玻尔模型：超级原子

曹 勇/编译

为了纪念尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）的原子模型一百周年，Nature杂志刊登了特刊讲述这个模型的传奇——以及研究原子结构仍然任重而道远

用这个星球上最强大的X射线枪照射是毁灭原子的一种方法。琳达-杨（Linda Young）在2009年10月份进行了这个实验，当时她正在测试位于加利福尼亚州门罗帕克市的SLAC国家加速器实验室新引入的自由电子激光器。这个价值4.2亿美元的仪器所发射的每个脉冲和该段时间内太阳照射到地球的射线有相同的能量，但是这些能量将聚焦到一个平方厘米的面积上。杨说：“这将摧毁你放在它面前的任何东西。”

当在实验里用这激光脉冲猛烈撞击氖原子时，就产生了爆炸，并在100飞秒 （1飞秒相当于10-15秒）的时间里剥离掉每个原子的10个电子。但这种摧毁原子的方式才真的让杨特别感兴趣，她当时正领导着伊利诺伊阿贡国家实验室的X射线研究部门。X射线首先除去了原子的内层电子，而外层电子依然保留在原来的位置。在一个短暂的时间里，激光照射到的氖原子变成空心的原子。

这种氖原子的奇异状态是物理学家在试图改造原子时创造的新物种之一。一些研究小组让原子膨胀到和微尘颗粒一样的大小，一些研究机构创造出反物质的反原子，而且另外一些科学家通过让原子核带上新的质子和中子来得到新的超重元素。这些实验中的一些是试图探索原子的结构，另外一些是为构建更为复杂的系统进行的初步研究。这些都是丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）100年前带来的原子理论革命的后续发展。但玻尔很难想象科学家会把操纵原子的能力发挥到如此极致程度。

空心原子

玻尔在1913年7月提出的原子模型看上去像是一个缩小的太阳系，电子围绕这一个带正电荷的原子核在同心轨道上排列。在玻尔的模型中，电子是量化的点状颗粒，这意味着他们可以从一个轨道跳跃到另外一个轨道上，但是不能存在于两个相邻轨道之间。20世纪20年代诞生的量子力学保留了这种轨道的概念，但是认为电子可以在原子核周围的所有区域内出现。每个电子的位置只能以概率的形式确认，计算公式是数学上的波函数。

离原子核最远的电子可以以最少的附加能量剥离，通常会首先被去除。然而，X射线包含了更加集中的能量束，可以去除内层轨道上更加紧密的电子。医疗上使用的X射线在每次外层电子补充到内层之前只会剥离一个内层电子。但是SLAC的X射线激光器是特殊的一类，激光束的能量密度极高而且集中，每100飞秒内发射的脉冲在每平方埃（1埃是10-10米）的面积上会产生10万个X射线光子。这让杨在她2009年的实验里轰开了氖原子所有的内层电子，而当外层电子落入空置的内层轨道时，激光束会立刻把它们再次剥离。

“如果你适当地调整X射线仪，你就可以选择想要首先剥离空出的轨道，”杨说。“能够控制内壳的状态是很了不起的事情。”目前这类挖空电子层的记录由位于汉堡的德国激光技术研究所报告，他们使用SLAC激光由内而外地剥离掉氙原子54个电子中位于内层的36个。

杨希望当激光用于拟定的用途时，挖空原子的研究能够证明其有效性，激光原本是用于通过X射线的散射获得如DNA和蛋白质之类的生物大分子的图像。这些图像的获得并不是没有代价的：光束会迅速摧毁掉它所照射的分子。杨说，知道在此过程中如何挖空原子的结构，可能会帮助研究人员解释分子爆炸所伴随的散射图案的变化。

20年以前，几个研究小组使用不同的方式来挖空原子：首先剥离掉原子的所有电子，然后将这些得到的移动缓慢的高点荷离子放置到一个平面上。当离子距离这个表面几十埃时，它们会将表面上的电子吸引过来，创造出一个有外层电子但是没有内壳的短暂状态的空心电子。然后外层电子将会落入到内层轨道，空心原子发射出一组高能电子和光子。“空心原子是含有大量能量的火球，”维也纳技术大学物理学家约阿希姆-伯格德弗尔（Joachim Burgdorfer）说，他致力于这个过程的研究。

20世纪80年代和90年代一些研究小组对空心原子进行探索，一些科学家研究空心原子形成时所释放的光子如何去除最上层的电子，却不对深层电子造成伤害来清空一个表面。尽管这个工艺已经申请了专利，但是并没有得到业界的关注，维也纳科技大学物理学家弗里茨·奥玛亚 （Fritz Aumayr）说。到目前为止最接近实用的阶段出现在2008年，当时研究人员用它来解释太阳喷出的重离子如何会对行星的表面造成伤害，采用的例子是水星。这些离子在到达行星表面时成为空心原子，并且在撞击到行星时产生大量的能量。

2008年奥玛亚发表了一篇论文，证明当离子撞击到碳膜表面时所释放的能量会在碳膜上产生纳米级别的小洞，而这些小洞的大小是由离子的电荷强度（即它丢失了多少电子）所决定的。这可能是制造纳米筛的一个途径，他说，这种纳米筛用来过滤小分子，或者是用来制造能让待测序DNA通过的纳米孔洞。

