你可能不知道它，但肯定听说过人类历史上第一颗原子弹
1945年7月16日，世界第一颗原子在美国新墨西哥州阿拉莫戈多附近的沙漠试爆成功，图为核弹引爆后数十秒后的照片。图源：wikipedia
导读：
2月28日，以色列宣布对伊朗发动“先发制人的打击”。而在本周四，伊朗与美国在瑞士日内瓦举行第三轮间接谈判，核问题是谈判焦点，其中浓缩铀问题更是引发重点关注。
今天，浓缩铀几乎成为核议题的代名词。然而，一个常被忽略的历史事实是：人类历史上第一颗成功试爆的核弹，其核心材料并非铀，而是钚(读作：bù)。钚是人类进入原子时代之后才被大量制造出来的元素。它的知名度虽不如铀，却至关重要。在制造核武器之外，我们更应看到，它是未来人类探索宇宙不可或缺的能量之源。
李研｜撰文
20世纪30年代末，战争阴云笼罩着欧洲，一场世界大战一触即发。就在各国加紧军备之际，纳粹统治下的德国科学家奥托·哈恩（otto hahn）宣布了一项震惊科学界的发现。
当时科学家普遍认为，放射性元素的衰变只会释放电子、质子或氦核等微小粒子，因此重元素仅会发生轻微的质量变化，并转变为元素周期表中与之相近的元素。然而，当哈恩以中子轰击当时已知原子序数最大的铀（u）原子时，却出乎意料地在衰变产物中检测到了钡（ba）的存在。钡的原子序数仅为56，远低于铀，这意味着铀原子发生了彻底的分裂。
难道原子核真的会一分为二？这一反常现象让哈恩困惑不已。最终，谜题由他昔日的长期ag凯发真人的合作伙伴、犹太裔物理学家莉泽·迈特纳（lise meitner）通过关键的理论计算破解。迈特纳曾与哈恩在1918年共同发现镤元素（pa），彼时正因纳粹的迫害流亡瑞典。她以精确的计算证实了哈恩亲眼所见却难以相信的事实。
进一步研究表明，含有过量中子的重铀原子在裂变时，不仅会分裂成两个较轻的原子核，还可能释放出新的中子，进而引发链式反应。更重要的是，这一过程将释放出规模远超普通化学反应的巨大能量。例如，1千克 铀-235裂变产生的能量，就约相当于燃烧1千克煤产生能量的250万倍。
原子核裂变现象一经宣布，立即引发全球科学界的高度重视。
美国物理学家埃德温·麦克米伦（edwin mcmillan）在劳伦斯伯克利国家实验室开展相关实验。在用慢中子轰击铀的过程中，他不仅观察到哈恩所报告的核裂变产物，还敏锐地指出：并非所有铀原子都会发生裂变，其中一部分可能仅吸收中子，从而转变为原子量更大的新元素。这一假说最终得到了实验验证，其研究团队成功分离出与铀性质相近的93号元素。长久以来，原子序数92的铀一直被视为最重的已知元素，而这一发现突破了元素周期表的既有上限。相关成果于1940年发表在《物理评论》（physical review）上。
几乎在同一时期，日本物理学家仁科芳雄与化学家木村建次郎利用理化研究所（riken）的回旋加速器也开展过类似的实验。然而，由于当时“锕系元素”的概念尚未确立，他们误认为第93号元素在周期表中属于第7族，因而选择与其化学性质相近的铼（re）作为载体进行分离。正是这一误判，导致他们未能实现新元素与铀的有效分离，从而与发现第93号元素失之交臂。
1940年，美国尚未正式卷入二战，而欧洲战场已是硝烟弥漫。科学界此时已意识到铀核裂变所蕴含的巨大能量，但制造“原子弹”面临着一个关键难题：铀235在天然铀矿石中只占0.7%，剩下的99.3%是不易裂变的铀238，同位素之间的分离相当困难。在这一背景下，新元素的发现可能为原子弹提供另一种技术路径，因而具有重要的军事战略价值。为此，英国方面曾试图封锁93号元素的相关消息。但讽刺的是，在战火纷飞中真正被成功保守的秘密，竟然只是这个新元素的名字。由于该元素在周期表中紧随以天王星（uranus）命名的“铀”（uranium）之后，麦克米伦将其命名为“镎”（neptunium, np），对应海王星（neptune）。这一命名并未在1940年的《物理评论》上披露，直至战后才逐渐为世人所知。
