曹 勇/編譯

為了紀念尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）的原子模型一百周年，Nature雜志刊登了特刊講述這個模型的傳奇——以及研究原子結(jié)構(gòu)仍然任重而道遠

用這個星球上最強大的X射線槍照射是毀滅原子的一種方法。琳達-楊（Linda Young）在2009年10月份進行了這個實驗，當時她正在測試位于加利福尼亞州門羅帕克市的SLAC國家加速器實驗室新引入的自由電子激光器。這個價值4.2億美元的儀器所發(fā)射的每個脈沖和該段時間內(nèi)太陽照射到地球的射線有相同的能量，但是這些能量將聚焦到一個平方厘米的面積上。楊說：“這將摧毀你放在它面前的任何東西?！?/p>

當在實驗里用這激光脈沖猛烈撞擊氖原子時，就產(chǎn)生了爆炸，并在100飛秒 （1飛秒相當于10-15秒）的時間里剝離掉每個原子的10個電子。但這種摧毀原子的方式才真的讓楊特別感興趣，她當時正領(lǐng)導(dǎo)著伊利諾伊阿貢國家實驗室的X射線研究部門。X射線首先除去了原子的內(nèi)層電子，而外層電子依然保留在原來的位置。在一個短暫的時間里，激光照射到的氖原子變成空心的原子。

這種氖原子的奇異狀態(tài)是物理學家在試圖改造原子時創(chuàng)造的新物種之一。一些研究小組讓原子膨脹到和微塵顆粒一樣的大小，一些研究機構(gòu)創(chuàng)造出反物質(zhì)的反原子，而且另外一些科學家通過讓原子核帶上新的質(zhì)子和中子來得到新的超重元素。這些實驗中的一些是試圖探索原子的結(jié)構(gòu)，另外一些是為構(gòu)建更為復(fù)雜的系統(tǒng)進行的初步研究。這些都是丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）100年前帶來的原子理論革命的后續(xù)發(fā)展。但玻爾很難想象科學家會把操縱原子的能力發(fā)揮到如此極致程度。

空心原子

玻爾在1913年7月提出的原子模型看上去像是一個縮小的太陽系，電子圍繞這一個帶正電荷的原子核在同心軌道上排列。在玻爾的模型中，電子是量化的點狀顆粒，這意味著他們可以從一個軌道跳躍到另外一個軌道上，但是不能存在于兩個相鄰軌道之間。20世紀20年代誕生的量子力學保留了這種軌道的概念，但是認為電子可以在原子核周圍的所有區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)。每個電子的位置只能以概率的形式確認，計算公式是數(shù)學上的波函數(shù)。

離原子核最遠的電子可以以最少的附加能量剝離，通常會首先被去除。然而，X射線包含了更加集中的能量束，可以去除內(nèi)層軌道上更加緊密的電子。醫(yī)療上使用的X射線在每次外層電子補充到內(nèi)層之前只會剝離一個內(nèi)層電子。但是SLAC的X射線激光器是特殊的一類，激光束的能量密度極高而且集中，每100飛秒內(nèi)發(fā)射的脈沖在每平方埃（1埃是10-10米）的面積上會產(chǎn)生10萬個X射線光子。這讓楊在她2009年的實驗里轟開了氖原子所有的內(nèi)層電子，而當外層電子落入空置的內(nèi)層軌道時，激光束會立刻把它們再次剝離。

“如果你適當?shù)卣{(diào)整X射線儀，你就可以選擇想要首先剝離空出的軌道，”楊說?！澳軌蚩刂苾?nèi)殼的狀態(tài)是很了不起的事情?！蹦壳斑@類挖空電子層的記錄由位于漢堡的德國激光技術(shù)研究所報告，他們使用SLAC激光由內(nèi)而外地剝離掉氙原子54個電子中位于內(nèi)層的36個。

楊希望當激光用于擬定的用途時，挖空原子的研究能夠證明其有效性，激光原本是用于通過X射線的散射獲得如DNA和蛋白質(zhì)之類的生物大分子的圖像。這些圖像的獲得并不是沒有代價的：光束會迅速摧毀掉它所照射的分子。楊說，知道在此過程中如何挖空原子的結(jié)構(gòu)，可能會幫助研究人員解釋分子爆炸所伴隨的散射圖案的變化。

