錬金術の究極的追求 - 石を金に変える

制作：中国科学普及協会

著者: 呉悦 (中国科学院長春光学・精密機械物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

金（Au）は、重金属元素のよく知られたメンバーとして、生活の中で一般的で人気のある貴金属です。安定性が高く、延性も良好で、触媒性能も高いという利点があります。宝石、通貨、医療、触媒、多くの産業分野で広く使用されています。

中国には「石を金に変える」という慣用句が古くからある。西洋では、石を金に変えるというと、中世の錬金術師をすぐに思い浮かべます。彼らは富を創造したいという欲求を満たすために、普通の金属を金などの貴金属に変えることに熱心に取り組んでいました。西洋の錬金術師が人工の金を追求しただけでなく、中国の歴史上の人々も同様の試みをしましたが、すべて失敗しました。

現代化学の観点から見ると、古代錬金術師の道は実現不可能であったことがわかります。しかし、現代科学の観点から「金」の生命を見ると、石を金に変えるという夢は実現できるのでしょうか？

水素から鉄への成長物語

初期の宇宙では、物質の密度はどこでも非常に高かった。それはさまざまな粒子で構成された濃厚なスープの入ったボウルのようなもので、原子核はありませんでした。ビッグバンの後、いくつかの粒子がくっついて電子を捕らえて原子核を形成しましたが、最初は水素やヘリウムなどの非常に軽い原子核しかほとんど存在していませんでした。重力の影響により、これらの軽い原子核はクラスターに集まり、その中心温度と密度は上昇し続け、最終的に核融合に必要な高温高圧に達します。水素とヘリウムの原子が核融合を起こし、星が誕生します。

宇宙の進化

（写真提供：veerフォトギャラリー）

太陽のような恒星の場合、最初の反応は水素原子核の融合によるヘリウム原子核の生成です。放出されたエネルギーによりヘリウム原子核は核融合反応を継続し、炭素原子核と酸素原子核を生成します。放出されたエネルギーによって炭素と酸素の原子核が融合し、さらに重い元素が形成され続けます。そのため、太陽のような星は「元素の錬金術炉」と呼ばれることもあります。この場合、恒星内部で核融合が続けば、元素はどんどん重くなり、やがて豊かな金鉱が形成されるのではないでしょうか？

実はそうではありません。星の質量が十分に大きい場合、その内部での核反応は鉄の原子核が生成されるまで継続します。しかし、鉄は最も高い比結合エネルギーを持っているため、核子を鉄の原子核に「押し込む」ことは非常に困難になり、多くのエネルギーが必要になります。恒星内部で鉄の核融合が起こると、大量のエネルギーが消費され、それは恒星内部に「消火器」を追加するのと同じことであり、恒星の崩壊を引き起こします。では、鉄よりも重い元素（超鉄元素）はどのようにして形成されるのでしょうか?

さまざまな元素の特定の結合エネルギー。その中で最も高いのは鉄である。

(画像出典: Wikipedia)

ミダスのタッチ

これまでの核融合は、2 つの軽い原子核を融合して、より重い原子核を形成するプロセスでした。太陽系内の原子核の豊富さと原子核の殻モデルの観察に基づいて、科学者は超鉄元素の形成は「中性子捕獲」プロセスによるものであると推測しました。つまり、元素が鉄に融合した後、中性子を鉄の原子核に直接挿入することで、より重い元素が形成されるのです。

中性子の数だけが増加すると、原子の種類は変化せず、より重い同位体のみが生成されます。しかし、一部の同位体は安定しておらず、通常はβ崩壊を起こします。つまり、それらの同位体中の中性子は、電子を放出して陽子に崩壊する一定の確率を持ちます。このようにして、原子核には陽子が 1 つ増え、より重い元素になります。

星の中でゆっくりとした中性子捕獲によって鉄が金に変わる過程

（画像提供：中国科学院現代物理研究所）

恒星内部で起こる中性子捕獲は非常に弱く非効率であるため、「遅い中性子捕獲」（スロープロセス）とも呼ばれます。では、これをスピードアップし、より重い元素の大量生産を実現する方法はあるのでしょうか?

「高速中性子捕獲」（迅速プロセス）を達成するためには、中性子束の密度が十分に高く、中性子捕獲プロセスが迅速に発生するように十分な中性子とエネルギーが必要です。どのような環境がこれらの条件を満たすことができるでしょうか?

