“上帝之杖”的主构成元素,缘自科学家们的接力发现!

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-06-19

“上帝之杖”不是电影《哈利·波特》中巫师那条无所不能的魔杖,而是美国航空航天局正在研制的动能武器系统。

“上帝之杖”不是电影《哈利·波特》中巫师那条无所不能的魔杖,也与《射雕英雄传》“江南七怪”老大柯镇恶手中惩奸除恶的铁杖毫不沾边,而是美国航空航天局正在研制的动能武器系统。它的全名为上帝之杵天基动能武器系统,该系统由一颗卫星搭载名为“上帝之杖”的金属棒,从遥远的太空发射,依靠动能来对地球上的任何地区进行精准性毁灭,其攻击能力强大、打击范围广,骇人听闻。此系统攻击目标时绿色环保且无核污染,未来可代替核武器。

“上帝之杖”的主构成元素,缘自科学家们的接力发现!

“上帝之杖”升空模拍图。(来源于网络)

直径0.3米、长约6米、重达数十吨的“上帝之杖”主要是什么元素构成的?它经过大气层时为何能承受住与大气摩擦的上千度高温呢?它又是怎么被科学家们发现的?……

回答这些问题前,不妨把视线拉回到两个多世纪前。

接力“揪”出它

“这石头怎么如此沉?里面如果是锡或锌的话应该很轻呀!”1758年,瑞典矿物学研究者克朗斯泰特手里掂着一块沉甸甸的白色矿石,不禁喃喃自语。这些矿石是德国萨克森州厄尔士山脉的矿工们发现的,矿主认为这些石头可能会提炼出锌或锡,便寄给当国科学院。克朗斯泰特另一身份是本国的著名化学家和社会学家,他与德国化学家交流时得到这些矿石,便带回国进行研究。

克朗斯泰特多次试验也没弄明白这是什么矿石。为了便于后人研究,他用瑞典文“tungsten”来命名这种既硬又重的矿石,并撰文发表,声称“tungsten”中含有未知元素。“tungsten”直译是“重石”,意即沉重的石头。

“上帝之杖”的主构成元素,缘自科学家们的接力发现!

白钨矿(来源于网络)

转眼到了1781年。瑞典化学家舍勒读到克朗斯泰特的论文后,从本国找来白色的重石,反复进行实验,看到底里面有没有未知元素。他用碳酸钾与重石共熔,再添加硝酸,得到一种黄色的粉状固体。他与同为化学家的朋友贝格曼商量后,把这种粉状固体称为“tungsticacid”。由此,舍勒得到两个结论:一是重石中不含锡或锌,二是将“tungsticacid”还原后可得到未知的高硬度金属。这种金属就是“tungsten”。

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化学家舍勒(来源于网络)

事情还没结束。2年后,西班牙两位研究矿石的兄弟对一种叫“狼泡”的矿石产生了浓厚的兴趣。胡塞•德鲁亚尔和浮士图•德鲁亚尔兄弟是瑞典乌布萨拉大学贝格曼教授的学生,曾听老师谈过舍勒分析重石的实验。贝格曼教授鼓励他们要另辟蹊径进行科学研究,即使大师舍勒研究过的也不放过。

德鲁亚尔兄弟于是将“狼泡”和木炭粉末组成的混合物用高温进行灼烧,灼烧结束冷却后生成一种黑褐色的金属颗粒。进一步实验,他们发现这种金属颗粒既坚硬密度又大。德鲁亚尔兄弟用“狼泡”的英文“wolfram”来命名这种金属元素,化学简称为“W”。若干年后的1870年,清末科学家徐寿等编写《化学材料中西名目表》时,以“汉语固有旧字赋予新义”的原则,把“wolfram”翻译成钨。自此,钨终于走进世人视线。

“上帝之杖”的主构成元素,缘自科学家们的接力发现!