20年以前，幾個研究小組使用不同的方式來挖空原子：首先剝離掉原子的所有電子，然后將這些得到的移動緩慢的高點荷離子放置到一個平面上。當離子距離這個表面幾十埃時，它們會將表面上的電子吸引過來，創(chuàng)造出一個有外層電子但是沒有內(nèi)殼的短暫狀態(tài)的空心電子。然后外層電子將會落入到內(nèi)層軌道，空心原子發(fā)射出一組高能電子和光子?！翱招脑邮呛写罅磕芰康幕鹎?，”維也納技術(shù)大學物理學家約阿希姆-伯格德弗爾（Joachim Burgdorfer）說，他致力于這個過程的研究。

20世紀80年代和90年代一些研究小組對空心原子進行探索，一些科學家研究空心原子形成時所釋放的光子如何去除最上層的電子，卻不對深層電子造成傷害來清空一個表面。盡管這個工藝已經(jīng)申請了專利，但是并沒有得到業(yè)界的關(guān)注，維也納科技大學物理學家弗里茨·奧瑪亞 （Fritz Aumayr）說。到目前為止最接近實用的階段出現(xiàn)在2008年，當時研究人員用它來解釋太陽噴出的重離子如何會對行星的表面造成傷害，采用的例子是水星。這些離子在到達行星表面時成為空心原子，并且在撞擊到行星時產(chǎn)生大量的能量。

2008年奧瑪亞發(fā)表了一篇論文，證明當離子撞擊到碳膜表面時所釋放的能量會在碳膜上產(chǎn)生納米級別的小洞，而這些小洞的大小是由離子的電荷強度（即它丟失了多少電子）所決定的。這可能是制造納米篩的一個途徑，他說，這種納米篩用來過濾小分子，或者是用來制造能讓待測序DNA通過的納米孔洞。

大分子

從原子核的角度來看，所有的電子都如同遠航的行者一般。原子核的直徑通常是用飛米來衡量，對應(yīng)的電子離原子中心的距離通常為原子核直徑的10萬倍。而里德伯原子是原子界的龐然大物，它們所攜帶的電子充滿能量，因此可以在距離中心約1000億倍原子核直徑——幾十或者幾百微米——的地方游蕩。最大的里德伯原子甚至和這句話末尾的句號差不多一樣大。

里德伯原子是以19世紀瑞典物理學家約翰內(nèi)斯·里德伯（Johannes Rydberg）的名字命名的，這些巨大的原子在上世紀70年代之后得到廣泛的關(guān)注和研究，當時制造出的激光器可以將電子激發(fā)到如此遙遠的距離。像其他遠行的旅客一樣，里德伯原子的外層電子是孤獨且脆弱的。遙遠的原子核對其的引力是很微弱的，而且極易被其他電磁場或者碰撞所影響，因此這類原子需要在高度真空的條件下產(chǎn)生。如果仔細地將外部影響去除，這類巨大而虛弱的原子能夠在大約百分之幾秒到兩秒甚至幾秒的時間內(nèi)存在。

對位于得克薩斯休斯頓的萊斯大學物理學家巴里·鄧寧（Barry Dunning）來說，里德伯原子的價值在于它們能讓物理學家們對電子運動進行更為精確地控制。這對于正常原子來說是不可能的，因為普通原子的電子運動十分迅速，甚至最快的激光器也不能捕捉。但是里德伯原子的電子運動是非常緩慢的，通過仔細調(diào)整的納秒級電場脈沖可以控制它們，這讓研究人員可以不斷地把電子云趕來趕去來以控制它們。

2008年鄧寧領(lǐng)導(dǎo)的研究人員報告稱他們能夠把正常分布的電子擠壓到一個緊密的范圍，并讓其暫時地環(huán)繞原子核軌道運行。2012年，他們更進一步，可以讓這種軌道運行永久地持續(xù)下去。鄧寧自豪地說：“重新制造出玻爾原子花費了一個世紀，但是我們還是做到了?！彼南乱粋€想法是試圖分別激發(fā)和控制兩個外層電子，創(chuàng)造出一個類似玻爾對氦原子想象圖的系統(tǒng)。

這種原子的拉伸操作有潛在的應(yīng)用價值。兩個相距幾微米的氣態(tài)原子通常不會相互影響，但如果是處于里德伯狀態(tài)的膨脹原子（或者兩個均處于此狀態(tài)），帶有負電荷的電子云會相互排斥，使原子的能量層級紊亂，導(dǎo)致它們不再是孤立的系統(tǒng)。威斯康星-麥迪遜大學的物理學家馬克·薩夫曼（Mark Saffman）利用這種屬性，使用激光器在兩個原子的量子位（即量子比特）之間開合或者關(guān)閉里德伯連接來制造出量子邏輯門——量子計算機的基本構(gòu)件。

