用冥王星命名的元素，不僅能制造原子彈，還能助推飛行器飛躍冥王星？

1945年7月16日，世界第一顆原子在美國新墨西哥州阿拉莫戈多附近的沙漠試爆成功，圖為核彈引爆后數十秒后的照片。圖源：Wikipedia

一分為二的原子核

20世紀30年代末，戰爭陰云籠罩著歐洲，一場世界大戰一觸即發。就在各國加緊軍備之際，納粹統治下的德國科學家奧托·哈恩（Otto Hahn）宣布了一項震驚科學界的發現。

當時科學家普遍認為，放射性元素的衰變只會釋放電子、質子或氦核等微小粒子，因此重元素僅會發生輕微的質量變化，并轉變為元素周期表中與之相近的元素。然而，當哈恩以中子轟擊當時已知原子序數最大的鈾（U）原子時，卻出乎意料地在衰變產物中檢測到了鋇（Ba）的存在。鋇的原子序數僅為56，遠低于鈾，這意味著鈾原子發生了徹底的分裂。

難道原子核真的會一分為二？這一反常現象讓哈恩困惑不已。最終，謎題由他昔日的長期合作伙伴、猶太裔物理學家莉澤·邁特納（Lise Meitner）通過關鍵的理論計算破解。邁特納曾與哈恩在1918年共同發現鏷元素（Pa），彼時正因納粹的迫害流亡瑞典。她以精確的計算證實了哈恩親眼所見卻難以相信的事實。

奧托·哈恩（左）與莉澤·邁特納（右）。圖源：Wikipedia

進一步研究表明，含有過量中子的重鈾原子在裂變時，不僅會分裂成兩個較輕的原子核，還可能釋放出新的中子，進而引發鏈式反應。更重要的是，這一過程將釋放出規模遠超普通化學反應的巨大能量。例如，1千克 鈾-235裂變產生的能量，就約相當于燃燒1千克煤產生能量的250萬倍。

鈾-235核裂變過程：當一個慢中子撞擊鈾-235原子核時，它會被吸收并形成一個不穩定的鈾-236原子核。然后，鈾-236原子核迅速裂變成兩個較小的原子核，同時釋放出幾個中子以及能量。圖源: 參考文獻4

比鈾更重的元素

原子核裂變現象一經宣布，立即引發全球科學界的高度重視。

美國物理學家埃德溫·麥克米倫（Edwin McMillan）在勞倫斯伯克利國家實驗室開展相關實驗。在用慢中子轟擊鈾的過程中，他不僅觀察到哈恩所報告的核裂變產物，還敏銳地指出：并非所有鈾原子都會發生裂變，其中一部分可能僅吸收中子，從而轉變為原子量更大的新元素。這一假說最終得到了實驗驗證，其研究團隊成功分離出與鈾性質相近的93號元素。長久以來，原子序數92的鈾一直被視為最重的已知元素，而這一發現突破了元素周期表的既有上限。相關成果于1940年發表在《物理評論》（Physical Review）上。

麥克米倫與菲利普·埃布爾森（Philip Hauge Abelson)于1940年在Physical Review上聯合發表了關于93號元素發現的論文。其中，埃布爾森后來在1962至1984年間長期擔任Science期刊主編。

幾乎在同一時期，日本物理學家仁科芳雄與化學家木村建次郎利用理化研究所（RIKEN）的回旋加速器也開展過類似的實驗。然而，由于當時“錒系元素”的概念尚未確立，他們誤認為第93號元素在周期表中屬于第7族，因而選擇與其化學性質相近的錸（Re）作為載體進行分離。正是這一誤判，導致他們未能實現新元素與鈾的有效分離，從而與發現第93號元素失之交臂。

