黃金和鐵都由一樣的質子中子和電子組成，為什麼價值差別那麼大？

金和鐵是具有不同價值的金屬，但就是小朋友也知道，金子是比較昂貴的，要不然怎麼會說一寸光陰一寸金是不？這兩種價值相差巨大但真正本質並沒有多少差別，因為構成金原子和鐵原子質子中子和電子並沒有什麼區別！

物質是由什麼組成的？

電子應該是原子內部最早被發現的粒子，它是劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·湯姆孫於1897年在重複赫茲的實驗時發現的，不過到1899年湯姆遜在做光電效應實驗與熱離子發射實驗測得於先前陰極射線等同的荷質比時候才真正確認。它是人類發現的第一種基本粒子

原子核的發現

原子核是1909年盧瑟福做α粒子散射的時發現大部分粒子都穿過了金箔，只有極少數粒子出現了偏離和回彈，根據這個散射角度，盧瑟福估計出了原子中有一個極小但是質量極大的存在，它佔據了幾乎所有原子的質量，但尺寸卻小到不可思議。

質子的發現

早在1815年威廉·普勞特就發現，各種氣體的密度都是氫的整數倍，所以他認為所有的原子都是氫原子構成的，儘管他的論據是錯誤的，但不得不說這個想法真的非常正確。真正發現質子要到100多年後的1919年，又是盧瑟福用α粒子與氮氣的碰撞發現了氫原子核，因而發現了質子。

中子的發現

盧瑟福在發現質子後提出了中子存在的可能性，他的猜測來自於原子量和原子序數的差異，十多年後他的學生查德維克以α粒子轟擊硼-10原子核得到氮-13原子核和一種新射線，他認為這種新輻射是一種質量近似於質子的中性粒子，並設計了實驗證實了他的理論。種中性粒子後來被稱為中子。

當然中子和質子依然可以分下去，但用來說明金銀銅鐵已經足夠了！

各種元素又是怎麼產生的？

元素的構成其實挺簡單，就是中子和質子的組合決定了元素的分類，原子核中的質子數決定了他們的元素屬性，中子數決定是什麼同位素，外部的電子決定了它們的化學屬性是否活潑，三種我們熟悉的粒子構成了整個世界。

一號氫元素：一個質子就是氫元素中同位素氕，一個質子一個中子就是氘，一個質子兩個中子就是氚，地球上最多的是氕，氘之佔0.02%，氚因為會衰變，所以是痕量。

二號氦元素：兩個質子一個中子就是氦三，兩個質子兩個中子就是氦四，地球上的都是氦四。

三號鋰元素：三個質子和四個中子就是鋰-7，也就是做電池的鋰，三個質子三個中子是鋰-6，常見用途用在氫彈中受到中子轟擊生成氚，或者核聚變堆中用多餘的中子生成氚。

26號鐵元素：鐵元素是26個質子和30個中子，構成的同位素為鐵-56。鐵也有很多同位素，但鐵-56的原子核是最穩定的，我們下文詳細說明。

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79號金元素：金元素則是79個質子和118個中子，稱為金-197，也可以有同位素，不過都是人造！金元素則是自然界中化學屬性最穩定的元素之一。

最簡單的質子和中子的比例，構成橫宇宙中最為複雜的物質，宇宙中所有的物質都有這些物質構成，當然還有一種只有中子沒有質子的世界，因為自然狀態下單個中子會衰變，所以中子星就是這種所謂的0號元素。

元素都是怎麼來的？

說起來非常簡單，製造起來就難了，因為要讓氕原子核，也就是兩個質子結合在一起的難度非常高，甚至太陽上的溫度都有些欠缺，假如不是當年伽莫夫推導出了質子在克服庫倫斥力障壁的量子力學公式，也就是量子隧穿效應，大家還看著太陽發呆呢！

質子鏈反應

但即使是太陽這個氕氕聚變還是很慢，大概十億次機會中才有一次聚變成氘，這個概率實在是太低了，好在時太陽內部這種機會多的是，所以太陽有的是機會可以浪費，但人類就很難啦，咋都達不到要求，而且人類用的還是要求最低的氘和氚。

關於比結合能

原子核的結合能與核子數之比就是比結合能，一般情況下原子核的核子數閱讀，比結合能越大，但氕是例外，因為一顆質子要吸收能量轉變成中子，才能變成氘，所以第一步特別難，到了氘和氚就容易多了，因為有中子的調和，但之後又開始更難，元素的比結合能如下。

元素的比結合能曲線

所以聽上去元素製造非常簡單，不過是質子和中子的數量堆砌而已，但要克服質子之間強大的庫倫斥力到它們結合的強作用力生效之前，這個難度是極大的，只有超高溫超高壓下才能實現，到現在為止做得最成功的是恆星。