麦克米伦获得的镎-239很不稳定，半衰期不到3天，难以实际应用，更不用说制造设想的“原子弹”了。参与英国核武器计划的埃贡·布雷彻（egon bretscher）在1940年预测，镎-239会继续衰变为元素序列中的下一位成员，即94号元素。而第94号元素的真正发现者，是麦克米伦的同事格伦·西奥多·西博格（glenn teodor sjöberg）。他在加州大学伯克利分校利用比中子更重的氘核轰击铀-238，成功从镎-238的衰变产物中分离出了第94号元素。
西博格曾一度认为，这是周期表中最后一个可能存在的元素，所以考虑过诸如“ultimium”（意为“终极”）或“extremium”（意为“极尽”）等名称。不过，由于之前第92号元素“铀”得名自天王星（uranus），第93号元素“镎”以海王星（neptune）命名，第94号元素最终顺理成章地以当时仍被视作行星的冥王星（pluto）为基础，被命名为“钚”（plutonium），简称pu。
钚是自然界存在的元素中原子序数最高者。在天然铀矿中，铀-238原子捕获其他铀原子衰变释放的中子时，也会产生极微量的钚-239。钚-239的半衰期长达两万多年，相对镎-239稳定的多，人们预测它或许是实现链式反应的关键材料。
这样一种独特元素的发现，本应引发科学家们广泛关注，对其特性进行全方面的研究，但由于美国很快也卷入二战，并全面启动了研发核武器的曼哈顿计划，钚元素的研究也迅速转入了高度机密的军事轨道。制造出足够原子弹爆炸量的钚材料，成为当时科学家唯一关心的目标。
西博格领导的研究团队，是战时唯一知晓94号元素存在的科研团队，推动以该元素制造原子弹的重任自然落在他们的肩上。
1942年12月，在恩里科·费米（enrico fermi）的领导下，芝加哥大学建成世界上第一座核反应堆。西博格的实验室也从加州伯克利搬到芝加哥，并被赋予一个低调而隐晦的名称——“冶金实验室”（metallurgical laboratory），以掩藏其真实的目的。钚元素的名称也被刻意隐藏。起初，人们用"94号"代替，但由于这个代号显然过于直白，很容易被人猜到。于是化学家们突发奇想改用"铜"作为这个新元素的代号。这个称呼原本相安无事，直到某次实验真的需要使用铜材料，人们又不得不将真正的铜称为"货真价实的铜"（honest-to-god copper），以避免混淆。
1944年，美国又在靠近华盛顿州里奇兰的汉福德区建造了b反应堆 （b reactor），主要目的是通过中子活化方式将天然铀转化为钚。如果只是合成微量的钚元素，风险并不大，但随着实验规模达到宏观量级，西博格的团队不得不面对强电离辐射的威胁，简陋的实验室根本不具备防护条件。然而，这些科学家自有对策。他们将新制的钚料装入铅桶，用长杆和铅衬手套抬着穿过街道，转移到一个露天的阳台。众人躲在一堵墙后，透过墙洞观测样品。西博格晚年追忆这段经历时感叹："天哪，现在回想起来，那方法真是原始得可以。"
原始归原始，他们的实验最终证明钚和铀一样适合制造核弹。
1945年7月16日，被严格保密的94号元素，以极震撼的方式宣告了自己的存在：世界上首枚原子弹在美国阿拉莫戈多（alamogordo）的荒漠被引爆，其核心正是钚燃料。核爆炸产生的高温，致使现场一座30米高的铁塔化为乌有，并在地面上形成一个巨大的弹坑。
即使是那些亲身参与核试验的科学家们，或许也未曾料到，仅三周后整个世界都将认识“钚”：1945年8月12日，美军将一枚代号为“胖子”的同型核弹投向日本长崎，让整座城市瞬间化为炼狱。
钚元素所吞噬的生命，不仅有长崎的居民，还有几位追求核能奥秘的科学家。
其中，24岁的哈里·达格利恩（haroutune daghlian jr.）致力于通过中子反射技术，将逸散的能量回馈至钚核心，以期降低核弹的临界质量需求。1945年8月的一个深夜，他在无人协助的情况下进行实验。当他将最后一块碳化钨反射砖移向装置时，中子计数器突然发出刺耳警报。数据显示，这块砖一旦就位，系统将立刻进入超临界状态。就在他抽回手臂的瞬间，砖块意外坠落至装置中心，导致核反应瞬间突破临界点，刹那间，实验室充满了灼热的气浪、诡谲的蓝光与致命的伽马射线。为阻止持续链式反应，达格利恩不得不徒手拆解滚烫的碳化钨堆叠结构。
尽管医疗团队火速展开救治，但面对人类史上罕见的严重辐射伤害，所有努力终是徒劳。在经历辐射病带来的剧痛与衰竭后，他陷入深度昏迷。在那块砖从他手中滑落的25天后，这位年轻的核物理学家永远闭上了眼睛。
