1945年7月16日，宇宙第一颗原子在好意思国新墨西哥州阿拉莫戈多隔壁的沙漠试爆成效，图为核弹引爆后数十秒后的相片。图源：Wikipedia

一分为二的原子核

20世纪30年代末，接触阴云笼罩着欧洲，一场宇宙大战一触即发。就在列国加紧武备之际，纳粹统领下的德国科学家奥托·哈恩（Otto Hahn）通告了一项恐慌科学界的发现。

其时科学家宽敞以为，辐照性元素的衰变只会开释电子、质子或氦核等眇小粒子，因此重元素仅会发生细微的质地变化，并改造为元素周期表中与之临近的元素。关连词，当哈恩以中子轰击其时已知原子序数最大的铀（U）原子时，却出乎料念念地在衰变产品中检测到了钡（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绝对的别离。

难谈原子核真的会一分为二？这一反常征象让哈恩困惑不已。最终，谜题由他以前的持久妥洽伙伴、犹太裔物理学家莉泽·迈特纳（Lise Meitner）通过要道的表面计较破解。迈特纳曾与哈恩在1918年共同发现镤元素（Pa），彼时正因纳粹的破坏流一火瑞典。她以精准的计较说明了哈恩亲眼所见却难以深信的事实。

奥托·哈恩（左）与莉泽·迈特纳（右）。图源：Wikipedia

进一步规划标明，含有过量中子的重铀原子在裂变时，不仅会别离成两个较轻的原子核，还可能开释出新的中子，进而激发链式响应。更迫切的是，这一流程将开释出领域远超平日化学响应的弘大能量。举例，1千克 铀-235裂变产生的能量，就约格外于澌灭1千克煤产生能量的250万倍。

铀-235核裂变流程：当一个慢中子撞击铀-235原子核时，它会被招揽并酿成一个不自如的铀-236原子核。然后，铀-236原子核连忙裂变成两个较小的原子核，同期开释出几个中子以及能量。图源: 参考文件4

比铀更重的元素

原子核裂变征象照旧通告，立即激发民众科学界的高度赞佩。

好意思国物理学家埃德温·麦克米伦（Edwin McMillan）在劳伦斯伯克利国度试验室开展有关试验。在用慢中子轰击铀的流程中，他不仅不雅察到哈恩所敷陈的核裂变产品，还机敏地指出：并非扫数铀原子齐会发生裂变，其中一部分可能仅招揽中子，从而改造为原子量更大的新元素。这一假说最终得到了试验考证，其规划团队成效分离出与铀性质临近的93号元素。永久以来，原子序数92的铀一直被视为最重的已知元素，而这一发现冲破了元素周期表的既有上限。有关着力于1940年发表在《物理批驳》（Physical Review）上。

麦克米伦与菲利普·埃布尔森（Philip Hauge Abelson)于1940年在Physical Review上长入发表了对于93号元素发现的论文。其中，埃布尔森自后在1962至1984年间持久担任Science期刊主编。

险些在合并期间，日本物理学家仁科芳雄与化学家木村建次郎行使理化规划所（RIKEN）的回旋加快器也开展过近似的试验。关连词，由于其时“锕系元素”的办法尚未配置，他们误以为第93号元素在周期表中属于第7族，因而接管与其化学性质临近的铼（Re）行动载体进行分离。恰是这一误判，导致他们未能罢了新元素与铀的灵验分离，从而与发现第93号元旧交臂失之。

1940年，好意思国尚未精良卷入二战，而欧洲战场已是硝烟弥散。科学界此时已意志到铀核裂变所蕴含的弘大能量，但制造“原枪弹”濒临着一个要道难题：铀235在自然铀矿石中只占0.7%，剩下的99.3%是不易裂变的铀238，同位素之间的分离格外不毛。在这一布景下，新元素的发现可能为原枪弹提供另一种本阐明径，因而具有迫切的军事政策价值。为此，英国方面曾试图阻滞93号元素的有关音书。但调侃的是，在炮火连天中实在被成效保守的微妙，居然仅仅这个新元素的名字。由于该元素在周期表中紧随以天王星（Uranus）定名的“铀”（Uranium）之后，麦克米伦将其定名为“镎”（Neptunium， Np），对应海王星（Neptune）。这一定名并未在1940年的《物理批驳》上线路，直至战后才渐渐为众东谈主所知。

