玻爾模型：超級(jí)原子

曹 勇/編譯

為了紀(jì)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(gè)模型的傳奇——以及研究原子結(jié)構(gòu)仍然任重而道遠(yuǎn)

用這個(gè)星球上最強(qiáng)大的X射線(xiàn)槍照射是毀滅原子的一種方法。琳達(dá)-楊（Linda Young）在2009年10月份進(jìn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)她正在測(cè)試位于加利福尼亞州門(mén)羅帕克市的SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室新引入的自由電子激光器。這個(gè)價(jià)值4.2億美元的儀器所發(fā)射的每個(gè)脈沖和該段時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)照射到地球的射線(xiàn)有相同的能量，但是這些能量將聚焦到一個(gè)平方厘米的面積上。楊說(shuō)：“這將摧毀你放在它面前的任何東西?！?/p>

當(dāng)在實(shí)驗(yàn)里用這激光脈沖猛烈撞擊氖原子時(shí)，就產(chǎn)生了爆炸，并在100飛秒 （1飛秒相當(dāng)于10-15秒）的時(shí)間里剝離掉每個(gè)原子的10個(gè)電子。但這種摧毀原子的方式才真的讓楊特別感興趣，她當(dāng)時(shí)正領(lǐng)導(dǎo)著伊利諾伊阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的X射線(xiàn)研究部門(mén)。X射線(xiàn)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(lái)的位置。在一個(gè)短暫的時(shí)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(xué)家在試圖改造原子時(shí)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(jī)構(gòu)創(chuàng)造出反物質(zhì)的反原子，而且另外一些科學(xué)家通過(guò)讓原子核帶上新的質(zhì)子和中子來(lái)得到新的超重元素。這些實(shí)驗(yàn)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(jìn)行的初步研究。這些都是丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）100年前帶來(lái)的原子理論革命的后續(xù)發(fā)展。但玻爾很難想象科學(xué)家會(huì)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(gè)縮小的太陽(yáng)系，電子圍繞這一個(gè)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(diǎn)狀顆粒，這意味著他們可以從一個(gè)軌道跳躍到另外一個(gè)軌道上，但是不能存在于兩個(gè)相鄰軌道之間。20世紀(jì)20年代誕生的量子力學(xué)保留了這種軌道的概念，但是認(rèn)為電子可以在原子核周?chē)乃袇^(qū)域內(nèi)出現(xiàn)。每個(gè)電子的位置只能以概率的形式確認(rèn)，計(jì)算公式是數(shù)學(xué)上的波函數(shù)。

離原子核最遠(yuǎn)的電子可以以最少的附加能量剝離，通常會(huì)首先被去除。然而，X射線(xiàn)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(xiàn)在每次外層電子補(bǔ)充到內(nèi)層之前只會(huì)剝離一個(gè)內(nèi)層電子。但是SLAC的X射線(xiàn)激光器是特殊的一類(lèi)，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(huì)產(chǎn)生10萬(wàn)個(gè)X射線(xiàn)光子。這讓楊在她2009年的實(shí)驗(yàn)里轟開(kāi)了氖原子所有的內(nèi)層電子，而當(dāng)外層電子落入空置的內(nèi)層軌道時(shí)，激光束會(huì)立刻把它們?cè)俅蝿冸x。

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

楊希望當(dāng)激光用于擬定的用途時(shí)，挖空原子的研究能夠證明其有效性，激光原本是用于通過(guò)X射線(xiàn)的散射獲得如DNA和蛋白質(zhì)之類(lèi)的生物大分子的圖像。這些圖像的獲得并不是沒(méi)有代價(jià)的：光束會(huì)迅速摧毀掉它所照射的分子。楊說(shuō)，知道在此過(guò)程中如何挖空原子的結(jié)構(gòu)，可能會(huì)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(gè)研究小組使用不同的方式來(lái)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(dòng)緩慢的高點(diǎn)荷離子放置到一個(gè)平面上。當(dāng)離子距離這個(gè)表面幾十埃時(shí)，它們會(huì)將表面上的電子吸引過(guò)來(lái)，創(chuàng)造出一個(gè)有外層電子但是沒(méi)有內(nèi)殼的短暫狀態(tài)的空心電子。然后外層電子將會(huì)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(xué)物理學(xué)家約阿希姆-伯格德弗爾（Joachim Burgdorfer）說(shuō)，他致力于這個(gè)過(guò)程的研究。