1940年，美國尚未正式卷入二戰，而歐洲戰場已是硝煙彌漫。科學界此時已意識到鈾核裂變所蘊含的巨大能量，但制造“原子彈”面臨著一個關鍵難題：鈾235在天然鈾礦石中只占0.7%，剩下的99.3%是不易裂變的鈾238，同位素之間的分離相當困難。在這一背景下，新元素的發現可能為原子彈提供另一種技術路徑，因而具有重要的軍事戰略價值。為此，英國方面曾試圖封鎖93號元素的相關消息。但諷刺的是，在戰火紛飛中真正被成功保守的秘密，竟然只是這個新元素的名字。由于該元素在周期表中緊隨以天王星（Uranus）命名的“鈾”（Uranium）之后，麥克米倫將其命名為“镎”（Neptunium, Np），對應海王星（Neptune）。這一命名并未在1940年的《物理評論》上披露，直至戰后才逐漸為世人所知。

麥克米倫獲得的镎-239很不穩定，半衰期不到3天，難以實際應用，更不用說制造設想的“原子彈”了。參與英國核武器計劃的埃貢·布雷徹（Egon Bretscher）在1940年預測，镎-239會繼續衰變為元素序列中的下一位成員，即94號元素。而第94號元素的真正發現者，是麥克米倫的同事格倫·西奧多·西博格（Glenn Teodor Sj?berg）。他在加州大學伯克利分校利用比中子更重的氘核轟擊鈾-238，成功從镎-238的衰變產物中分離出了第94號元素。

西博格曾一度認為，這是周期表中最后一個可能存在的元素，所以考慮過諸如“Ultimium”（意為“終極”）或“Extremium”（意為“極盡”）等名稱。不過，由于之前第92號元素“鈾”得名自天王星（Uranus），第93號元素“镎”以海王星（Neptune）命名，第94號元素最終順理成章地以當時仍被視作行星的冥王星（Pluto）為基礎，被命名為“钚”（Plutonium），簡稱Pu。

格倫·西奧多·西博格首先發現了钚。1951年，他因對“超鈾元素”的貢獻而榮獲諾貝爾化學獎。圖源：Wikipedia

第一顆原子彈

钚是自然界存在的元素中原子序數最高者。在天然鈾礦中，鈾-238原子捕獲其他鈾原子衰變釋放的中子時，也會產生極微量的钚-239。钚-239的半衰期長達兩萬多年，相對镎-239穩定的多，人們預測它或許是實現鏈式反應的關鍵材料。

這樣一種獨特元素的發現，本應引發科學家們廣泛關注，對其特性進行全方面的研究，但由于美國很快也卷入二戰，并全面啟動了研發核武器的曼哈頓計劃，钚元素的研究也迅速轉入了高度機密的軍事軌道。制造出足夠原子彈爆炸量的钚材料，成為當時科學家唯一關心的目標。

西博格領導的研究團隊，是戰時唯一知曉94號元素存在的科研團隊，推動以該元素制造原子彈的重任自然落在他們的肩上。

1942年12月，在恩里科·費米（Enrico Fermi）的領導下，芝加哥大學建成世界上第一座核反應堆。西博格的實驗室也從加州伯克利搬到芝加哥，并被賦予一個低調而隱晦的名稱——“冶金實驗室”（Metallurgical Laboratory），以掩藏其真實的目的。钚元素的名稱也被刻意隱藏。起初，人們用"94號"代替，但由于這個代號顯然過于直白，很容易被人猜到。于是化學家們突發奇想改用"銅"作為這個新元素的代號。這個稱呼原本相安無事，直到某次實驗真的需要使用銅材料，人們又不得不將真正的銅稱為"貨真價實的銅"（Honest-to-God copper），以避免混淆。

漢福德B反應堆是全球首座工業化規模的核材料生產反應堆，二戰期間在此生產出了足夠制造核彈的钚材料。圖源: 參考文獻7

1944年，美國又在靠近華盛頓州里奇蘭的漢福德區建造了B反應堆 （B Reactor），主要目的是通過中子活化方式將天然鈾轉化為钚。如果只是合成微量的钚元素，風險并不大，但隨著實驗規模達到宏觀量級，西博格的團隊不得不面對強電離輻射的威脅，簡陋的實驗室根本不具備防護條件。然而，這些科學家自有對策。他們將新制的钚料裝入鉛桶，用長桿和鉛襯手套抬著穿過街道，轉移到一個露天的陽臺。眾人躲在一堵墻后，透過墻洞觀測樣品。西博格晚年追憶這段經歷時感嘆："天哪，現在回想起來，那方法真是原始得可以。"

