氢弹正在恒星的中央进行爆炸,爆炸自然就可以产生外向性的膨胀的力,而这种力则可以抵抗万有引力的自我坍缩,以使恒星维持平衡。
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起388 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608
太阳日冕:恒星热核反应传到表面引起的喷射现象



但是,当氢元素消耗的差不多时,氢元素将不再成为恒星的主要燃料,万有引力将重新获得主宰权,它会继续压缩恒星。

当然,这种压缩不可避免地再次引起恒星利用第二种物质:氦元素,来当作核燃料来点燃核聚变,以对抗重力的坍缩。

于是,我们就可以发现一个很有意思的现象,元素之间将通过核聚变等热核反应来相互间转换。一变二,二变四....等等,以此类推,加法在这个过程中得到很好的体现。

而金和银就是来自于这种热核反应的产物。
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起574 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608
金、银在元素周期表的位置



但是,银的质子数有47个,金的质子数更有79个。

地球自身是不大可能由氢元素转变成金银的,因为地球并不是恒星,没有进行如此剧烈反应的条件。

以目前太阳系的质量规格来说,远远无法形成如此重核的元素。

因为根据数学推导,我们太阳的宿命最终也只不过会变成一颗黑矮星,而黑矮星的主要构成无非是碳(质子数6)和氧(质子数8)。

那地球上的金银来自何处呢?

人们很自然地将眼光投向遥远的某颗巨大的天体。

所有恒星都会有它最终的宿命,比如我们的太阳将在几百亿年后沉寂为一颗黑矮星。

但是,黑矮星并不是所有恒星的宿命,有的质量夸张的恒星会因为剧烈不稳定的热核反应变成中子星,有的则会变成黑洞。
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起187 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608
恒星将氢燃烧殆尽会慢慢变大成为“红巨星”



在恒星将自身的燃料由氢元素烧成了氦元素,又由氦元素烧成了碳元素,一直直到更重的铁等元素沉积在恒星内部时,恒星将变得异常“暴躁”,它们将会发生非常剧烈地爆炸,而这种爆炸将会使恒星失去它们的很多质量,而中子星就是恒星将除原子核以外的所有部分都在这种爆炸中尽数丢弃了。

而恒星的这种“更年期症状”,科学家取了一个很好听的名字:超新星爆发。
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起485 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608
恒星晚期不稳定的热核反应将引起超新星爆发



而像金银这种稀有的重金属,就是来自于异常巨大质量的恒星的热核反应下发生的,然后在超新星爆发中,从遥远的某处飘到了银河系,然后又在机缘巧合之下成了太阳系的组成部分。

而其中自然不可避免有一部分成了地球的专属。

为何地球上金元素比银元素少?

既然地球上金银的来源有了解释了,那么为何地球上的金银会如此不协调呢?

除外一些特殊情况下,比如一颗主要由银组成的超新星碎片飘到了太阳系里,地球上的金银分布多少是与金银这种元素在宇宙中的分布比例成正比的。

毕竟,当金这种物质在宇宙本身存在就较银较少时,自然大概下会导致现在这种情况。

而为何金的形成就更难一点?

通过对比几十颗大质量恒星的发出的光谱进行分析,科学家们发现产生银元素的恒星质量要稍小于产生金元素的恒星,而且二者的核聚变机制也完全不相同,银元素来源于相对较为“柔和”(相对来说,其实一点都不柔和)的r-过程。r-过程是一种原子核与数量不等的中子撞击形成重核的核反应过程。
为何地球上的金要比银更稀有?从宇宙的元素起源说起361 / 作者:jzchzhfu / 帖子ID:54608
R-过程(r-Process): 重核在质子中子撞击下形成



因为金元素的形成的条件更加苛刻,它需要更大质量的恒星进行超新星爆发才可能产生可观的数量。而相对来说,满足银元素形成的质量规格的恒星数量就比较多了。

虽然产生金元素的大型恒星可能会因为超新星爆发单次喷射出更可观地金元素,但是茫茫众多的“小质量”(相对来讲)恒星超新星爆发喷射的银元素综合却要更多。

然后,这些来自于遥远天际的喷射残骸机缘巧合下来到了46亿年前的太阳系,最终在这里定了居。而幸运地是,其中有一部分来到了地球。

总结

全篇看来,我们从宇宙大爆炸的起始,知道了元素的形成,然后在恒星致命的超新星爆发中,看到大片大片的金银元素随着残骸漂浮在星际之间。然后,其中某些不甚起眼的部分,竟然一不小心地成为太阳系的一份子,最终在地球定了居。

每每想到这,总不免将自己的手臂抬起,然后用眼光去打量这些组成手臂的元素。于是,心中满是敬意:组成我身体的每个元素竟然可能来源于几十亿年前的某颗超新星爆发?

我们怎么去回应大自然对人类的这种“眷顾”啊!

作者:蚊子与茶杯


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「声明:本文原创」


原文地址:今日头条
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