האלכימאים חלמו להפוך עופרת לזהב. הייתה לכך סיבה כלכלית - כמות הזהב בעולם קטנה ומחירו גבוה. עד היום נחצבו ברחבי העולם פחות מ-170,000 טונות של זהב, וזו כמות קטנה מאוד יחסית למחצבים אחרים. צפיפות הזהב היא 19.3 גרם לסמ"ק, כלומר הנפח של כל כמות הזהב שהופקה מאז ומעולם עומד על מעט יותר מ-8,800 מ"ק. זהו נפח של קובייה שאורך המקצוע (צלע) שלה הוא 20.65 מטר, משהו כמו אולם ספורט טיפוסי בבית ספר. במילים אחרות: כל הזהב שנחצב מאז ומעולם יכול למלא רק אולם קטן אחד!
קשה להעריך כמה זהב טמון עדיין באדמה, אבל גם אם שיטות מציאת הזהב ישתפרו ויעילות הפקתו תגדל, סביר להניח שהעתודות ידלדלו בחלוף הזמן ובסופו של דבר הזהב ייגמר. בכל הנוגע לעתודות הזהב על פני כדור הארץ יש חוסר ודאות, אך מחיר הפקתו כבר עלה באופן ניכר בעשר השנים האחרונות מסיבה אחרת. מניעת זיהום סביבתי עולה כסף והלחץ על יצרני הזהב כבר גרם לעלייה ניכרת בעלות ההפקה. עלות ההפקה הממוצעת עלתה מ-281 דולר לאונקיית טרוי (31.1 גרם) בשנת 2001 ל-655 דולר לאונקיית טרוי בסוף 2009.
אם תימצא דרך לייצר זהב באופן מלאכותי, תהיה לכך חשיבות כלכלית רבה, לא רק בגלל היותו חומר גלם מבוקש לתכשיטים, אלא גם משום שלזהב יש שימושים רבים במחקר ובתעשייה.
אז מה לגבי החלום הישן של האלכימאים להפוך מתכת זולה לזהב? היום ברור שלא ניתן לייצר זהב ממתכת אחרת בתהליכים כימיים, אבל אולי בכל זאת האלכימאים לא טעו לגמרי.
אטום של יסוד בנוי מגרעין המכיל פרוטונים ונייטרונים ומאלקטרונים החגים סביב הגרעין. תהליכים כימיים מתרחשים ברמה האלקטרונית, כלומר מעורבת בהם החלפה של אלקטרונים, והקשרים הכימיים בין היסודות נובעים מאינטראקציה של האלקטרונים החיצוניים. תגובה כימית לא יכולה לשנות את זהות היסודות המגיבים, ולכן היא לא יכולה לשמש כאמצעי לייצור זהב מחומר שלא מכיל זהב כלל.
לעומת זאת, תהליכים גרעיניים המתרחשים בגרעיני האטומים יכולים לגרום לשינוי של היסוד עצמו, משום שזהות היסוד נקבעת על פי מספר הפרוטונים בגרעין. תהליכים אלו, שבהם מעורבת בדרך כלל אנרגיה גבוהה יותר, יכולים לגרום לשינוי במספר הפרוטונים והנייטרונים בגרעין ואפילו לשינוי בזהות מרכיבי הגרעין - פרוטונים יכולים להפוך לנייטרונים ונייטרונים יכולים להפוך לפרוטונים. תוך כדי כך עשויה להיפלט אנרגיה רבה בצורת קרינה גרעינית על סוגיה השונים.
אם כך, תהליכים גרעיניים יכולים להפוך יסודות ליסודות אחרים. אז כיצד ניתן לייצר בפועל זהב במעבדה?
שאלה זו קשורה לשאלה מעניינת אחרת:
כיצד נוצר הזהב שנמצא על פני כדור הארץ?
מקור האנרגיה של הכוכבים נובע מתהליכי היתוך גרעיני. בהיתוך גרעיני שני גרעינים קלים מתאחדים ויוצרים גרעין כבד יותר. בתהליך הזה משתחררת אנרגיה שמקורה בהפרש המסות בין הגרעינים המקוריים לגרעין הנוצר, והפרש המסות שקול לאנרגיה לפי הנוסחה של איינשטיין
.
כל זה טוב ויפה, אבל זהב לא יכול להיווצר בתהליכי היתוך גרעיני רגילים שמתרחשים בליבות הכוכבים, משום ששחרור אנרגיה בהיתוך גרעיני מתקיים כל עוד התוצר איננו כבד יותר מברזל. עובדה זו נובעת מכך שהפרוטונים והנייטרונים בגרעין הברזל קשורים חזק זה לזה, מה שגורם לגרעין הברזל להיות קל באופן יחסי למספר הפרוטונים והנייטרונים המרכיבים אותו. על מנת ליצור יסודות כבדים יותר יש להשקיע כמות גדולה של אנרגיה, ותהליך כזה לא יכול להתרחש באופן ספונטני במהלך חייו של כוכב.