原始歸原始，他們的實驗最終證明钚和鈾一樣適合制造核彈。

1945年7月16日，被嚴格保密的94號元素，以極震撼的方式宣告了自己的存在：世界上首枚原子彈在美國阿拉莫戈多（Alamogordo）的荒漠被引爆，其核心正是钚燃料。核爆炸產生的高溫，致使現場一座30米高的鐵塔化為烏有，并在地面上形成一個巨大的彈坑。

1945年8月12日摧毀長崎的钚彈外觀及其引爆機理。钚彈的核心是一個包裹著鈹（Be）的钚-239空心球體。通過引爆周圍的常規炸藥，將其迅速壓縮達到核爆炸所需的臨界質量。圖源：參考文獻4

即使是那些親身參與核試驗的科學家們，或許也未曾料到，僅三周后整個世界都將認識“钚”：1945年8月12日，美軍將一枚代號為“胖子”的同型核彈投向日本長崎，讓整座城市瞬間化為煉獄。

1945年投于日本長崎市的钚彈爆炸場景。

“惡魔核心”

钚元素所吞噬的生命，不僅有長崎的居民，還有幾位追求核能奧秘的科學家。

其中，24歲的哈里·達格利恩（Haroutune Daghlian Jr.）致力于通過中子反射技術，將逸散的能量回饋至钚核心，以期降低核彈的臨界質量需求。1945年8月的一個深夜，他在無人協助的情況下進行實驗。當他將最后一塊碳化鎢反射磚移向裝置時，中子計數器突然發出刺耳警報。數據顯示，這塊磚一旦就位，系統將立刻進入超臨界狀態。就在他抽回手臂的瞬間，磚塊意外墜落至裝置中心，導致核反應瞬間突破臨界點，剎那間，實驗室充滿了灼熱的氣浪、詭譎的藍光與致命的伽馬射線。為阻止持續鏈式反應，達格利恩不得不徒手拆解滾燙的碳化鎢堆疊結構。

圖中場景再現了達格利安1945年的實驗：一個钚球被碳化鎢中子反射磚塊所包圍。圖源：https://en.wikipedia.org/wiki/Harry_Daghlian

盡管醫療團隊火速展開救治，但面對人類史上罕見的嚴重輻射傷害，所有努力終是徒勞。在經歷輻射病帶來的劇痛與衰竭后，他陷入深度昏迷。在那塊磚從他手中滑落的25天后，這位年輕的核物理學家永遠閉上了眼睛。

這起悲劇促使曼哈頓計劃全面修訂安全規程。新規程不僅要求此類實驗必須兩人以上協同操作，還強制要求配備聲光雙重報警的中子監測系統。然而，這些制度防線未能阻擋第二年再次發生的災難。1946年，達格利恩的同事路易斯·斯洛廷（Louis Slotin）使用同一枚钚核心進行臨界實驗時，螺絲刀意外滑脫，再次引發了臨界狀態。危急時刻，斯洛廷本能地掰開了即將閉合的钚半球，阻斷了鏈式反應，但九天后同樣死于急性輻射病。這枚連續奪走兩條科學家生命的钚球，從此被實驗室人員稱作“惡魔核心”。

“核能心臟”

與其他重元素類似，钚也擁有多種同位素。它們的差異，源自原子核中的中子數目不同。在钚的眾多同位素中，除了二戰時用到的钚-239，其他很多同位素經過特定組合，也同樣具備實現核鏈式反應的潛力。然而，在钚的“家族”中，有一個成員卻顯得與眾不同，用途也與“兄弟”們有天壤之別。那便是钚-238。

钚-238不屬于易裂變核素，因此既不能用于制造核武器，也無法作為核電站反應堆的燃料，但它可通過α衰變轉化為鈾-234，并在此過程中持續釋放出可觀的熱量。每次α衰變釋放的能量超過5.5 兆電子伏，僅巴掌大小的一塊钚-238，就足以自發升溫至五六百攝氏度，從而發出熾熱的紅光。

