火星车为何能一跑十年？多亏了电池里有它

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

“好奇号”火星探测车，图片来源：NASA

　　撰文 | 李研

　　责编 | 吕浩然

　　宇宙浩瀚，星汉灿烂。几千年来，人们一直对地球之外的世界充满了好奇。随着二十世纪中叶航天技术的兴起和不断发展，人类探索太空的脚步也越迈越远。

　　这其中，动力系统是航天探测器的关键组件。我们开着电动汽车行驶在平坦的公路上，如果不充电，只能走几百公里。然而，10年前成功着陆火星的“好奇号”火星探测车，至今仍在崎岖不平的火星表面顺利运行着。“好奇号”重约900公斤，上面搭载有多台仪器，但却看不到我们熟悉的太阳能电池板。探测车行走时，会消耗大量能量，既然化学电池无法满足这么长时间的用电需求，又没有太阳能助力，那么它的动力来源是什么呢？

　　让我们带着这个问题，了解一种非常稀有的化学元素——碲。

　　“最不容易折寿”的放射性同位素

　　碲的元素符号是Te，在元素周期表中属ⅥA族，跟氧、硫同族，原子序数52，原子质量127.6。理论上，碲位于周期表中位于金属和非金属元素的交界处，理论上属于非金属，但单质却有着酷似金属的外观，是一种重要的半导体材料。

　　黄色折线为金属和非金属元素的分界，灰色高亮区域的硼、硅、锗、砷、锑、碲等元素，性质介于金属与非金属之间，常被称为类金属（Metalloid）；左上角为一个直径3.5 cm的碲币，图片来源：Wikipedia

　　除了兼具金属和非金属的特性外，碲还有一些不平常的地方。例如，它的原子量比原子序数排在其后的碘还要大。碲的原子量是127.6，而碘只有126.9。之所以出现这种“颠倒”的现象，是由于同位素丰度差别的缘故。

　　自然界中存在的碲，稳定的同位素（主要为126Te）只占三分之一，另外三分之二主要是质量数更大的放射性同位素128Te和130Te。这听起来有些骇人，碲很危险吗？实际上，碲的放射性同位素虽然占比很高，但它们的半衰期却长得惊人。其中130Te为8.2 × 1020年，而128Te的半衰期更是高达2.2 × 1024年，是所有元素的放射性同位素中“最不容易折寿”的。按照半衰期推算，1克纯的128Te经过600多年，才会有一个原子的128Te发生衰变。所以天然碲矿石的放射性非常微弱，不会对人造成辐射损害。

　　各种元素在地壳中的含量：我们可以在黄色“最稀有元素“的区域找到像铂（Pt）和金（Au）这样的“贵金属”元素，而碲作为唯一的“非金属”也在其中。图片来源：Wikipedia

　　在浩瀚宇宙中，碲并不罕见，但在地球上，碲意外的与很多贵金属一样成为十分稀有的固体元素，地壳中约十亿个原子里才有一个碲原子。究其原因，人们推测在地球形成初期，缺少氧气和水的情况下，碲会与自由氢结合，形成易挥发的碲化氢（H2Te）气体，从而使大量碲元素离开地球表面进入太空。因为同样原因被损耗的，还有与碲同族的硒元素（Se）。所以，它们在地壳中的含量比元素周期表中的左邻右舍都要明显低很多，且碲的单质矿藏极难找到。然而，碲的发现时间却并不算晚，这要归功于弗朗茨-约瑟夫·穆勒（Franz-Joseph Müller），一位奥地利矿物学家。

　　被尘封的论文

　　1782年，穆勒正担任奥地利特兰西瓦尼亚地区（Transylvania，现属于罗马尼亚）的矿场监督官，他得到了一种独特的矿石。这种矿石外表大部分是银灰色的，间或掺杂有一些金黄，其中银灰色部分与锑看起来很像，所以在当时也被称为“锑金”（antimonalischer Goldkies）。

　　一块碲金（sylvanite）矿石，图片来源：fabreminerals.com

　　穆勒没有“以貌取石”，而是把矿石带回实验室进行了研究。他发现，加热矿石中银灰色部分，会生成一种带有臭萝卜味的白烟。它还可以跟硫酸反应生成红色溶液，溶于水后又得到黑色沉淀，而这些都与锑的化学性质大相径庭。因此，穆勒提出：矿石中很可能含有金和另一种未知金属，而且这种新物质似乎同时具有金属和非金属特性。例如，它具有金属的光泽，但在常温下质地却很脆，所以他称这种新物质为“aurum paradoxum”，意思是“反常/不合逻辑的金（元素）”。

　　1783年，穆勒将他对“反常金属“的大量观察和实验整理成了多篇论文，只可惜，他将这些论文都发表在了一本名不见经传的德文科学期刊上。如果放到现在，即使没什么影响力的期刊，内容至少也能在网上检索到。但在200多年前，期刊没选对，论文可能真就进了故纸堆。因为期刊太小众，他的文章发表后几乎无人问津。