麦克米伦取得的镎-239很不自如，半衰期不到3天，难以内容应用，更毋庸说制造设念念的“原枪弹”了。参与英国核刀兵打算的埃贡·布雷彻（Egon Bretscher）在1940年预测，镎-239会络续衰变为元素序列中的下一位成员，即94号元素。而第94号元素的实在发现者，是麦克米伦的共事格伦·西奥多·西博格（Glenn Teodor Sjöberg）。他在加州大学伯克利分校行使比中子更重的氘核轰击铀-238，成效从镎-238的衰变产品均分离出了第94号元素。

西博格曾一度以为，这是周期表中临了一个可能存在的元素，是以筹商过诸如“Ultimium”（意为“终极”）或“Extremium”（意为“极尽”）等称呼。不外，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）定名，第94号元素最终振振有词地以其时仍被视作行星的冥王星（Pluto）为基础，被定名为“钚”（Plutonium），简称Pu。

格伦·西奥多·西博格领先发现了钚。1951年，他因对“超铀元素”的孝敬而荣获诺贝尔化学奖。图源：Wikipedia

第一颗原枪弹

钚是当然界存在的元素华夏子序数最高者。在自然铀矿中，铀-238原子拿获其他铀原子衰变开释的中子时，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自如的多，东谈主们预测它大概是罢了链式响应的要道材料。

这么一种特有元素的发现，本应激发科学家们芜俚关注，对其特点进行全方面的规划，但由于好意思国很快也卷入二战，并全面启动了研发核刀兵的曼哈顿打算，钚元素的规划也连忙转入了高度神秘的军事轨谈。制造出填塞原枪弹爆炸量的钚材料，成为其时科学家惟一暖和的方针。

西博格疏通的规划团队，是战时惟一线路94号元素存在的科研团队，鼓舞以该元素制造原枪弹的重担当然落在他们的肩上。

1942年12月，在恩里科·费米（Enrico Fermi）的疏通下，芝加哥大学建成宇宙上第一座核响应堆。西博格的试验室也从加州伯克利搬到芝加哥，并被赋予一个低调而迷糊的称呼——“冶金试验室”（Metallurgical Laboratory），以掩蔽其实在的主义。钚元素的称呼也被刻意笼罩。最先，东谈主们用"94号"代替，但由于这个代号光显过于直白，很容易被东谈主猜到。于是化学家们突发奇念念改用"铜"行动这个新元素的代号。这个称呼本来排艰深纷，直到某次试验真的需要使用铜材料，东谈主们又不得不将实在的铜称为"真材实料的铜"（Honest-to-God copper），以幸免掌握。

汉福德B响应堆是民众首座工业化领域的核材料分娩响应堆，二战期间在此分娩出了填塞制造核弹的钚材料。图源: 参考文件7

1944年，好意思国又在贯串华盛顿乡镇奇兰的汉福德区建造了B响应堆 （B Reactor），主要主义是通过中子活化面容将自然铀改造为钚。如果仅仅合成微量的钚元素，风险并不大，但跟着试验领域达到宏不雅量级，西博格的团队不得不面对强电离辐射的恫吓，约略的试验室根柢不具备驻守条款。关连词，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谈，纰谬到一个露天的阳台。众东谈主躲在一堵墙后，透过墙洞不雅测样品。西博格晚年岁念这段阅历时齰舌："天哪，咫尺回念念起来，那设施果真原始得不错。"

原始归原始，kaiyunsports他们的试验最终解说钚和铀一样妥当制造核弹。

1945年7月16日，被严格守密的94号元素，以极颤动的面容宣告了我方的存在：宇宙上首枚原枪弹在好意思国阿拉莫戈多（Alamogordo）的荒废被引爆，其中枢恰是钚燃料。核爆炸产生的高温，以至现场一座30米高的铁塔化为虚伪，并在大地上酿成一个弘大的弹坑。

1945年8月12日摧毁长崎的钚弹外不雅过甚引爆机理。钚弹的中枢是一个包裹着铍（Be）的钚-239空腹球体。通过引爆周围的惯例火药，将其连忙压缩达到核爆炸所需的临界质地。图源：参考文件4