金和鐵又是怎麼來的？

太陽其實能耐還是非常有限的，因為以太陽的溫度未來聚變的極限只能到達碳和氧，但宇宙中有比太陽質量大得多的恆星，所以它們的核聚變可以一路從氫元素一直到鐵：

氕 → 氘 → 氦-3 → 氦-4 → 鈹-8 → 碳-12 → 氧-16 → 氖-20 → 鎂-24 → 矽–28 → 硫–32 → 氬–36 → 鈣–40 → 鈦–44 → 鉻–48 → 鐵–52 → 鎳–56

所以恆星聚變的最終的元素會是鎳-56，但它會衰變回鐵，不過當恆星內核聚變到鐵時這顆恆星的末日也就來了，鐵核不再產生能量無法提供輻射壓，外殼將會坍縮而引發超新星爆發，所以未來更重的元素將會在這個過程中爆發的中子流中的快中子捕獲過程合成更重的元素。

快中子捕獲和慢中子捕獲

快中子捕獲需要鐵基原子核，過程其實並不複雜，原子核捕獲中子多了會衰變不穩定，所以每衰變一顆中子成為質子，那麼它的元素序號就+1，在超新星爆發的快中子流中捕獲多少中子，又是衰變哪個元素穩定，這就要看緣分啦，但可以了解到的是原子核序數越高概率就越低，所以金子珍貴是有道理滴！

中子捕獲生成重元素示意圖

還有一條途徑是紅巨星內部的慢中子捕獲，這個原理一樣，只是生產重元素比較慢，但好在紅巨星時間超級久（對超新星來說），所以它也能生產一半以上的重元素。

中子星合併

當然各位肯定被科普過中子星（恆星的其中一個結局，一般是8-20倍太陽質量範圍的恆星最後形成）相撞形成大量重元素，因為這個是都是中子，碰撞後失去了中子星的條件後這些中子紛紛開始衰變，形成重元素的比例是極高的，所以中子星才是真正的金礦。

最穩定的金和最穩定的鐵

金是化學性能最穩定的金屬之一，在地下埋上千年，吹去浮土依然金光燦燦，為什麼金子的不容易生鏽呢？我們上文說了電子，因為電子層的排布跟元素的化學屬性穩定性有非常大的關係，按理來說，金的電子層分布是2 8 18 32 18 1，那麼它最外層的電子只有一個，應該很容易失去的，咋反而會穩定呢？

金元素的核外電子排布關係是5d106s1，這表示金原子核外有6個電子層，最外層只有1個電子，不過其次外層電子和第三層的電子對其道化學性質也有影響，因此要讓金元素發生化學反應的話，不僅要失去最外層的電子，還有次外層的電子，而要失去這部分電子需要要吸收很大的能量，當達不到這個級別時，金元素就我行我素，所以千年之後它依然是黃金。

不過並不是說金就能真的保持不變，它在王水（濃鹽酸（HCl）和濃硝酸（HNO₃）按體積比為3:1組成的混合物）中就不行了，直接將其溶解。

最穩定的鐵？

鐵應該是最不穩定的元素了，到哪都生鏽，除非它和其他金屬構成特種合金才不容易生鏽，所以說鐵穩定，估計有100個人會反對。事實上鐵就是這副德行，但我們要說的不是鐵的化學屬性，而是其原子核穩定性，它處在比結合能的頂峰，也就是聚合最難，分裂也最難，過了鐵元素原子核理論上都可以裂變，而未到鐵，則理論上都可以聚變，鐵剛好位於這個坑底，所以元素到了鐵之後既無法聚變，也無法裂變，因而鐵是最穩定的，大家應該不會反對了吧！

不過上文也說了，鐵可以通過快中子捕獲成為更高序號的元素，但這並不影響它成為最穩定的元素，要不然我們這個世界就只有最貴重的鐵了。

金原子和鐵原子中的質子、中子和電子有區別嗎？

前文中，我們已經了解了元素的來龍去脈，那麼最後確認一下，金原子中的電子和鐵原子中的電子沒有任何區別，而且它們的質子也中子也同樣沒區別，當然不用說金子和鐵，就是宇宙中所有顯物質的電子都是一樣的。

我們這裡說到了顯物質，與之對應的還有暗物質和暗能量，我們對此一臉懵逼，僅僅了解暗物質具有引力和弱相互作用，而暗能量則會產生斥力，除此以外，比如這兩種物質由什麼組成，科學家也只能聳聳肩，表示他們也很無奈。