大分子

从原子核的角度来看，所有的电子都如同远航的行者一般。原子核的直径通常是用飞米来衡量，对应的电子离原子中心的距离通常为原子核直径的10万倍。而里德伯原子是原子界的庞然大物，它们所携带的电子充满能量，因此可以在距离中心约1000亿倍原子核直径——几十或者几百微米——的地方游荡。最大的里德伯原子甚至和这句话末尾的句号差不多一样大。

里德伯原子是以19世纪瑞典物理学家约翰内斯·里德伯（Johannes Rydberg）的名字命名的，这些巨大的原子在上世纪70年代之后得到广泛的关注和研究，当时制造出的激光器可以将电子激发到如此遥远的距离。像其他远行的旅客一样，里德伯原子的外层电子是孤独且脆弱的。遥远的原子核对其的引力是很微弱的，而且极易被其他电磁场或者碰撞所影响，因此这类原子需要在高度真空的条件下产生。如果仔细地将外部影响去除，这类巨大而虚弱的原子能够在大约百分之几秒到两秒甚至几秒的时间内存在。

对位于得克萨斯休斯顿的莱斯大学物理学家巴里·邓宁（Barry Dunning）来说，里德伯原子的价值在于它们能让物理学家们对电子运动进行更为精确地控制。这对于正常原子来说是不可能的，因为普通原子的电子运动十分迅速，甚至最快的激光器也不能捕捉。但是里德伯原子的电子运动是非常缓慢的，通过仔细调整的纳秒级电场脉冲可以控制它们，这让研究人员可以不断地把电子云赶来赶去来以控制它们。

2008年邓宁领导的研究人员报告称他们能够把正常分布的电子挤压到一个紧密的范围，并让其暂时地环绕原子核轨道运行。2012年，他们更进一步，可以让这种轨道运行永久地持续下去。邓宁自豪地说：“重新制造出玻尔原子花费了一个世纪，但是我们还是做到了。”他的下一个想法是试图分别激发和控制两个外层电子，创造出一个类似玻尔对氦原子想象图的系统。

这种原子的拉伸操作有潜在的应用价值。两个相距几微米的气态原子通常不会相互影响，但如果是处于里德伯状态的膨胀原子（或者两个均处于此状态），带有负电荷的电子云会相互排斥，使原子的能量层级紊乱，导致它们不再是孤立的系统。威斯康星-麦迪逊大学的物理学家马克·萨夫曼（Mark Saffman）利用这种属性，使用激光器在两个原子的量子位（即量子比特）之间开合或者关闭里德伯连接来制造出量子逻辑门——量子计算机的基本构件。

“他和其他的研究人员希望接下来能添加更多的原子。即通过适当地激发，冷气态的原子云会成为悬停的晶体里德伯阵列。”英国杜伦大学物理学家马修·琼斯（Matthew Jones）说。

这种方法可能会为研究“强相互作用”固态系统物理学提供一个有用的模型。这些系统内的粒子与相邻粒子间的强相互作用，使得系统出现不同寻常的特性，如高温超导体。“里德伯原子的阵列不是研究现实固态系统内复杂相互作用的完美模型，但是这种方法的简约是其优点”，伯格德弗尔说，“这是一个完美的试验场，可以检验对强相互作用物理学如何实现的许多想法。”

反物质原子

位于瑞士日内瓦附近欧洲核中心 （CERN）的大型强子对撞机（LHC）目前拆成了零散的部件，工程师们正努力提高它的功率。同时在旁边的实验室正在进行升级，以允许物理学家测量反物质原子的特性。

这是自1995年CERN制造出反氢原子以来，研究人员一直追求的目标。反氢原子是由带一个负质子以及一个正电子构成，其质量和普通的质子电子相同，但是所携带的电荷正好相反。在此之外，研究人员对反物质原子的了解知之甚少。“物质和反物质是否遵循相同的物理规律呢？”ALPHA发言人杰弗里·汉斯特（Jeffery Hangst）问道，他是参与制造和分析反氢原子合作的科学家之一。

CERN的实验可能会帮助解释为什么在可见的宇宙空间内物质比反物质要常见。大爆炸创造出相同数量的物质与反物质，这两者相互接触就会湮灭。但后来不知为何，物质获得了优势。科学家已经观察到一些物质和反物质粒子行为特征的不同之处，例如K介子和介子，但是这并不能解释宇宙大爆炸留下的难题。

为了制造出反氢原子，CERN的研究人员首先用加速的质子轰击原子，然后将它们通过金属箔以使其减速，用冷电子束使其冷却，并用电磁场捕获它们，最终获得反质子。使用相似的途径通过放射性物质可以收集到正电子。当带有电荷的粒子云相互混合以后，它们就会组合成中性的反物质原子。但是由于这些原子总体不带电，早期的实验所使用的用来捕获带电反物质粒子的电磁场不能将其捕获，因此不能观察到它们的存在。