即使是那些躬行参与核教学的科学家们，大概也未尝意想，仅三周后通盘宇宙齐将相识“钚”：1945年8月12日，好意思军将一枚代号为“胖子”的同型核弹投向日本长崎，让整座城市转眼化为真金不怕火狱。

1945年投于日本长崎市的钚弹爆炸场景。

“恶魔中枢”

钚元素所并吞的生命，不仅有长崎的住户，还有几位追求核能神秘的科学家。

其中，24岁的哈里·达格利恩（Haroutune Daghlian Jr.）接力于于通过中子反射本领，将逸散的能量回馈至钚中枢，以期裁减核弹的临界质地需求。1945年8月的一个深夜，他在无东谈主协助的情况下进行试验。当他将临了一块碳化钨反射砖移向安装时，中子计数器遽然发出逆耳警报。数据潜入，这块砖一朝就位，系统将坐窝参预超临界景况。就在他抽回手臂的转眼，砖块未必陨落至安装中心，导致核响应转眼冲破临界点，一刹那，试验室充满了灼热的气浪、诡谲的蓝光与致命的伽马射线。为壅塞握续链式响应，达格利恩不得不徒手拆解滚热的碳化钨堆叠结构。

图中场景再现了达格利安1945年的试验：一个钚球被碳化钨中子反射砖块所包围。图源：https://en.wikipedia.org/wiki/Harry_Daghlian

尽管医疗团队火速伸开救治，但面对东谈主类史上荒僻的严重辐射伤害，扫数致力于终是枉费。在阅历辐射病带来的剧痛与浮泛后，他堕入深度眩晕。在那块砖从他手中滑落的25天后，这位年青的核物理学家恒久闭上了眼睛。

这起悲催促使曼哈顿打算全面改造安全规程。新规程不仅要求此类试验必须两东谈主以上协同操作，还强制要求配备声光双重报警的中子监测系统。关连词，这些轨制防地未能违犯第二年再次发生的横祸。1946年，达格利恩的共事路易斯·斯洛廷（Louis Slotin）使用合并枚钚中枢进行临界试验时，螺丝刀未必滑脱，再次激发了临界景况。危险时刻，斯洛廷本能地掰开了行将闭合的钚半球，阻断了链式响应，但九天后相通死于急性辐射病。这枚畅达夺走两条科学家生命的钚球，从此被试验室东谈主员称作“恶魔中枢”。

“核能腹黑”

与其他重元素近似，钚也领有多种同位素。它们的各异，源自原子核中的中子数量不同。在钚的繁多同位素中，除了二战时用到的钚-239，其他许多同位素经过特定组合，也相通具备罢了核链式响应的后劲。关连词，在钚的“家眷”中，有一个成员却显得不落俗套，用途也与“昆仲”们有一丈差九尺。那就是钚-238。

钚-238不属于易裂变核素，因此既弗成用于制造核刀兵，也无法行动核电站响应堆的燃料，但它可通过α衰变改造为铀-234，并在此流程中握续开释出可不雅的热量。每次α衰变开释的能量跳动5.5 兆电子伏，仅巴掌大小的一块钚-238，就足以自觉升温至五六百摄氏度，从而发出酷热的红光。

钚-238的α衰变暗示图。 图源：NASA

因衰变产热而发光的钚-238氧化物（238PuO2）。图源：参考文件 9

热量意味着能源，而α衰变开释的氦核又极易被屏蔽。于是，科学家借助可将热能改造为电能的热电材料，就不错制成辐照性同位素热电发生器（RTG），充分行使这块奇特“热石头”所开释的能量。

早在1959年，近似RTG的安装就已问世，不外其时使用的是钋-210。钋-210相通发生易于屏蔽的α衰变，但半衰期仅为138天；比较之下，钚-238的半衰期长达88年，这使其成为远比钋-210握久的自如热源。

日常糊口中，以辐照性元素为中枢的发电安装并未几见，但在远隔太阳的深空，太阳能电板板格不相入，化学电板也难以为继，RTG 成为惟一可靠的能源，可为深空探伤器提供数十年如一日的自如电力。不管是第一个飞出太阳系的旅行者1号探伤器，如故已在火星上踱步13年的酷好号火星车，无不是依靠这颗千里默而酷热的“核能腹黑”在握续启动。

