物理、化學(xué)不分家

由于初高中對(duì)于物理化學(xué)進(jìn)行分開(kāi)，所以很多人自然而然地認(rèn)為，化學(xué)元素周期表是化學(xué)的事。但事實(shí)上，這個(gè)看法稍微有點(diǎn)問(wèn)題的。

我們就來(lái)大名鼎鼎的物理學(xué)家盧瑟福來(lái)說(shuō)，他做過(guò)一個(gè)著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出了原子的行星原子結(jié)構(gòu)模型。他帶出過(guò)10多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，一生都以物理學(xué)家自居。

可是諾獎(jiǎng)委員會(huì)偏偏頒給他一個(gè)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，他得知這個(gè)事的時(shí)候就很尷尬。還有我們知道的著名科學(xué)家居里夫人，實(shí)際上居里夫人天天是和一群物理學(xué)家混在一起的，他們屬于一個(gè)圈子的人，可是居里夫人就拿過(guò)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。而如今的化學(xué)家，最基本的素質(zhì)就是要掌握足夠多量子物理的相關(guān)知識(shí)。所以，你看，物理和化學(xué)某種程度上是不分家。這個(gè)更體現(xiàn)在元素上，我們知道元素周期表，但實(shí)際上元素周期表中元素的起源其實(shí)是被物理學(xué)家搞清楚的。而這里就涉及到了鐵元素的起源，以及金、銀等元素的起源。

鐵元素，或者嚴(yán)格來(lái)說(shuō)鐵原子核其實(shí)是最穩(wěn)定的原子核，而金、銀等元素本質(zhì)上是化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定的存在。所以，當(dāng)我們要比較兩者之間的差別時(shí)，首先還是要弄清楚到底在比較什么？

鐵原子核為什么最穩(wěn)定？

我們都知道，恒星燃燒是依靠核聚變反應(yīng)的，而且主要都是氫原子核核聚變反應(yīng)。這是因?yàn)橛钪嬷袣湓睾秃ぴ厥亲疃嗟?，占?jù)了99%以上。其中氫元素要遠(yuǎn)比氦元素要多得，達(dá)到了70%左右。

恒星依靠自身的引力，引發(fā)氫原子核的核聚變反應(yīng)，這時(shí)候四個(gè)氫原子核會(huì)通過(guò)質(zhì)子-質(zhì)子反應(yīng)鏈或者碳氮氧循環(huán)反應(yīng)生成氦-4核。

所以，我們仔細(xì)觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，原子序數(shù)上升了一位，輕一點(diǎn)的核變成了更重一點(diǎn)的核。而如果恒星的質(zhì)量足夠大，就可以再繼續(xù)引發(fā)氦-4原子核的核聚變反應(yīng)，生成碳原子核或者氧原子核。

如果恒星的質(zhì)量還足夠大，就還可以繼續(xù)反應(yīng)下去，一直到鐵原子核。鐵原子核是一個(gè)里程碑，大多數(shù)恒星是跨不過(guò)去的。

為什么這么說(shuō)呢？

這是因?yàn)殍F原子核的比結(jié)合能最大，你可以粗暴地理解成，要把鐵原子核掰開(kāi)所需要的能量是最大的。要掰開(kāi)鐵原子核后面的金原子核和銀原子核所需要的能量都小于掰開(kāi)鐵原子核的。

所以，要讓鐵原子核繼續(xù)反應(yīng)，就需要輸入巨大的能量，我們知道核聚變可以產(chǎn)生大量的能量?？墒氰F原子核的核聚變反應(yīng)這是虧本買(mǎi)賣(mài)，非但不能釋放大量的能量，相反會(huì)吸收大量的能量。因此，在鐵元素之前的元素原子核都有聚合的趨勢(shì)，而在鐵元素之后的元素原子核都有裂變的趨勢(shì)，我們常用的核裂變反應(yīng)，就是用到的鐵之后的大號(hào)元素鈾。

所以說(shuō)，鐵原子核是最穩(wěn)定的原子核。

金和銀為什么穩(wěn)定？

金和銀的穩(wěn)定是化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定。我們都知道，原子是由原子核和核外電子的構(gòu)成的。而在化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，是會(huì)保持原子結(jié)構(gòu)的，換句話說(shuō)，就是整個(gè)過(guò)程不會(huì)發(fā)生原子種類(lèi)的變化。而化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程當(dāng)中，本質(zhì)上是化學(xué)鍵發(fā)生變化，而化學(xué)鍵又和原子核外的電子排布有關(guān)。因此，這個(gè)問(wèn)題，我們要從原子核外的電子排布說(shuō)起。

在上世紀(jì)有一位著名的物理學(xué)家，他叫做泡利，他有個(gè)綽號(hào)叫做上帝之鞭。意思是說(shuō)，他逮到誰(shuí)都懟，連愛(ài)因斯坦看到他都怕。但是我們要知道的是，他懟其實(shí)都是在學(xué)術(shù)上懟，常常把對(duì)方懟到啞口無(wú)言，所以泡利其實(shí)是水平超強(qiáng)的物理學(xué)家。他提出過(guò)一個(gè)著名的理論叫做泡利不相容原理。

原子核外的電子，實(shí)際上會(huì)按照能量的高低進(jìn)行排布，但是它們其實(shí)要遵循泡利不相容原理，意思是說(shuō)一種能量狀態(tài)只能由一個(gè)電子占據(jù)。但是金元素其實(shí)很獨(dú)特，原子核外有六層電子層。

最內(nèi)側(cè)的電子能量最大，其速度可以接近65%的光速。我們都知道，愛(ài)因斯坦有一個(gè)著名的方程E=mc^2，這個(gè)理論其實(shí)叫做質(zhì)能等價(jià)。根據(jù)質(zhì)能等價(jià)和狹義相對(duì)論，我們知道，電子在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度越快，質(zhì)量就會(huì)變得大。

于是，電子的軌道就會(huì)縮小，這也就會(huì)引起連鎖反應(yīng)，每一層電子的軌道都都縮小。如果要讓金原子發(fā)生反應(yīng)，不僅要讓金原子失去最外層的電子，而且還需要讓它失去次外層的電子，這無(wú)形當(dāng)中增加了反應(yīng)的困難程度，也就是說(shuō)，想要讓金原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就需要更大的能量。因此，金元素的化學(xué)性質(zhì)才非常穩(wěn)定，幾乎不和任何物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在自然界中幾乎以單質(zhì)的形式存在。反觀鐵元素，就很容易外界發(fā)生反應(yīng)，鐵生銹就是最常見(jiàn)的一種鐵元素的化學(xué)反應(yīng)。因此，和金元素比起來(lái)，鐵元素的化學(xué)性質(zhì)并不穩(wěn)定。