科学者たちは、超新星爆発によって中性子捕獲が急速に起こる可能性があることを発見した。恒星内部で鉄の核融合が起こると、エネルギーが吸収され、核爆発、つまり超新星爆発が引き起こされます。超新星爆発は銀河を照らすだけでなく、鉄よりも大きな原子番号を持つ元素も生成します。銀河を照らすほどのこの「花火ショー」では、非常に高いエネルギーを持った大量の中性子が放出されます。これらの高エネルギー中性子の衝撃とβ崩壊により、以前の原子核は継続的に「アップグレード」され、大量の重金属元素が形成されます。しかし、これらの重金属元素のほとんどは星の中心部に集中しており、私たちが利用できるのはそれほど多くありません。

1994年、科学者たちは超新星爆発（SN 1994D、左下隅の明るい白い点）を撮影しました（画像出典：Wikipedia）

さらに、鉄よりも大きな原子番号を持つ元素を生成する別の方法として、中性子星の合体があります。超新星爆発を起こす大質量星は、中心核の質量に応じて2つの運命をたどります。1つはブラックホールを形成すること、もう1つは極めて高密度の中性子星になることです。宇宙で2つの中性子星が出会うと、重力の影響で互いに近づき、最終的には融合します。合体プロセスでは、強い重力波が発生するほか、金や銀など原子番号の大きい元素も生成される。しかし、この種の核反応は複雑かつ多様であるため、宇宙で純金の天体を見つけるのは単なる達成不可能な夢です。

太陽系における同位体存在比分布とそれに対応する元素合成プロセス

（画像出典：参考資料2）

星からの贈り物

超新星爆発や中性子星の合体で生成された物質は宇宙に散らばり、既存の星間ガスや塵の雲などと混ざり合い、重力の影響を受けて新しい星を形成します。つまり、恒星や惑星などの次世代の天体は、前の世代の恒星の「墓場」で誕生するのです。これらの恒星、惑星、その他の天体は成長を続け、重力の影響下で平衡状態になり、太陽系を含む新しい銀河を形成します。

したがって、現在地球上に存在する金の一部は、初期のミニチュア地球の成分です。初期の地球の物質は溶融状態にあり、金の密度が比較的高かったため、金はコアに沈み続け、地質活動によって金の一部が火山噴火の形でコアから地表に運ばれました。もう1つの部分は宇宙からの贈り物です。地球が固まり安定した後、地球の重力が、金、タングステン、鉛などの重金属を豊富に含む隕石を「捕らえる」のです。地球に到達した後、地質活動の影響を受けて沈み、蓄積され、人々に発見される日を待ちます。

人工金、その道は困難で骨の折れる

金元素の「過去と現在」を理解した後には、「石を金に変える」理論的根拠がすでに存在します。さまざまな元素の違いは、原子内の陽子、中性子、電子の数、特に陽子の数の違いにあります。原子核内の陽子の数を人工的に変えることができれば、ある元素を別の元素に変換したり、「安価な」元素を使って「貴重な」元素を作ったりすることができます。自然は、核融合を表す加算と核分裂を表す減算という 2 つの方法を私たちに提供します。

周期表には 118 個の元素があり、そのうち 92 個は自然界に存在し、26 個はより軽い元素の核融合によって得られる人工元素です。人工元素の生成は付加的なものであるが、この変化を達成するには非常に高い温度と高圧が必要であり、一般的には数億度の温度または数千億気圧の圧力が必要となる。減算を行うには、水銀の陽子など、金の原子核よりも重い原子核を除去する方法を見つける必要があります。

「石を金に変える」という人類の夢は、1941年についに実現しました。米国ハーバード大学のベインブリッジ博士は、古代の錬金術師が金を作るためによく使っていた水銀原子に中性子を照射し、その原子核の陽子を破壊しました。同時に、一部の中性子が新しい原子核に捕らえられ、原子番号が金より１つ大きい水銀を金に変えることに成功した。 1980年、米国のローレンス・バークレー研究所は、高エネルギー加速器を使用してビスマス原子核（原子係数83）に光速に近い粒子を衝突させ、原子核から4つの陽子を放出させて79個の陽子を残し、金原子に変えました。しかし、この過程で生成される金元素は極めて希少であり、エネルギー消費も極めて膨大です。この方法で生産される金のコストは1オンスあたり1兆ドル以上と推定されていますが、当時は採掘された金1オンスのコストはわずか560ドルでした。

ビスマス金属は、自然に美しい結晶を形成し、多くの科学キットで入手できます。

(画像出典: Wikipedia)

人工的に金を作り出す過程で消費される人力、物質的資源、資金は、金そのものの価値をはるかに上回ります。経済的な観点から見れば、それは間違いなく失敗だ。しかし、これらの実験の目的は金貨を得ることではなく、金を作り出す過程における超鉄元素についての人類の理解を深めることであり、これは非常に意義深いことです。

石を金に変える実験は成功したが、超鉄元素の起源に関する研究はまだ長い道のりが残っている。これらの研究は、原子核物理学、天体物理学、天体進化などの分野の発展を大きく促進し、現代科学の基盤を強化するものとなるでしょう。

参考文献:

[1] 李超、謝仲飛、楊樹斌。 0から始まる繁栄 - ゴールドエレメント[J]広東化学工業、2020年、47(09):93-94。

[2] 唐暁東、李国安。宇宙における元素の起源[J]。物理学、2019、48(10):633-639。