20世紀(jì)80年代和90年代一些研究小組對(duì)空心原子進(jìn)行探索，一些科學(xué)家研究空心原子形成時(shí)所釋放的光子如何去除最上層的電子，卻不對(duì)深層電子造成傷害來(lái)清空一個(gè)表面。盡管這個(gè)工藝已經(jīng)申請(qǐng)了專(zhuān)利，但是并沒(méi)有得到業(yè)界的關(guān)注，維也納科技大學(xué)物理學(xué)家弗里茨·奧瑪亞 （Fritz Aumayr）說(shuō)。到目前為止最接近實(shí)用的階段出現(xiàn)在2008年，當(dāng)時(shí)研究人員用它來(lái)解釋太陽(yáng)噴出的重離子如何會(huì)對(duì)行星的表面造成傷害，采用的例子是水星。這些離子在到達(dá)行星表面時(shí)成為空心原子，并且在撞擊到行星時(shí)產(chǎn)生大量的能量。

2008年奧瑪亞發(fā)表了一篇論文，證明當(dāng)離子撞擊到碳膜表面時(shí)所釋放的能量會(huì)在碳膜上產(chǎn)生納米級(jí)別的小洞，而這些小洞的大小是由離子的電荷強(qiáng)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(gè)途徑，他說(shuō)，這種納米篩用來(lái)過(guò)濾小分子，或者是用來(lái)制造能讓待測(cè)序DNA通過(guò)的納米孔洞。

大分子

從原子核的角度來(lái)看，所有的電子都如同遠(yuǎn)航的行者一般。原子核的直徑通常是用飛米來(lái)衡量，對(duì)應(yīng)的電子離原子中心的距離通常為原子核直徑的10萬(wàn)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(mǎn)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(huà)末尾的句號(hào)差不多一樣大。

里德伯原子是以19世紀(jì)瑞典物理學(xué)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(jì)70年代之后得到廣泛的關(guān)注和研究，當(dāng)時(shí)制造出的激光器可以將電子激發(fā)到如此遙遠(yuǎn)的距離。像其他遠(yuǎn)行的旅客一樣，里德伯原子的外層電子是孤獨(dú)且脆弱的。遙遠(yuǎn)的原子核對(duì)其的引力是很微弱的，而且極易被其他電磁場(chǎng)或者碰撞所影響，因此這類(lèi)原子需要在高度真空的條件下產(chǎn)生。如果仔細(xì)地將外部影響去除，這類(lèi)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(shí)間內(nèi)存在。

對(duì)位于得克薩斯休斯頓的萊斯大學(xué)物理學(xué)家巴里·鄧寧（Barry Dunning）來(lái)說(shuō)，里德伯原子的價(jià)值在于它們能讓物理學(xué)家們對(duì)電子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行更為精確地控制。這對(duì)于正常原子來(lái)說(shuō)是不可能的，因?yàn)槠胀ㄔ拥碾娮舆\(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)是非常緩慢的，通過(guò)仔細(xì)調(diào)整的納秒級(jí)電場(chǎng)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(lái)趕去來(lái)以控制它們。

2008年鄧寧領(lǐng)導(dǎo)的研究人員報(bào)告稱(chēng)他們能夠把正常分布的電子擠壓到一個(gè)緊密的范圍，并讓其暫時(shí)地環(huán)繞原子核軌道運(yùn)行。2012年，他們更進(jìn)一步，可以讓這種軌道運(yùn)行永久地持續(xù)下去。鄧寧自豪地說(shuō)：“重新制造出玻爾原子花費(fèi)了一個(gè)世紀(jì)，但是我們還是做到了。”他的下一個(gè)想法是試圖分別激發(fā)和控制兩個(gè)外層電子，創(chuàng)造出一個(gè)類(lèi)似玻爾對(duì)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(jià)值。兩個(gè)相距幾微米的氣態(tài)原子通常不會(huì)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(gè)均處于此狀態(tài)），帶有負(fù)電荷的電子云會(huì)相互排斥，使原子的能量層級(jí)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(xué)的物理學(xué)家馬克·薩夫曼（Mark Saffman）利用這種屬性，使用激光器在兩個(gè)原子的量子位（即量子比特）之間開(kāi)合或者關(guān)閉里德伯連接來(lái)制造出量子邏輯門(mén)——量子計(jì)算機(jī)的基本構(gòu)件。

