منشاء طلا: از انفجارهای ستاره ای تا هسته زمین

طلا یک عنصر شیمیایی است که به راحتی با رنگ زرد فلزی خود شناسایی می شود. این عنصر به دلیل نادر بودن، مقاومت در برابر خوردگی، هدایت الکتریکی، چکش خواری، خاصیت شکل پذیری و زیبایی اش، ارزشمند است.

اگر از مردم بپرسید طلا از کجا می آید، بسیاری خواهند گفت که باید آن را از یک معدن استخراج کرد یا در دریاچه ای برای یافتن تکه های آن جستجو کرد، یا از آب دریا استخراج کرد. اما منشاء واقعی این عنصر به دوران قبل از شکل گیری زمین برمی گردد. از انفجارهای ستاره ای تا وجود آن در پوسته زمین، در اینجا نحوه تشکیل طلا مورد بررسی قرار می گیرد.

تشکیل طبیعی طلا

در حالی که همجوشی هسته ای در خورشید بسیاری از عناصر را تولید می کند، خورشید نمی تواند طلا بسازد. انرژی قابل توجهی که برای ساخت طلا نیاز است، تنها زمانی رخ می دهد که ستاره ها در یک سوپرنووا منفجر می شوند یا زمانی که ستاره های نوترونی با هم برخورد می کنند. تحت این شرایط شدید، عناصر سنگین از طریق فرآیند جذب سریع نوترون که به آن r-process نیز معروف است، شکل می گیرند.

طلا در کجا وجود دارد؟

تمام طلاهای موجود در زمین از بقایای ستاره های مرده به دست آمده اند. زمانی که زمین شکل گرفت، عناصر سنگینی همچون آهن و طلا به سمت هسته سیاره سقوط کردند. اگر هیچ رویداد دیگری رخ نمی داد، طلا در پوسته زمین وجود نداشت. اما حدود ۴ میلیارد سال پیش، زمین توسط برخورد سیارک ها بمباران شد. این برخوردها لایه های عمیق تر سیاره را به هم زد و مقداری طلا را به لایه های میانی پوسته و پوسته هدایت کرد.

برخی طلا ممکن است در سنگ های معدنی پیدا شود. طلا ممکن است به صورت تکه های ریز، به عنوان عنصر خالص بومی و به همراه نقره در آلیاژ طبیعی الکتروم وجود داشته باشد. فرسایش، طلا را از سایر مواد معدنی آزاد می کند. از آنجایی که طلا سنگین است، در بسترهای جوی، رسوبات آلوویال و اقیانوس به جمع می آید.

زلزله ها نقش مهمی ایفا می کنند زیرا یک ترک در حال تغییر، به سرعت آب غنی از مواد معدنی را بدون فشار می کند. هنگامی که آب بخار می شود، رگه های کوارتز و طلا بر روی سطوح سنگی رسوب می کنند. یک فرآیند مشابه در داخل آتشفشان ها نیز روی می دهد.

مقدار طلا در جهان چقدر است؟

مقدار طلا استخراج شده از زمین، کسری بسیار کوچک از جرم کل آن است. در سال ۲۰۱۶، سرویس زمین شناسی ایالات متحده (USGS) تخمین زد که حدود ۷.۸ میلیون اونس تروی یا ۲۴۴,۰۰۰ تن ایالات متحده از زمان شکل گیری تمدن کشف شده است. از آنجایی که طلا بسیار متراکم است (۱۹.۳۲ گرم در سانتی متر مکعب)، فضای زیادی را برای جرم خود اشغال نمی کند. در واقع، اگر تمام طلاهای استخراج شده تا کنون را ذوب کنید، یک مکعب با ابعاد حدود ۷۰ فوت خواهید داشت!

با این حال، طلا حدود چند بخش در میلیارد از جرم پوسته زمین را تشکیل می دهد. اگرچه از نظر اقتصادی استخراج مقدار زیادی طلا مقرون به صرفه نیست، اما حدود ۱ میلیون تن طلا در یک کیلومتر سطح بالای زمین وجود دارد. فراوانی طلا در لایه میانی پوسته و هسته ناشناخته است، اما به طور قابل توجهی بیشتر از مقدار آن در پوسته است.

سنتز عنصر طلا

تلاش های کیمیاگران برای تبدیل سرب (یا عناصر دیگر) به طلا ناموفق بوده است، زیرا هیچ واکنش شیمیایی نمی تواند یک عنصر را به عنصر دیگر تبدیل کند. واکنش های شیمیایی شامل انتقال الکترون ها بین عناصر هستند که ممکن است یون های مختلفی از یک عنصر تولید کنند، اما تعداد پروتون ها در هسته یک اتم آن چیزی است که عنصر آن را تعریف می کند. همه اتم های طلا شامل ۷۹ پروتون هستند، بنابراین شماره اتمی طلا ۷۹ است.

تولید طلا به سادگی اضافه یا کم کردن پروتون ها از سایر عناصر نیست. رایج ترین روش برای تغییر یک عنصر به عنصر دیگر (تبدیل) اضافه کردن نوترون ها به یک عنصر دیگر است. نوترون ها ایزوتوپ یک عنصر را تغییر می دهند و ممکن است اتم ها را به اندازه کافی ناپایدار کنند که توسط تجزیه رادیواکتیو شکسته شوند.

فیزیک دان ژاپنی هنتارو ناگاوا در سال ۱۹۲۴ طلا را با بمباران جیوه با نوترون ها برای اولین بار سنتز کرد. اگرچه تبدیل جیوه به طلا آسان ترین روش است، اما طلا می تواند از عناصر دیگر نیز تولید شود—حتی سرب! دانشمندان شوروی به طور تصادفی در سال ۱۹۷۲ پوشش سرب یک راکتور هسته ای را به طلا تبدیل کردند و گلن سیبور در سال ۱۹۸۰ مقدار اندکی طلا را از سرب تبدیل کرد.

انفجارهای سلاح های حرارت هسته ای مشابه فرآیند جذب نوترون ها در ستاره ها تولید می کنند. اگرچه چنین رویدادهایی روش عملی برای سنتز طلا نیستند، اما آزمایش های هسته ای به کشف عناصر سنگین اینشتینیوم (شماره اتمی ۹۹) و فرمیوم (شماره اتمی ۱۰۰) منجر شد.

نکات کلیدی: طلا چگونه تشکیل می شود؟

• دانشمندان معتقدند تمام طلاهای موجود در زمین در سوپرنوواها و برخوردهای ستاره های نوترونی که قبل از شکل گیری خورشید رخ داده اند، شکل گرفته اند. در این رویدادها، طلا در طی فرآیند r-formed شده است.
• طلا در حین تشکیل سیاره به هسته زمین فرو رفت. امروز قابل دسترسی است زیرا بمباران سیارک ها روی داده است.
• به طور نظری، امکان تشکیل طلا از طریق فرآیندهای هسته ای همجوشی، شکافت و تجزیه رادیواکتیو وجود دارد. برای دانشمندان، آسان ترین راه تبدیل طلا، بمباران عنصر سنگینی مانند جیوه و تولید طلا از طریق تجزیه است.
• طلا نمی تواند از طریق شیمی یا کیمیاگری تولید شود. واکنش های شیمیایی نمی توانند تعداد پروتون ها درون یک اتم را تغییر دهند. شماره پروتون ها یا شماره اتمی، هویت یک عنصر را تعریف می کند.