黑钨矿(来源于网络)

值得一提的是,接力“揪”钨的科学家们研究的石头,正是钨在自然界主要存在的两种矿石:克朗斯泰特、舍勒所研究的是白钨矿,主要成分是钨酸钙,西方人把这种矿石称为“Scheelite”,汉译为舍勒矿;德鲁亚尔兄弟所研究的是黑钨矿,又叫钨锰铁矿,主要成分是钨酸锰铁。作为一种亲石元素,钨在地壳中含量极少,只有约百万分之一。

“烈火金刚”大显身手

话说德鲁亚尔兄弟用碳还原三氧化钨得到钨粉后一百多年里,人们并没认识到钨的重要性。历史进入1880年,“发明大王”爱迪生为研制灯泡,做过1600种不同的试验后终做成竹丝电灯。这种电灯寿命虽有几百小时,但显然不能满足人类的生活和工作需求。30年后,美国科学家库里奇在实验中发现钨的熔点高达3400多度,且升华速度很慢,可谓是灯丝的不二之选。他制作出了可延长的钨丝,并研制出钨丝灯泡。这种平均寿命达1500小时,售价也不高的灯泡很受市民欢迎。1914年全世界8850万只灯泡中,钨丝灯占了70%;1945年全世界7.95亿只灯泡中,钨丝灯泡已占96%以上。这种情况持续到21世纪初,直到它被节能灯取代。

“上帝之杖”的主构成元素,缘自科学家们的接力发现!

钨丝灯泡(来源于网络)

科学家们进一步研究,确定钨有以下优点,一是它是熔点最高的天然金属,是当之无愧的“烈火金刚”;二是密度超高、硬度超高、抗腐蚀性超强、沸点超高。20世纪30年代,具有如许优点的钨作为钢的添加剂用于治金工业,占了整个市场的50%左右。在钢中加入9%-17%的钨制成钨钢后,硬度更高,可用于现代工业中的金属切割或切削;在钨钢中加入铬、钴等元素后,可制成比钨钢硬度更高、更能耐高温的合金。由此,钨逐步被应用于天然气、矿业、金属加工、重型制造业等领域。

20世纪70年代起,“烈火金刚”钨在航空航天上大显身手,主要用作飞船、航母等的制造原料。各国政府认识到钨的重要性,纷纷把钨纳入本国的战略金属之列。美国、英国等国家的钨需求总量,占世界钨总量的 60%以上,且大多从国外进口。作为世界上最大的钨供应国,中国的钨含量较丰,产地主要在江西大庾山等。

“上帝之杖”的主构成元素,缘自科学家们的接力发现!

高精度钨钢打磨头。(来源于网络)

20世纪80年代,极端重视储备战略金属的美国政府,从增强本国军事力量的角度出发,产生了研制“上帝之杖”的构想,并计划在2025年前完成部署。“上帝之杖”主要由钨为主的战略金属制成,几分钟内依靠卫星制导对地球上任何地区的目标进行打击。

这种构想已被不少科学家和科普作家所接受,并演绎到影视作品中。科幻电影《特种部队2》里,美国科学家就设想了一种类似“上帝之杖”的太空武器并付诸实践:将一根重达几十吨的钨棒运至太空里的人造卫星,让它自由落体,如此轻松地毁灭了伦敦市区。

电影播放的情节完全符合科学原理,一是“烈火金刚”组成的金属棒经过大气层时可以承受摩擦产生的高温,不被熔化掉;二是它非常重,从距离地面1000公里的太空倾泻而下的时速可达上万公里,高速产生的重力足以让伦敦市区所在的地面结构发生变化而导致塌陷。

当然,尽管“上帝之杖”如此威风,但把它当作类似核武器一样的威慑性武器,这应该不是当初接力发现钨的科学家们的初衷!


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【参考资料】

1、 论文《钨在化工领域中的应用现状和发展前景》,作者姜恒,《中国钨业》2012年2月刊。

2、 论文《汉字“钨”的发明人李国钦》,《百年潮》2001年笫12期。

3、 论文《白炽灯的诞生史》,未来科学网等。


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