钚-238的α衰變示意圖。 圖源：NASA

因衰變產熱而發光的钚-238氧化物（238PuO2）。圖源：參考文獻 9

熱量意味著能源，而α衰變釋放的氦核又極易被屏蔽。于是，科學家借助可將熱能轉化為電能的熱電材料，就可以制成放射性同位素熱電發生器（RTG），充分利用這塊奇特“熱石頭”所釋放的能量。

早在1959年，類似RTG的裝置就已問世，不過當時使用的是釙-210。釙-210同樣發生易于屏蔽的α衰變，但半衰期僅為138天；相比之下，钚-238的半衰期長達88年，這使其成為遠比釙-210持久的穩定熱源。

日常生活中，以放射性元素為核心的發電裝置并不多見，但在遠離太陽的深空，太陽能電池板黯然失色，化學電池也難以為繼，RTG 成為唯一可靠的能源，可為深空探測器提供數十年如一日的穩定電力。無論是第一個飛出太陽系的旅行者1號探測器，還是已在火星上漫步13年的好奇號火星車，無不是依靠這顆沉默而熾熱的“核能心臟”在持續運轉。

“好奇號”火星車和其同位素熱電發生器(RTG)內部的構造圖。圖源： Wikipedia

值得一提的是，2015年飛抵冥王星的新視野號（New Horizons）深空探測器，也是由10.9千克钚-238氧化物驅動。要知道，钚的名稱“Plutonium”正是來源自冥王星（Pluto），而借助源自冥王星之名的元素，人類探測器才得以抵達太陽系的邊緣。在眾多以天體命名的元素中，這是一段獨屬于钚的太空傳奇。

藝術家展現的新視野號飛躍冥王星及其衛星。圖源:NASA

根據國際易裂變材料專家組2015年的統計，全球钚庫存總量約500噸。這些钚主要來自兩大部分：核電站反應堆卸出的乏燃料，以及冷戰時期核軍備競賽產生的歷史遺留。由于20世紀五六十年代密集的核武器試驗，還有約數噸的钚被釋放到地球生物圈中，成為至今難以消弭的環境印記。

國際原子能機構的評估指出，僅需8千克钚（這一數值已計入武器制造過程中不可避免的材料損耗），就足以制造一枚二戰時在長崎投放的核彈。用這個標準衡量，現有钚的庫存足夠制備6萬多枚同型核彈頭。

然而，與之形成鮮明對比的是，深空探測所需的高純度钚-238同位素極為稀缺。這種特殊的同位素無法從乏燃料中直接提取，也難以大規模生產。在美國，冷戰時期用于生產核武器的薩凡納河（Savannah River）基地曾同時承擔钚-238的制備，其生產工藝主要是先從核反應堆乏燃料提取镎-237，然后再通過中子活化镎-237獲得钚-238，之后還需經過化學處理進行提純。1988年薩凡納河基地停產之后，美國航天器所需的钚-238一度完全依賴從俄羅斯進口。目前，為支持NASA的深空探測任務，美國已重啟钚-238的本土生產工作，預計在2026年達到每年1.6公斤的產量。

位于美國南卡羅來納州的薩凡納河實驗室，這里曾生產大量可用于核武器的钚材料。圖源：wikipedia.org/wiki/Savannah_River_Site

钚，既是危險的化身，也是能量的源泉。從實驗室的隱秘研制，到長崎上空的蘑菇云，它曾以毀滅性的力量昭示戰爭的殘酷。在后來的歲月里，它同樣推動著人類邁向星辰的征途，為深空探測器提供穿越數十年孤寂旅程的動力。未來，我們如何選擇與使用這一元素，將成為對人類責任與遠見的持久考驗。

參考文獻：

[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] 核電項目中的钚分離——世界各地民用后處理的現狀、問題及展望，國際易裂變材 料專家組：https://fissilematerials.org/library/rr14ch.pdf#page=11.37

[11] 全球钚庫存情況溯源與簡析， 中國核工業報

[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.

來源：賽先生

編輯：辣條

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