כשכוכב בגודל של השמש שלנו מכלה את מלאי הדלק הגרעיני שלו הוא משיל את המעטפת החיצונית ומסיים את חייו בתור ננס לבן קטן ודחוס. כוכבים מסיביים יותר עשויים לעבור פיצוץ סופרנובה בסוף חייהם ולהפוך לכוכבי נייטרונים או לחורים שחורים. בפיצוץ כזה משתחררת אנרגיה רבה מאוד בבת אחת ותהליכים גרעיניים שדורשים כמות גדולה של אנרגיה עשויים להתרחש.
התהליך המדויק של יצירת זהב ויסודות כבדים אחרים עדיין לא ברור די צורכו. נראה שהוא קשור ללכידת נייטרונים על ידי גרעינים כבדים. נייטרונים חופשיים בעלי אנרגיה גבוהה פוגעים בגרעינים כבדים ויוצרים איזוטופים של יסודות כבדים יותר. תוך זמן קצר האיזוטופים הללו עוברים דעיכה רדיואקטיבית עד שהם הופכים לאיזוטופים יציבים. בתהליך כזה המכונה r-process, או בתהליכים גרעיניים דומים, נוצרו כנראה כל היסודות הכבדים. מה שאומר שמערכת השמש שלנו היא בוודאות דור שני לפחות של כוכבים, ומקורו של החומר המרכיב אותה הגיע מכוכב מסיבי מאוד שעבר סופרנובה.
בשיטה דומה ניתן לייצר זהב על פני כדור הארץ. לשם כך דרוש מתקן המיועד לניסויים גרעיניים - כור גרעיני או מאיץ חלקיקים. ניסויים כאלו אכן נערכו וב-1941 נוצרו לראשונה באופן מלאכותי איזוטופים של זהב על ידי הפגזת כספית בנייטרונים, אלא שאלו היו איזוטופים רדיואקטיביים קצרי חיים שדעכו חזרה לכספית תוך מספר ימים. יצירת זהב יציב היא משימה קשה יותר. נטען שגלן סיבורג ועמיתיו הצליחו לייצר זהב יציב מביסמוט ב-1980 במאיץ חלקיקים אמריקאי, וייתכן שהרוסים הקדימו אותו בכמה שנים ועשו זאת כבר ב-1972.
בכל אופן, השיטה הזו לייצור זהב יקרה מאוד ורחוקה מלהיות משתלמת מבחינה כלכלית. עם זאת, ייתכן שיגיע היום בו מחיר חציבת הזהב יעלה באופן ניכר, ואילו עלות הפקתו בכורים גרעיניים ובמאיצי חלקיקים תרד, ואז נוכל להגשים את חלומם של האלכימאים לייצר זהב ממתכות זולות באופן שוטף.
 |
| גוש זהב במשקל של כמעט 5 ק"ג שהתגלה בקליפורניה. מקור: ויקישיתוף |
קשה להעריך כמה זהב טמון עדיין באדמה, אבל גם אם שיטות מציאת הזהב ישתפרו ויעילות הפקתו תגדל, סביר להניח שהעתודות ידלדלו בחלוף הזמן ובסופו של דבר הזהב ייגמר. בכל הנוגע לעתודות הזהב על פני כדור הארץ יש חוסר ודאות, אך מחיר הפקתו כבר עלה באופן ניכר בעשר השנים האחרונות מסיבה אחרת. מניעת זיהום סביבתי עולה כסף והלחץ על יצרני הזהב כבר גרם לעלייה ניכרת בעלות ההפקה. עלות ההפקה הממוצעת עלתה מ-281 דולר לאונקיית טרוי (31.1 גרם) בשנת 2001 ל-655 דולר לאונקיית טרוי בסוף 2009.
 |
| מחפש זהב. מקור: Alan Souter |
אם תימצא דרך לייצר זהב באופן מלאכותי, תהיה לכך חשיבות כלכלית רבה, לא רק בגלל היותו חומר גלם מבוקש לתכשיטים, אלא גם משום שלזהב יש שימושים רבים במחקר ובתעשייה.
אז מה לגבי החלום הישן של האלכימאים להפוך מתכת זולה לזהב? היום ברור שלא ניתן לייצר זהב ממתכת אחרת בתהליכים כימיים, אבל אולי בכל זאת האלכימאים לא טעו לגמרי.
 |
| מרים היהודיה בת המאה השלישית לספירה נמנתה עם האלכימאים הראשונים. מיוחסת לה המצאת אמבט מרים המשמש במחקר, בתעשייה וגם באומנות הבישול. ציור מהמאה ה-17. מקור: Royal Society of Chemistry |
אטום של יסוד בנוי מגרעין המכיל פרוטונים ונייטרונים ומאלקטרונים החגים סביב הגרעין. תהליכים כימיים מתרחשים ברמה האלקטרונית, כלומר מעורבת בהם החלפה של אלקטרונים, והקשרים הכימיים בין היסודות נובעים מאינטראקציה של האלקטרונים החיצוניים. תגובה כימית לא יכולה לשנות את זהות היסודות המגיבים, ולכן היא לא יכולה לשמש כאמצעי לייצור זהב מחומר שלא מכיל זהב כלל.