“他和其他的研究人員希望接下來(lái)能添加更多的原子。即通過(guò)適當(dāng)?shù)丶ぐl(fā)，冷氣態(tài)的原子云會(huì)成為懸停的晶體里德伯陣列?！庇?guó)杜倫大學(xué)物理學(xué)家馬修·瓊斯（Matthew Jones）說(shuō)。

這種方法可能會(huì)為研究“強(qiáng)相互作用”固態(tài)系統(tǒng)物理學(xué)提供一個(gè)有用的模型。這些系統(tǒng)內(nèi)的粒子與相鄰粒子間的強(qiáng)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(shí)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(jiǎn)約是其優(yōu)點(diǎn)”，伯格德弗爾說(shuō)，“這是一個(gè)完美的試驗(yàn)場(chǎng)，可以檢驗(yàn)對(duì)強(qiáng)相互作用物理學(xué)如何實(shí)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（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(shí)在旁邊的實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行升級(jí)，以允許物理學(xué)家測(cè)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(lái)，研究人員一直追求的目標(biāo)。反氫原子是由帶一個(gè)負(fù)質(zhì)子以及一個(gè)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(duì)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(wèn)道，他是參與制造和分析反氫原子合作的科學(xué)家之一。

CERN的實(shí)驗(yàn)可能會(huì)幫助解釋為什么在可見(jiàn)的宇宙空間內(nèi)物質(zhì)比反物質(zhì)要常見(jiàn)。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(huì)湮滅。但后來(lái)不知為何，物質(zhì)獲得了優(yōu)勢(shì)。科學(xué)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(guò)金屬箔以使其減速，用冷電子束使其冷卻，并用電磁場(chǎng)捕獲它們，最終獲得反質(zhì)子。使用相似的途徑通過(guò)放射性物質(zhì)可以收集到正電子。當(dāng)帶有電荷的粒子云相互混合以后，它們就會(huì)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(shí)驗(yàn)所使用的用來(lái)捕獲帶電反物質(zhì)粒子的電磁場(chǎng)不能將其捕獲，因此不能觀察到它們的存在。

在2002年，兩個(gè)帶電粒子云的混合可以制造出多達(dá)50 000個(gè)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(xué)家展示了如何使用三個(gè)磁體組合成的磁場(chǎng)來(lái)限制反氫原子的磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，從而將其捕獲。漢斯特說(shuō)，當(dāng)時(shí)進(jìn)行一次耗時(shí)20到30分鐘的實(shí)驗(yàn)可以捕獲8個(gè)反物質(zhì)原子中的一個(gè)，并且使其存在約1 000秒的時(shí)間。

目前ALPHA正試圖研究反物質(zhì)原子的特性。2013年該小組報(bào)告說(shuō)，正在觀察幾百個(gè)從磁場(chǎng)容器中釋放的反氫原子，看它們?cè)谥亓Φ淖饔孟孪蛳禄蛘呤窍蛏线\(yùn)動(dòng)。漢斯特說(shuō)，研究人員目前并不知道答案，但是實(shí)驗(yàn)遵循一般原理進(jìn)行。而升級(jí)后的研究團(tuán)隊(duì)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(xiàn)。

CERN的其他小組則正在研究反物質(zhì)的其他特點(diǎn)，例如反氫原子在變化磁場(chǎng)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(xué)的物理學(xué)家早野龍五領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)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(gè)負(fù)電子和一個(gè)帶有負(fù)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(shí)間。

這些實(shí)驗(yàn)最終也可能無(wú)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(shuō)：“沒(méi)有人知道新的物理定律會(huì)在哪里出現(xiàn)，你只能不斷地去尋找。”

