用冥王星命名的元素，不仅能制造原子弹，还能助推飞行器飞跃冥王星？

颠颠

1945年7月16日，世界第一颗原子弹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


一分为二的原子核

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。

奥托·哈恩（左）与莉泽·迈特纳（右）。图源：Wikipedia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。

铀-235核裂变过程：当一个慢中子撞击铀-235原子核时，它会被吸收并形成一个不稳定的铀-236原子核。然后，铀-236原子核迅速裂变成两个较小的原子核，同时释放出几个中子以及能量。图源: 参考文献4
比铀更重的元素

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。

麦克米伦与菲利普·埃布尔森（Philip Hauge Abelson)于1940年在Physical Review上联合发表了关于93号元素发现的论文。其中，埃布尔森后来在1962至1984年间长期担任Science期刊主编。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会继续衰变为元素周期表中的下一位成员，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。

格伦·西奥多·西博格首先发现了钚。1951年，他因对“超铀元素”的贡献而荣获诺贝尔化学奖。图源：Wikipedia
第一颗原子弹

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。

汉福德B反应堆是全球首座工业化规模的核材料生产反应堆，二战期间在此生产出了足够制造核弹的钚材料。图源: 参考文献71944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。

1945年8月12日摧毁长崎的钚弹外观及其引爆机理。钚弹的核心是一个包裹着铍（Be）的钚-239空心球体。通过引爆周围的常规炸药，将其迅速压缩达到核爆炸所需的临界质量。图源：参考文献4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。

1945年投于日本长崎市的钚弹爆炸场景。
“恶魔核心”

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。

图中场景再现了达格利安1945年的实验：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”。


“核能心脏”



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。

钚-238的α衰变示意图。 图源：NASA

因衰变产热而发光的钚-238氧化物（238PuO2）。图源：参考文献 9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。

“好奇号”火星车和其同位素热电发生器(RTG)内部的构造图。图源： Wikipedia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”正是来源于冥王星（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。

艺术家展现的新视野号飞跃冥王星及其卫星。图源:NASA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。

位于美国南卡罗来纳州的萨凡纳河实验室，这里曾生产大量可用于核武器的钚材料。图源：wikipedia.org/wiki/Savannah_River_Site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。
参考文献：

[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] 核电项目中的钚分离——世界各地民用后处理的现状、问题及展望，国际易裂变材 料专家组：https://fissilematerials.org/library/rr14ch.pdf#page=11.37

[11] 全球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.

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来源：赛先生

编辑：辣条

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不代表中科院物理所立场

gzcom520

钚元素双面性太惊人，用好了探索宇宙，用不好毁灭世界。

华语天空

珍惜资源，少放烟花！！

yzszh64

感谢分享。

com2

谢谢楼主分享！