“酷好号”火星车和其同位素热电发生器(RTG)里面的构造图。图源： Wikipedia

值得一提的是，2015年飞抵冥王星的新视线号（New Horizons）深空探伤器，亦然由10.9千克钚-238氧化物驱动。要知谈，钚的称呼“Plutonium”恰是开首自冥王星（Pluto），而借助源自冥王星之名的元素，东谈主类探伤器才得以抵达太阳系的边际。在繁多以天体定名的元素中，这是一段独属于钚的天际听说。

艺术家展现的新视线号飞跃冥王星过甚卫星。图源:NASA

证据海外易裂变材料内行组2015年的统计，民众钚库存总量约500吨。这些钚主要来自两大部分：核电站响应堆卸出的乏燃料，以及冷战期间核武备竞赛产生的历史留传。由于20世纪五六十年代密集的核刀兵教学，还有约数吨的钚被开释到地球生物圈中，成为于今难以消弭的环境印章。

海外原子能机构的评估指出，仅需8千克钚（这一数值已计入刀兵制造流程中不可幸免的材料损耗），就足以制造一枚二战时在长崎投放的核弹。用这个尺度臆度，现存钚的库存填塞制备6万多枚同型核弹头。

关连词，与之酿成昭彰对比的是，深空探伤所需的高纯度钚-238同位素极为稀缺。这种特别的同位素无法从乏燃料中班师索要，也难以大领域分娩。在好意思国，冷战期间用于分娩核刀兵的萨凡纳河（Savannah River）基地曾同期承担钚-238的制备，其分娩工艺主若是先从核响应堆乏燃料索要镎-237，然后再通过中子活化镎-237取得钚-238，之后还需经过化学照管进行提纯。1988年萨凡纳河基地停产之后，好意思国航天器所需的钚-238一度实足依赖从俄罗斯入口。咫尺，为提拔NASA的深空探伤任务，好意思国已重启钚-238的原土分娩使命，预计在2026年达到每年1.6公斤的产量。

位于好意思国南卡罗来纳州的萨凡纳河试验室，这里曾分娩巨额可用于核刀兵的钚材料。图源：wikipedia.org/wiki/Savannah_River_Site

钚，既是危险的化身，亦然能量的源流。从试验室的装扮研制，到长崎上空的蘑菇云，它曾以废弃性的力量明示接触的粗暴。在自后的岁月里，它相通鼓舞着东谈主类迈向星辰的征程，为深空探伤器提供穿越数十年落索旅程的能源。翌日，咱们何如接管与使用这一元素，将成为对东谈主类包袱与远见的握久锻练。

参考文件：

[1] Nuclear chain reaction: https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_chain_reaction

[2] Otto Hahn：https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_Hahn

[3] Lise Meitner: https://en.wikipedia.org/wiki/Lise_Meitner

[4] Chapter 20-4 transmutation-and-nuclear-energy: https://chem.libretexts.org/

[5] Ikeda， Nagao (25 July 2011). "The discoveries of uranium 237 and symmetric fission — From the archival papers of Nishina and Kimura". Proceedings of the Japan Academy， Series B: Physical and Biological Sciences. 87 (7): 371

[6] Glenn T. Seaborg， THE PLUTONIUM STORY， Actinides in Perspective， Pergamon， 1982， doi.org/10.1016/B978-0-08-029193-2.50006-7.

[7] B Reactor: https://en.wikipedia.org/wiki/B_Reactor

[8] Plutonium: https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/fuel-recycling/plutonium

[9] Plutonium-238：https://en.wikipedia.org/wiki/Plutonium-238

[10] 核电技俩中的钚分离——宇宙各地民用后照管的近况、问题及预测，海外易裂变材 料内行组：https://fissilematerials.org/library/rr14ch.pdf#page=11.37

[11] 民众钚库存情况溯源与简析， 中国核工业报

[12] Savannah River Site：https://en.wikipedia.org/wiki/Savannah_River_Site

[13] U.S. Department of Energy Completes Major Shipment of Plutonium-238 for NASA Missions. Energy.gov. July 18， 2023.

开首：赛先生

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