重原子

反物質(zhì)原子是很罕見(jiàn)的，但和研究超鈾元素的科學(xué)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(gè)需要很大耐心的實(shí)驗(yàn)里，德國(guó)達(dá)姆施塔特重離子研究中心的實(shí)驗(yàn)人員去年花費(fèi)了將近5個(gè)月的時(shí)間用鈦-50離子——每個(gè)這種離子由22個(gè)質(zhì)子和28個(gè)中子組成——轟擊锫-249，其速度約為每秒5萬(wàn)億個(gè)鈦離子。他們希望或許會(huì)有一對(duì)或者兩對(duì)原子會(huì)相互融合成含有119個(gè)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(xué)家在過(guò)去的70年里使用重原子束制造越來(lái)越重的質(zhì)子和中子群，并且在元素周期表上擴(kuò)充了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自然界中存在的新元素。公認(rèn)的記錄保持者是116號(hào)元素livermorium（Lv），它含有 116個(gè)質(zhì)子并根據(jù)同位素的不同含有174到177個(gè)中子。

有報(bào)道稱(chēng)已經(jīng)制造出117號(hào)和118號(hào)元素，但是這些報(bào)道并沒(méi)有被官方確認(rèn)。到目前為止，“所有的這些實(shí)驗(yàn)都不曾報(bào)道過(guò)119和120號(hào)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(shuō)，盡管他補(bǔ)充說(shuō)明他自己的研究小組對(duì)去年工作的分析還沒(méi)有結(jié)束。

有一種看法是這類(lèi)對(duì)超重元素的追逐已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)死胡同。隨著原子核質(zhì)量的增加，它們?nèi)诤系目赡苄栽絹?lái)越小，因?yàn)橘|(zhì)子和中子會(huì)抵抗相互間的融合。大多數(shù)的研究人員同意說(shuō)想要獲得超過(guò)120號(hào)元素的原子，直接讓兩個(gè)原子核相互融合的可能性是十分渺茫的。“所以這給我們留下了一個(gè)問(wèn)題，”杜爾曼說(shuō)，“我們下一步該怎么做？”

為了回答這個(gè)問(wèn)題，我們需要理解制造超重元素的動(dòng)機(jī)。好奇心和民族自尊心無(wú)疑是其中之一，每個(gè)政客和科學(xué)家都想把自己國(guó)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(shí)間都很短暫，它們會(huì)在以毫秒為單位的時(shí)間里分裂。

理論物理學(xué)家假定一些質(zhì)子和中子的超重組合會(huì)在以秒、分鐘甚至天的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。“穩(wěn)定島”的假說(shuō)被認(rèn)為會(huì)適用于114個(gè)和126個(gè)質(zhì)子與大約184個(gè)中子的組合。而目前的狀況清楚地表明想要通過(guò)把輕原子束砸向重原子來(lái)獲得超重原子的方法不會(huì)達(dá)到這個(gè)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(lái)的超重元素來(lái)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(xué)家們來(lái)年將要嘗試的事情。他們計(jì)劃用鈣-48原子束轟擊放射性的锎-251來(lái)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(guò)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(gè)原子，而不是為表明制造出新元素所需要的幾個(gè)?！拔覀儜?yīng)該為我們自己設(shè)立目標(biāo)，不只是制造出一個(gè)或者兩個(gè)原子，而是有一個(gè)宏觀的數(shù)量，能夠讓我們用來(lái)更加詳細(xì)地研究其化學(xué)特性和核結(jié)構(gòu)?！庇?guó)利物浦大學(xué)物理學(xué)家羅爾夫·迪特瑪爾·赫茨伯格（Rolf-Dietmar Herzberg）說(shuō)。這可能會(huì)讓理論物理學(xué)家對(duì)穩(wěn)定島的存在界限做出更加準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

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

物理學(xué)家們追求制造更重元素的過(guò)程中，創(chuàng)造了令他們自己都感到驚訝的歷史。在20世紀(jì)90年代初期，誰(shuí)也沒(méi)能想到他們能夠制造出超過(guò)112號(hào)元素的原子，但是一次融合過(guò)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(shuō)，“制造下一個(gè)元素始終是最難的?！?/p>