לעומת זאת, תהליכים גרעיניים המתרחשים בגרעיני האטומים יכולים לגרום לשינוי של היסוד עצמו, משום שזהות היסוד נקבעת על פי מספר הפרוטונים בגרעין. תהליכים אלו, שבהם מעורבת בדרך כלל אנרגיה גבוהה יותר, יכולים לגרום לשינוי במספר הפרוטונים והנייטרונים בגרעין ואפילו לשינוי בזהות מרכיבי הגרעין - פרוטונים יכולים להפוך לנייטרונים ונייטרונים יכולים להפוך לפרוטונים. תוך כדי כך עשויה להיפלט אנרגיה רבה בצורת קרינה גרעינית על סוגיה השונים.
אם כך, תהליכים גרעיניים יכולים להפוך יסודות ליסודות אחרים. אז כיצד ניתן לייצר בפועל זהב במעבדה?
שאלה זו קשורה לשאלה מעניינת אחרת:
כיצד נוצר הזהב שנמצא על פני כדור הארץ?
מקור האנרגיה של הכוכבים נובע מתהליכי היתוך גרעיני. בהיתוך גרעיני שני גרעינים קלים מתאחדים ויוצרים גרעין כבד יותר. בתהליך הזה משתחררת אנרגיה שמקורה בהפרש המסות בין הגרעינים המקוריים לגרעין הנוצר, והפרש המסות שקול לאנרגיה לפי הנוסחה של איינשטיין
כל זה טוב ויפה, אבל זהב לא יכול להיווצר בתהליכי היתוך גרעיני רגילים שמתרחשים בליבות הכוכבים, משום ששחרור אנרגיה בהיתוך גרעיני מתקיים כל עוד התוצר איננו כבד יותר מברזל. עובדה זו נובעת מכך שהפרוטונים והנייטרונים בגרעין הברזל קשורים חזק זה לזה, מה שגורם לגרעין הברזל להיות קל באופן יחסי למספר הפרוטונים והנייטרונים המרכיבים אותו. על מנת ליצור יסודות כבדים יותר יש להשקיע כמות גדולה של אנרגיה, ותהליך כזה לא יכול להתרחש באופן ספונטני במהלך חייו של כוכב.
כשכוכב בגודל של השמש שלנו מכלה את מלאי הדלק הגרעיני שלו הוא משיל את המעטפת החיצונית ומסיים את חייו בתור ננס לבן קטן ודחוס. כוכבים מסיביים יותר עשויים לעבור פיצוץ סופרנובה בסוף חייהם ולהפוך לכוכבי נייטרונים או לחורים שחורים. בפיצוץ כזה משתחררת אנרגיה רבה מאוד בבת אחת ותהליכים גרעיניים שדורשים כמות גדולה של אנרגיה עשויים להתרחש.
התהליך המדויק של יצירת זהב ויסודות כבדים אחרים עדיין לא ברור די צורכו. נראה שהוא קשור ללכידת נייטרונים על ידי גרעינים כבדים. נייטרונים חופשיים בעלי אנרגיה גבוהה פוגעים בגרעינים כבדים ויוצרים איזוטופים של יסודות כבדים יותר. תוך זמן קצר האיזוטופים הללו עוברים דעיכה רדיואקטיבית עד שהם הופכים לאיזוטופים יציבים. בתהליך כזה המכונה r-process, או בתהליכים גרעיניים דומים, נוצרו כנראה כל היסודות הכבדים. מה שאומר שמערכת השמש שלנו היא בוודאות דור שני לפחות של כוכבים, ומקורו של החומר המרכיב אותה הגיע מכוכב מסיבי מאוד שעבר סופרנובה.
בשיטה דומה ניתן לייצר זהב על פני כדור הארץ. לשם כך דרוש מתקן המיועד לניסויים גרעיניים - כור גרעיני או מאיץ חלקיקים. ניסויים כאלו אכן נערכו וב-1941 נוצרו לראשונה באופן מלאכותי איזוטופים של זהב על ידי הפגזת כספית בנייטרונים, אלא שאלו היו איזוטופים רדיואקטיביים קצרי חיים שדעכו חזרה לכספית תוך מספר ימים. יצירת זהב יציב היא משימה קשה יותר. נטען שגלן סיבורג ועמיתיו הצליחו לייצר זהב יציב מביסמוט ב-1980 במאיץ חלקיקים אמריקאי, וייתכן שהרוסים הקדימו אותו בכמה שנים ועשו זאת כבר ב-1972.
 |
| מאיץ החלקיקים ב-Lawrence Berkeley National Laboratory שבו הצליח גלן סיבורג לייצר זהב מביסמוט ב-1980. מקור: LBNL Image Library |
בכל אופן, השיטה הזו לייצור זהב יקרה מאוד ורחוקה מלהיות משתלמת מבחינה כלכלית. עם זאת, ייתכן שיגיע היום בו מחיר חציבת הזהב יעלה באופן ניכר, ואילו עלות הפקתו בכורים גרעיניים ובמאיצי חלקיקים תרד, ואז נוכל להגשים את חלומם של האלכימאים לייצר זהב ממתכות זולות באופן שוטף.
