Das ultimative Streben der Alchemie – Stein in Gold verwandeln

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wu Yue (Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Gold (Au) ist als bekanntes Mitglied der Schwermetallelemente ein weit verbreitetes und beliebtes Edelmetall. Es bietet die Vorteile hoher Stabilität, guter Duktilität und hoher katalytischer Leistung. Es wird häufig in der Schmuck- und Zahlungsmittelindustrie, in der medizinischen Behandlung, in der Katalyse und in vielen Industriebereichen verwendet.

In China gibt es schon lange die Redewendung „Stein in Gold verwandeln“. Wenn wir im Westen von der Verwandlung von Steinen in Gold sprechen, denken wir unweigerlich an die Alchemisten des Mittelalters: Sie widmeten sich der Umwandlung gewöhnlicher Metalle in Edelmetalle wie Gold, um den Wunsch nach der Schaffung von Reichtum zu befriedigen. Nicht nur westliche Alchemisten strebten nach der Herstellung von künstlichem Gold, auch in der chinesischen Geschichte gab es entsprechende Versuche, die jedoch alle scheiterten.

Aus der Perspektive der modernen Chemie wissen wir, dass der Weg der antiken Alchemisten nicht gangbar war. Aber wenn wir das Leben von „Gold“ aus der Perspektive der modernen Wissenschaft betrachten, können wir dann den Traum verwirklichen, Stein in Gold zu verwandeln?

Die Wachstumsgeschichte von Wasserstoff bis Eisen

Im frühen Universum war die Materiedichte überall sehr hoch. Es war wie eine Schüssel dicke Suppe aus verschiedenen Teilchen, und es gab keine Atomkerne. Nach dem Urknall klebten einige Teilchen zusammen und fingen Elektronen ein, wodurch Atomkerne entstanden, doch zunächst gab es fast nur sehr leichte Kerne wie Wasserstoff und Helium. Unter dem Einfluss der Schwerkraft sammeln sich diese leichten Kerne zu Clustern und ihre Kerntemperatur und -dichte steigen weiter an, bis sie schließlich die für die Kernfusion erforderliche hohe Temperatur und den hohen Druck erreichen. Wasserstoff- und Heliumatome beginnen, eine Kernfusion zu durchlaufen – Sterne werden geboren.

Die Entwicklung des Universums

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Bei Sternen wie der Sonne ist die erste Reaktion die Fusion von Wasserstoffkernen zur Erzeugung von Heliumkernen. Die freigesetzte Energie führt dazu, dass die Heliumkerne weiterhin eine Kernfusion durchlaufen und Kohlenstoff- und Sauerstoffkerne entstehen. Die freigesetzte Energie führt weiterhin dazu, dass die Kohlenstoff- und Sauerstoffkerne zu schwereren Elementen verschmelzen. Daher bezeichnen viele Menschen Sterne wie die Sonne als „Alchemieofen der Elemente“. Wenn in diesem Fall die Kernfusion im Inneren von Sternen weitergeht, werden die Elemente immer schwerer und irgendwann entsteht eine reiche Goldmine, nicht wahr?

Eigentlich ist es das nicht. Wenn die Masse eines Sterns groß genug ist, kann die Kernreaktion in seinem Inneren so lange andauern, bis ein Eisenkern entsteht. Allerdings verfügt Eisen über die höchste spezifische Bindungsenergie, sodass es sehr schwierig wird, Nukleonen in den Eisenkern zu „quetschen“, was einen hohen Energieaufwand erfordert. Bei der Eisenfusion im Inneren eines Sterns wird eine große Menge Energie verbraucht, was dem Hinzufügen eines „Feuerlöschers“ im Inneren des Sterns gleichkommt und den Kollaps des Sterns verursacht. Wie entstehen also Elemente, die schwerer als Eisen sind (Supereisenelemente)?

Die spezifischen Bindungsenergien verschiedener Elemente, unter denen Eisen die höchste

(Bildquelle: Wikipedia)

Der Midas-Touch

Bei der früheren Kernfusion handelte es sich um den Prozess, bei dem zwei leichtere Atomkerne miteinander verschmolzen, um einen schwereren Atomkern zu bilden. Aus Beobachtungen der Häufigkeit von Atomkernen im Sonnensystem und des Schalenmodells des Atomkerns haben Wissenschaftler gefolgert, dass die Bildung von Supereisenelementen auf den Prozess des „Neutroneneinfangs“ zurückzuführen ist: Nachdem die Elemente zu Eisen verschmolzen sind, entstehen durch die direkte Einfügung von Neutronen in den Eisenkern schwerere Elemente.

