物理、化學(xué)不分家

由于初高中對于物理化學(xué)進(jìn)行分開，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)問題的。

我們就來大名鼎鼎的物理學(xué)家盧瑟福來說，他做過一個(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)格來說鐵原子核其實(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)恒星是跨不過去的。

為什么這么說呢？

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，要把鐵原子核掰開所需要的能量是最大的。要掰開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)這是虧本買賣，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，而在鐵元素之后的元素原子核都有裂變的趨勢，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，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)過程中，是會(huì)保持原子結(jié)構(gòu)的，換句話說，就是整個(gè)過程不會(huì)發(fā)生原子種類的變化。而化學(xué)反應(yīng)的過程當(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)問題，我們要從原子核外的電子排布說起。

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，他逮到誰都懟，連愛因斯坦看到他都怕。但是我們要知道的是，他懟其實(shí)都是在學(xué)術(shù)上懟，常常把對方懟到啞口無言，所以泡利其實(shí)是水平超強(qiáng)的物理學(xué)家。他提出過一個(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，這無形當(dāng)中增加了反應(yīng)的困難程度，也就是說，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)，鐵生銹就是最常見的一種鐵元素的化學(xué)反應(yīng)。因此，和金元素比起來，鐵元素的化學(xué)性質(zhì)并不穩(wěn)定。