“他和其他的研究人員希望接下來能添加更多的原子。即通過適當?shù)丶ぐl(fā)，冷氣態(tài)的原子云會成為懸停的晶體里德伯陣列。”英國杜倫大學物理學家馬修·瓊斯（Matthew Jones）說。

這種方法可能會為研究“強相互作用”固態(tài)系統(tǒng)物理學提供一個有用的模型。這些系統(tǒng)內(nèi)的粒子與相鄰粒子間的強相互作用，使得系統(tǒng)出現(xiàn)不同尋常的特性，如高溫超導(dǎo)體。“里德伯原子的陣列不是研究現(xiàn)實固態(tài)系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜相互作用的完美模型，但是這種方法的簡約是其優(yōu)點”，伯格德弗爾說，“這是一個完美的試驗場，可以檢驗對強相互作用物理學如何實現(xiàn)的許多想法?！?/p>

反物質(zhì)原子

位于瑞士日內(nèi)瓦附近歐洲核中心 （CERN）的大型強子對撞機（LHC）目前拆成了零散的部件，工程師們正努力提高它的功率。同時在旁邊的實驗室正在進行升級，以允許物理學家測量反物質(zhì)原子的特性。

這是自1995年CERN制造出反氫原子以來，研究人員一直追求的目標。反氫原子是由帶一個負質(zhì)子以及一個正電子構(gòu)成，其質(zhì)量和普通的質(zhì)子電子相同，但是所攜帶的電荷正好相反。在此之外，研究人員對反物質(zhì)原子的了解知之甚少?！拔镔|(zhì)和反物質(zhì)是否遵循相同的物理規(guī)律呢？”ALPHA發(fā)言人杰弗里·漢斯特（Jeffery Hangst）問道，他是參與制造和分析反氫原子合作的科學家之一。

CERN的實驗可能會幫助解釋為什么在可見的宇宙空間內(nèi)物質(zhì)比反物質(zhì)要常見。大爆炸創(chuàng)造出相同數(shù)量的物質(zhì)與反物質(zhì)，這兩者相互接觸就會湮滅。但后來不知為何，物質(zhì)獲得了優(yōu)勢?？茖W家已經(jīng)觀察到一些物質(zhì)和反物質(zhì)粒子行為特征的不同之處，例如K介子和介子，但是這并不能解釋宇宙大爆炸留下的難題。

為了制造出反氫原子，CERN的研究人員首先用加速的質(zhì)子轟擊原子，然后將它們通過金屬箔以使其減速，用冷電子束使其冷卻，并用電磁場捕獲它們，最終獲得反質(zhì)子。使用相似的途徑通過放射性物質(zhì)可以收集到正電子。當帶有電荷的粒子云相互混合以后，它們就會組合成中性的反物質(zhì)原子。但是由于這些原子總體不帶電，早期的實驗所使用的用來捕獲帶電反物質(zhì)粒子的電磁場不能將其捕獲，因此不能觀察到它們的存在。

在2002年，兩個帶電粒子云的混合可以制造出多達50 000個反氫原子，但是這些原子迅速和容納它們的容器壁碰撞并湮滅。直到2010年ALPHA的科學家展示了如何使用三個磁體組合成的磁場來限制反氫原子的磁場運動，從而將其捕獲。漢斯特說，當時進行一次耗時20到30分鐘的實驗可以捕獲8個反物質(zhì)原子中的一個，并且使其存在約1 000秒的時間。

目前ALPHA正試圖研究反物質(zhì)原子的特性。2013年該小組報告說，正在觀察幾百個從磁場容器中釋放的反氫原子，看它們在重力的作用下向下或者是向上運動。漢斯特說，研究人員目前并不知道答案，但是實驗遵循一般原理進行。而升級后的研究團隊加入了一些激光器，試圖在下一年研究清楚反氫原子是否和氫原子吸收和發(fā)射相同頻率的光線。

CERN的其他小組則正在研究反物質(zhì)的其他特點，例如反氫原子在變化磁場中的反應(yīng)。其他地方的研究人員甚至正在尋找更加奇特的原子：東京大學的物理學家早野龍五領(lǐng)導(dǎo)著一個研究混合物質(zhì)的小組，混合物質(zhì)是特殊的反物質(zhì)如反質(zhì)子氦，其原子核是由一個負電子和一個帶有負電荷的反質(zhì)子環(huán)繞，這種組合可以持續(xù)約幾微秒的時間。