这起悲剧促使曼哈顿计划全面修订安全规程。新规程不仅要求此类实验必须两人以上协同操作，还强制要求配备声光双重报警的中子监测系统。然而，这些制度防线未能阻挡第二年再次发生的灾难。1946年，达格利恩的同事路易斯·斯洛廷（louis slotin）使用同一枚钚核心进行临界实验时，螺丝刀意外滑脱，再次引发了临界状态。危急时刻，斯洛廷本能地掰开了即将闭合的钚半球，阻断了链式反应，但九天后同样死于急性辐射病。这枚连续夺走两条科学家生命的钚球，从此被实验室人员称作“恶魔核心”。
与其他重元素类似，钚也拥有多种同位素。它们的差异，源自原子核中的中子数目不同。在钚的众多同位素中，除了二战时用到的钚-239，其他很多同位素经过特定组合，也同样具备实现核链式反应的潜力。然而，在钚的“家族”中，有一个成员却显得与众不同，用途也与“兄弟”们有天壤之别。那便是钚-238。
钚-238不属于易裂变核素，因此既不能用于制造核武器，也无法作为核电站反应堆的燃料，但它可通过α衰变转化为铀-234，并在此过程中持续释放出可观的热量。每次α衰变释放的能量超过5.5 兆电子伏，仅巴掌大小的一块钚-238，就足以自发升温至五六百摄氏度，从而发出炽热的红光。
热量意味着能源，而α衰变释放的氦核又极易被屏蔽。于是，科学家借助可将热能转化为电能的热电材料，就可以制成放射性同位素热电发生器（rtg），充分利用这块奇特“热石头”所释放的能量。
早在1959年，类似rtg的装置就已问世，不过当时使用的是钋-210。钋-210同样发生易于屏蔽的α衰变，但半衰期仅为138天；相比之下，钚-238的半衰期长达88年，这使其成为远比钋-210持久的稳定热源。
日常生活中，以放射性元素为核心的发电装置并不多见，但在远离太阳的深空，太阳能电池板黯然失色，化学电池也难以为继，rtg 成为唯一可靠的能源，可为深空探测器提供数十年如一日的稳定电力。无论是第一个飞出太阳系的旅行者1号探测器，还是已在火星上漫步13年的好奇号火星车，无不是依靠这颗沉默而炽热的“核能心脏”在持续运转。
值得一提的是，2015年飞抵冥王星的新视野号（new horizons）深空探测器，也是由10.9千克钚-238氧化物驱动。要知道，钚的名称“plutonium”正是来源自冥王星（pluto），而借助源自冥王星之名的元素，人类探测器才得以抵达太阳系的边缘。在众多以天体命名的元素中，这是一段独属于钚的太空传奇。
根据国际易裂变材料专家组2015年的统计，全球钚库存总量约500吨。这些钚主要来自两大部分：核电站反应堆卸出的乏燃料，以及冷战时期核军备竞赛产生的历史遗留。由于20世纪五六十年代密集的核武器试验，还有约数吨的钚被释放到地球生物圈中，成为至今难以消弭的环境印记。
国际原子能机构的评估指出，仅需8千克钚（这一数值已计入武器制造过程中不可避免的材料损耗），就足以制造一枚二战时在长崎投放的核弹。用这个标准衡量，现有钚的库存足够制备6万多枚同型核弹头。
然而，与之形成鲜明对比的是，深空探测所需的高纯度钚-238同位素极为稀缺。这种特殊的同位素无法从乏燃料中直接提取，也难以大规模生产。在美国，冷战时期用于生产核武器的萨凡纳河（savannah river）基地曾同时承担钚-238的制备，其生产工艺主要是先从核反应堆乏燃料提取镎-237，然后再通过中子活化镎-237获得钚-238，之后还需经过化学处理进行提纯。1988年萨凡纳河基地停产之后，美国航天器所需的钚-238一度完全依赖从俄罗斯进口。目前，为支持nasa的深空探测任务，美国已重启钚-238的本土生产工作，预计在2026年达到每年1.6公斤的产量。
钚，既是危险的化身，也是能量的源泉。从实验室的隐秘研制，到长崎上空的蘑菇云，它曾以毁灭性的力量昭示战争的残酷。在后来的岁月里，它同样推动着人类迈向星辰的征途，为深空探测器提供穿越数十年孤寂旅程的动力。未来，我们如何选择与使用这一元素，将成为对人类责任与远见的持久考验。
作者简介：
李研，化学博士，赛先生专栏作家。目前担任cell press旗下matter&light 和 matter期刊的科学编辑。
参考文献：