Erhöht sich lediglich die Zahl der Neutronen, ändert sich die Atomart nicht, es entstehen lediglich schwerere Isotope. Allerdings sind einige Isotope nicht stabil und unterliegen in der Regel einem β-Zerfall, d. h. die darin enthaltenen Neutronen zerfallen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit unter Abgabe eines Elektrons in Protonen. Auf diese Weise erhält der Kern ein weiteres Proton und wird zu einem schwereren Element.

Der Prozess der Umwandlung von Eisen in Gold in Sternen durch langsamen Neutroneneinfang

(Bildquelle: Institut für Moderne Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Der Neutroneneinfang im Inneren von Sternen ist sehr schwach und ineffizient und wird auch als „langsamer Neutroneneinfang“ (langsamer Prozess) bezeichnet. Gibt es also eine Möglichkeit, diesen Prozess zu beschleunigen und eine groß angelegte Produktion schwererer Elemente zu erreichen?

Um einen „schnellen Neutroneneinfang“ (Rapid-Prozess) zu erreichen, muss die Dichte des Neutronenflusses hoch genug sein, es müssen genügend Neutronen und genügend Energie vorhanden sein, um den Neutroneneinfangsprozess schnell ablaufen zu lassen. Welche Art von Umgebung kann diese Bedingungen erfüllen?

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Supernova-Explosionen zu einem schnellen Einfangen von Neutronen führen können. Wenn im Inneren eines Sterns eine Eisenfusion stattfindet, absorbiert dieser Energie und löst eine Kernexplosion aus, die als Supernova-Explosion bezeichnet wird. Supernova-Explosionen können eine Galaxie erleuchten und auch Elemente mit höheren Ordnungszahlen als Eisen erzeugen. Bei diesem „Feuerwerk“, das die Galaxie erleuchten kann, werden zahlreiche Neutronen in extrem energiereicher Form freigesetzt. Unter dem Aufprall und dem β-Zerfall dieser hochenergetischen Neutronen werden die bisherigen Atomkerne kontinuierlich „aufgewertet“ und bilden so eine Vielzahl schwerer Metallelemente. Allerdings sind die meisten dieser Schwermetalle im Kern der Sterne konzentriert und nicht viele davon stehen uns zur Verfügung.

Im Jahr 1994 fotografierten Wissenschaftler eine Supernova-Explosion (SN 1994D, der helle weiße Fleck in der unteren linken Ecke) (Bildquelle: Wikipedia)

Darüber hinaus gibt es eine weitere Möglichkeit, Elemente mit höheren Ordnungszahlen als Eisen zu erzeugen: die Verschmelzung von Neutronensternen. Massereiche Sterne, die Supernova-Explosionen erleben, haben je nach der Masse ihres Kerns zwei Schicksale: Entweder sie bilden ein schwarzes Loch oder sie werden zu einem extrem dichten Neutronenstern. Treffen im Universum zwei Neutronensterne aufeinander, nähern sie sich unter dem Einfluss der Schwerkraft einander an und verschmelzen schließlich miteinander. Während des Fusionsprozesses werden starke Gravitationswellen sowie Elemente mit größeren Ordnungszahlen wie Gold und Silber erzeugt. Doch diese Art von Kernreaktion ist komplex und vielfältig, sodass die Entdeckung eines Himmelskörpers aus reinem Gold im Universum nur ein unerreichbarer Traum ist.

Isotopenhäufigkeitsverteilung und entsprechende Nukleosyntheseprozesse im Sonnensystem

(Bildquelle: Referenz 2)

Ein Geschenk der Sterne

Die bei Supernova-Explosionen und Neutronenstern-Verschmelzungen entstehende Materie wird im Universum verstreut, vermischt sich mit vorhandenem interstellarem Gas, Staubwolken usw. und bildet unter dem Einfluss der Schwerkraft neue Sterne. Mit anderen Worten: Die nächste Generation von Himmelskörpern, einschließlich Sternen und Planeten, wird im „Grab“ der vorherigen Sternengeneration geboren. Diese Sterne, Planeten und anderen Himmelskörper werden weiter wachsen und unter dem Einfluss der Schwerkraft ein Gleichgewicht anstreben, wodurch neue Galaxien entstehen, zu denen auch unser Sonnensystem gehört.

Daher ist ein Teil des Goldes, das heute auf der Erde vorhanden ist, die Zusammensetzung der frühen Miniaturerde: Das Material der frühen Erde befand sich in einem geschmolzenen Zustand und die Dichte des Goldes war relativ groß, sodass es weiter in den Kern sinken würde, und geologische Aktivitäten würden einen Teil des Goldes in Form von Vulkanausbrüchen aus dem Kern an die Oberfläche transportieren; Der andere Teil ist ein Geschenk aus dem Weltall: Nachdem die Erde erstarrt und stabilisiert ist, würde die Schwerkraft der Erde vorbeifliegende Meteoriten „einfangen“, die reich an Schwermetallen wie Gold, Wolfram und Blei sind. Nachdem sie auf die Erde gelangt sind, sinken sie unter dem Einfluss geologischer Aktivitäten und sammeln sich dort an, bis sie eines Tages von Menschen entdeckt werden.

