人类历史上第一颗原子弹赛先生
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。
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
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。
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。