在2002年，两个带电粒子云的混合可以制造出多达50 000个反氢原子，但是这些原子迅速和容纳它们的容器壁碰撞并湮灭。直到2010年ALPHA的科学家展示了如何使用三个磁体组合成的磁场来限制反氢原子的磁场运动，从而将其捕获。汉斯特说，当时进行一次耗时20到30分钟的实验可以捕获8个反物质原子中的一个，并且使其存在约1 000秒的时间。

目前ALPHA正试图研究反物质原子的特性。2013年该小组报告说，正在观察几百个从磁场容器中释放的反氢原子，看它们在重力的作用下向下或者是向上运动。汉斯特说，研究人员目前并不知道答案，但是实验遵循一般原理进行。而升级后的研究团队加入了一些激光器，试图在下一年研究清楚反氢原子是否和氢原子吸收和发射相同频率的光线。

CERN的其他小组则正在研究反物质的其他特点，例如反氢原子在变化磁场中的反应。其他地方的研究人员甚至正在寻找更加奇特的原子：东京大学的物理学家早野龙五领导着一个研究混合物质的小组，混合物质是特殊的反物质如反质子氦，其原子核是由一个负电子和一个带有负电荷的反质子环绕，这种组合可以持续约几微秒的时间。

这些实验最终也可能无法解释为何物质和反物质之间的差距大到前者压倒后者。但是，正如汉斯特所说：“没有人知道新的物理定律会在哪里出现，你只能不断地去寻找。”

重原子

反物质原子是很罕见的，但和研究超铀元素的科学家相比，它们的研究人员就如同在数据的海洋里遨游。在一个需要很大耐心的实验里，德国达姆施塔特重离子研究中心的实验人员去年花费了将近5个月的时间用钛-50离子——每个这种离子由22个质子和28个中子组成——轰击锫-249，其速度约为每秒5万亿个钛离子。他们希望或许会有一对或者两对原子会相互融合成含有119个质子的原子，从而获得比之前任何元素的质子都多的新元素。

物理学家在过去的70年里使用重原子束制造越来越重的质子和中子群，并且在元素周期表上扩充了远远超过自然界中存在的新元素。公认的记录保持者是116号元素livermorium（Lv），它含有 116个质子并根据同位素的不同含有174到177个中子。

有报道称已经制造出117号和118号元素，但是这些报道并没有被官方确认。到目前为止，“所有的这些实验都不曾报道过119和120号元素的产生，”GSI主导的合作组织发言人克里斯托弗·杜尔曼（Christoph Düllmann）说，尽管他补充说明他自己的研究小组对去年工作的分析还没有结束。

有一种看法是这类对超重元素的追逐已经进入一个死胡同。随着原子核质量的增加，它们融合的可能性越来越小，因为质子和中子会抵抗相互间的融合。大多数的研究人员同意说想要获得超过120号元素的原子，直接让两个原子核相互融合的可能性是十分渺茫的。“所以这给我们留下了一个问题，”杜尔曼说，“我们下一步该怎么做？”

为了回答这个问题，我们需要理解制造超重元素的动机。好奇心和民族自尊心无疑是其中之一，每个政客和科学家都想把自己国家的名字放在元素周期表的新格子里。但是每种超重元素的存在时间都很短暂，它们会在以毫秒为单位的时间里分裂。

理论物理学家假定一些质子和中子的超重组合会在以秒、分钟甚至天的时间内保持稳定。“稳定岛”的假说被认为会适用于114个和126个质子与大约184个中子的组合。而目前的状况清楚地表明想要通过把轻原子束砸向重原子来获得超重原子的方法不会达到这个稳定岛的要求——获得的同位素所包含的中子太少。所以研究人员正在改变战术，试图使用已经创造出来的超重元素来制造更重的同位素。

这正是俄罗斯杜布纳联合核研究所的科学家们来年将要尝试的事情。他们计划用钙-48原子束轰击放射性的锎-251来获得含有更多中子的同位素。

俄罗斯的研究小组和其他一些研究人员也想回过头去制造那些已经获得的超重原子，并且得到几百甚至上千个原子，而不是为表明制造出新元素所需要的几个。“我们应该为我们自己设立目标，不只是制造出一个或者两个原子，而是有一个宏观的数量，能够让我们用来更加详细地研究其化学特性和核结构。”英国利物浦大学物理学家罗尔夫·迪特玛尔·赫茨伯格（Rolf-Dietmar Herzberg）说。这可能会让理论物理学家对稳定岛的存在界限做出更加准确的预测。

但是想要扩大元素周期表的诱惑是强大的。研究人员可能会放弃让两个原子核迎头相撞的方法，而是尝试让两个重原子核进行侧面相撞，这可能会提高两者相互融合并制造出新元素的成功率。

物理学家们追求制造更重元素的过程中，创造了令他们自己都感到惊讶的历史。在20世纪90年代初期，谁也没能想到他们能够制造出超过112号元素的原子，但是一次融合过程的扭曲改变了历史，正如GSI小组成员迈克尔-布洛克（Michael Block）所说，“制造下一个元素始终是最难的。”