Künstliches Gold, der Weg ist schwierig und beschwerlich

Nach dem Verständnis der „Vergangenheit und Gegenwart“ des Goldelements ist die theoretische Grundlage für die „Verwandlung von Stein in Gold“ bereits vorhanden. Die Unterschiede zwischen verschiedenen Elementen liegen in der unterschiedlichen Anzahl von Protonen, Neutronen und Elektronen in ihren Atomen, insbesondere in der Anzahl der Protonen. Wenn wir die Anzahl der Protonen im Atomkern künstlich verändern können, können wir ein Element in ein anderes umwandeln und aus „billigen“ Elementen „wertvolle“ Elemente herstellen. Die Natur bietet uns zwei Methoden: die Addition zur Darstellung der Kernfusion und die Subtraktion zur Darstellung der Kernspaltung.

Das Periodensystem umfasst 118 Elemente, von denen 92 in der Natur vorkommen und 26 künstliche Elemente sind, die durch Kernfusion leichterer Elemente entstehen. Die Produktion künstlicher Elemente ist eine Addition, doch um diese Veränderung zu erreichen, sind extrem hohe Temperaturen und hoher Druck erforderlich, im Allgemeinen sind Temperaturen von Hunderten Millionen Grad oder Drücke von Hunderten Milliarden Atmosphären erforderlich. Um eine Subtraktion durchzuführen, müssen wir einen Weg finden, Atomkerne zu entfernen, die schwerer sind als Goldkerne, wie beispielsweise Protonen in Quecksilber.

Der Menschheitstraum, „Steine ​​in Gold zu verwandeln“, wurde 1941 endlich wahr. Dr. Bainbridge von der Harvard University in den USA bombardierte Quecksilberatome, die von den Alchemisten der Antike häufig zur Goldherstellung verwendet wurden, mit Neutronen und schlug dadurch ein Proton aus dem Kern heraus. Gleichzeitig wurden einige Neutronen vom neuen Kern eingefangen, wodurch Quecksilber, dessen Ordnungszahl um 1 größer ist als die von Gold, erfolgreich in Gold umgewandelt wurde. Im Jahr 1980 wurden am Lawrence Berkeley Institute in den USA Wismutkerne (Atomkoeffizient 83) mithilfe eines Hochenergiebeschleunigers mit Teilchen nahezu Lichtgeschwindigkeit bombardiert. Dabei lösten sich vier Protonen aus dem Kern, so dass 79 Protonen übrig blieben und dieser zu einem Goldatom wurde. Das bei diesem Prozess entstehende Goldelement ist allerdings extrem selten und der Energieverbrauch enorm. Schätzungen zufolge betragen die Kosten für auf diese Weise produziertes Gold mehr als eine Billion Dollar pro Unze. Damals kostete eine Unze gefördertes Gold jedoch nur 560 Dollar.

Wismutmetall, das auf natürliche Weise wunderschöne Kristalle bildet und in vielen Wissenschaftsbaukästen erhältlich ist

(Bildquelle: Wikipedia)

Der Arbeitsaufwand, die materiellen Ressourcen und die finanziellen Mittel, die für die künstliche Goldherstellung aufgewendet werden, übersteigen den Wert des Goldes selbst bei weitem. Aus wirtschaftlicher Sicht ist es zweifellos ein Misserfolg. Der Zweck dieser Experimente besteht jedoch nicht darin, Gold als Zahlungsmittel zu gewinnen, sondern darin, das menschliche Verständnis für Supereisenelemente im Prozess der Goldherstellung zu verbessern, was von großer Bedeutung ist.

Obwohl das Experiment, Stein in Gold zu verwandeln, erfolgreich war, ist die Erforschung des Ursprungs der Supereisenelemente noch ein weiter Weg. Diese Studien werden auch die Entwicklung von Disziplinen wie der Kernphysik, der Astrophysik und der Himmelsentwicklung erheblich vorantreiben und weitere Bausteine ​​zum Gebäude der modernen Wissenschaft hinzufügen.

Quellen:

[1] Li Chao, Xie Zhongfei, Yang Shubin. Wohlstand ab „0“ – Gold Element[J]. Guangdong Chemical Industry, 2020, 47(09): 93-94.

[2] Tang Xiaodong, Li Kuoang. Der Ursprung der Elemente im Universum[J]. Physik, 2019, 48(10): 633-639.