這些實驗最終也可能無法解釋為何物質(zhì)和反物質(zhì)之間的差距大到前者壓倒后者。但是，正如漢斯特所說：“沒有人知道新的物理定律會在哪里出現(xiàn)，你只能不斷地去尋找?！?/p>

重原子

反物質(zhì)原子是很罕見的，但和研究超鈾元素的科學家相比，它們的研究人員就如同在數(shù)據(jù)的海洋里遨游。在一個需要很大耐心的實驗里，德國達姆施塔特重離子研究中心的實驗人員去年花費了將近5個月的時間用鈦-50離子——每個這種離子由22個質(zhì)子和28個中子組成——轟擊锫-249，其速度約為每秒5萬億個鈦離子。他們希望或許會有一對或者兩對原子會相互融合成含有119個質(zhì)子的原子，從而獲得比之前任何元素的質(zhì)子都多的新元素。

物理學家在過去的70年里使用重原子束制造越來越重的質(zhì)子和中子群，并且在元素周期表上擴充了遠遠超過自然界中存在的新元素。公認的記錄保持者是116號元素livermorium（Lv），它含有 116個質(zhì)子并根據(jù)同位素的不同含有174到177個中子。

有報道稱已經(jīng)制造出117號和118號元素，但是這些報道并沒有被官方確認。到目前為止，“所有的這些實驗都不曾報道過119和120號元素的產(chǎn)生，”GSI主導(dǎo)的合作組織發(fā)言人克里斯托弗·杜爾曼（Christoph Düllmann）說，盡管他補充說明他自己的研究小組對去年工作的分析還沒有結(jié)束。

有一種看法是這類對超重元素的追逐已經(jīng)進入一個死胡同。隨著原子核質(zhì)量的增加，它們?nèi)诤系目赡苄栽絹碓叫?，因為質(zhì)子和中子會抵抗相互間的融合。大多數(shù)的研究人員同意說想要獲得超過120號元素的原子，直接讓兩個原子核相互融合的可能性是十分渺茫的?！八赃@給我們留下了一個問題，”杜爾曼說，“我們下一步該怎么做？”

為了回答這個問題，我們需要理解制造超重元素的動機。好奇心和民族自尊心無疑是其中之一，每個政客和科學家都想把自己國家的名字放在元素周期表的新格子里。但是每種超重元素的存在時間都很短暫，它們會在以毫秒為單位的時間里分裂。

理論物理學家假定一些質(zhì)子和中子的超重組合會在以秒、分鐘甚至天的時間內(nèi)保持穩(wěn)定。“穩(wěn)定島”的假說被認為會適用于114個和126個質(zhì)子與大約184個中子的組合。而目前的狀況清楚地表明想要通過把輕原子束砸向重原子來獲得超重原子的方法不會達到這個穩(wěn)定島的要求——獲得的同位素所包含的中子太少。所以研究人員正在改變戰(zhàn)術(shù)，試圖使用已經(jīng)創(chuàng)造出來的超重元素來制造更重的同位素。

這正是俄羅斯杜布納聯(lián)合核研究所的科學家們來年將要嘗試的事情。他們計劃用鈣-48原子束轟擊放射性的锎-251來獲得含有更多中子的同位素。

俄羅斯的研究小組和其他一些研究人員也想回過頭去制造那些已經(jīng)獲得的超重原子，并且得到幾百甚至上千個原子，而不是為表明制造出新元素所需要的幾個?！拔覀儜?yīng)該為我們自己設(shè)立目標，不只是制造出一個或者兩個原子，而是有一個宏觀的數(shù)量，能夠讓我們用來更加詳細地研究其化學特性和核結(jié)構(gòu)?！庇锲执髮W物理學家羅爾夫·迪特瑪爾·赫茨伯格（Rolf-Dietmar Herzberg）說。這可能會讓理論物理學家對穩(wěn)定島的存在界限做出更加準確的預(yù)測。

但是想要擴大元素周期表的誘惑是強大的。研究人員可能會放棄讓兩個原子核迎頭相撞的方法，而是嘗試讓兩個重原子核進行側(cè)面相撞，這可能會提高兩者相互融合并制造出新元素的成功率。

物理學家們追求制造更重元素的過程中，創(chuàng)造了令他們自己都感到驚訝的歷史。在20世紀90年代初期，誰也沒能想到他們能夠制造出超過112號元素的原子，但是一次融合過程的扭曲改變了歷史，正如GSI小組成員邁克爾-布洛克（Michael Block）所說，“制造下一個元素始終是最難的。”