【中配】人類是如何發現鈾元素的？改變世界的偶然發現-Odd_Questions

此時此刻，在世界某個角落 有件玻璃器皿正散發着幽幽的綠色光芒 美麗卻有毒 也許是收藏家陳列櫃裏的古董高腳杯 也許是一顆彈珠 或是祖母用來裝糖果的小玻璃碟 白天看，它只是泛着淡淡的黃色 略顯渾濁，精緻而復古 看起來完全無害 但只要關上燈，拿紫外燈一照 它便彷彿活了過來 散發出詭異的幽幽綠光 簡直像漫畫裏纔有的場景 那種顏色就是鈾 就是廣島的那個元素 也是封存在覈彈頭裏的元素 至今仍足以將世界毀滅數次 這種銀色金屬能爲國家提供五分之一的電力 而燃料星塊不過指尖大小 然而，在人類掌握它的最初一百年裏 人類有史以來發現的最可怕物質 只幹一件事 讓餐具和首飾呈現出漂亮的綠色 人們用鈾制餐具進餐 串成珠子戴在身上 擺在窗臺上，好讓光線照得它閃閃發亮 商店裡擺著一整排泛著綠光的盤子 還有杯子和玻璃器皿 全都當作色彩鮮亮的家居裝飾品來賣 而沒有人有絲毫察覺 這抹綠色來自一種元素 它正向廚房發射看不見的子彈 而就在一代人的時間裡 這種元素便從瓷器櫃中被取了出來 變成了人類有史以來最強大的武器 那麼這一切究竟是怎麼發生的 人類又是如何發現鈾的 它又是如何從被磨成黃色玻璃染料 到人們意識到它從最字面的意義上說 竟是一顆死去的恆星碎片能燒毀整座城市 答案堪稱整個科學史上最離奇的故事之一 這個故事串起了一顆偶然發現的行星 一張在上鎖的暗無天日的抽屜裡自行顯影的照片 亞當比你腳下的大地還要古老 還有一座自行啟動的核反應堆 運轉了數十萬年 那是在人類出現二十億年之前 現在讓我們回到1789年 一位德國化學家 他手裡拿著一塊黑石頭 別人都覺得一文不值 要找到這個故事的開端 你得下到厄爾士山脈的銀礦礦井裏 那片位於如今德國和捷克邊境的地方 就在幾百年前 那裏的礦工在開採白銀 而時不時的 穿插在優質礦石之間 就會挖到一條礦脈 裏面是沉甸甸 黑乎乎油膩膩的岩石 這東西不僅沒用，還礙事 裏面根本不含銀 只會擋道 他們給它取了個德語名字 含有瀝青一詞 因為它看起來像黑色的焦油 而且這個詞恰好也有沃運的意思 我們稱之為瀝青油礦 他們把這種礦石扔進了廢石堆 而這種黑色礦石就是油礦石 這種礦石富含氧化鈾 是地球上密度最高濃度最大的天然鈾礦 礦工們站在礦石中沒過膝蓋 不知這是人類將接觸的影響最深遠的元素 他們咒罵這礦石一文不值 鏟到一旁只爲挖到一點銀子 人們唯一發現的用途就是染色 把這種黑色礦石磨成粉末 少量融入玻璃中就能呈現出美麗的黃色和綠色 於是瀝青油礦就這樣低調而平靜的作爲玻璃顏料 用來給窗戶或酒杯染色的 沒人想到它除了染料還能有什麼用 下面這個細節能讓你明白 這種元素藏在人們眼皮底下有多久了 在那不勒斯附近的一座羅馬別墅裏 就在被維蘇威火山掩埋的那片區域 有一塊黃綠色的玻璃 至於公元79年之前裏面含有鈾 將近2000年前已經有人在用這種元素了 這可是造原子彈的元素 就是爲了給裝飾品添上一抹漂亮的色彩 完全不知道它究竟是什麼 這種情況一直持續到1789年 這塊黑色礦石被放上了實驗臺 這是一位嚴謹的德國化學家 馬丁·海因裏希·克拉普羅特的實驗臺 克拉普羅特不甘認定瀝青油礦只是無價值的着色劑 他懷疑裏面藏着某種東西 那東西從未被人命名過 於是他開始了嚴謹的化學實驗 用酸溶解礦石，再加入其他試劑 沉澱出一種奇怪的黃色化合物 他得出了正確的結論 這種礦石中還有一種全新的元素 一種從未有人分離出來的元素 元素名錄上又多了一個新成員 接下來，他需要給它取個名字 故事到這裏真的要和天空扯上關係了 就在8年前，也就是1781年 天文學家威廉·赫歇爾的一項壯舉 轟動了整個歐洲，他發現了一顆新行星 他用那顆新行星的名字來命名這種新元素 也就是鈾 想想這個巧合有多妙 這是人類發現過的最遙遠的天體，一顆行星 位於太陽系冰冷邊緣 它的名字被賦予了一種從礦井裏挖出的緻密重金屬 克拉普羅特無從知曉這層聯繫究竟有多深 他只是借了個當時時髦的名字 但接下來你會發現 它比自己想象的更接近真相 鈾確實是來自天空的一部分 它真的是從那片星空墜落而來的 不過，故事還有一層轉折 克拉普魯特以爲自己提取出了純金屬 他用木炭加熱氧化鈾 結果得到一種黑色粉末 他宣稱自己提取出了純鈾 然而他錯了 那黑色粉末依然是氧化鈾 是由鈾氧緊密結合的產物 真正的純金屬鈾極難提煉 此後又過了52年才終於被分離出來 法國化學家尤金·佩裏戈終於成功分離出純金屬鈾 直到1841年 一種銀白色的重金屬，密度比鉛還大 至此 鈾被發現命名並最終被分離出來 鈾又回到了老本行 它最初被人類使用的 把東西染成好看的顏色 接下來的事簡直令人難以置信 畢竟它後來的用途衆所周知 在鈾被發現後大約100年裏它的主要用途 這個製造了廣島原子彈 驅動核反應堆的元素 竟然只是用來做裝飾 從19世紀一直到20世紀初 鈾成了玻璃製品中流行的添加成分 只需一小撮就能燒出 泛着熒光的黃綠色玻璃 如今在收藏圈它有好幾個名字 鈾玻璃、凡士林玻璃 因爲那種淡黃綠色看起來就像凡士林 在紫外燈照射下 它會發出一種驚艷而詭異的綠色螢光 人們用它做成各種東西 水杯碗盤子花瓶燭臺珠子 還有首飾櫃門把手甚至成套的餐具 全都是那種發光的綠色玻璃做的20世紀時 有些以很低的成本批量生產 成本低到大蕭條時期被拿來當促銷贈品發放 這就是普普通通的日用品就擺在櫥櫃裡 人們用這種放射性元素做成杯子喝水 還覺得特別好看 這裡我們得嚴謹公正地說 因為真相就是本頻道的招牌 大多數古董玻璃的含鈾量其實很少 如今的收藏者把玩這些器物時也沒什麼好怕的 它們的放射性確實很低 並不是說有個綠杯子就會馬上中毒 但在這就是重點欄目裡 那些賞心悅目的裝飾品每一件 都在輕輕地悄無聲息地釋放著放射性 架子上每一個盤子都在晝夜不停地釋放著 微弱而看不見的粒子流 而擁有它們的人類沒有一個人知道這件事 他們不可能知道 它之所以是地球上最令人恐懼的物質 是因爲它完全不可見 而當時無人發現 直到巴黎那個陰雲密佈的一週 科學史上最幸運的意外之一發生了 那是1896年 法國物理學家亨利·貝克勒爾着迷於一種物質 這種物質會發光，吸收陽光 能在黑暗中發光 這種現象被稱爲磷光 他有一個直覺 幾個月前 世界剛剛被震撼 因爲X射線的發現 這種神祕射線 能穿透固體物質 還能拍出活人手上的骨骼 貝克勒爾猜想 發光物質經陽光激發後 是否也會發出X射線 他恰好在研究一種鈾化合物 正是那種會發光的物質之一 於是他設計了一個實驗 他用厚黑紙把感光板包起來 讓普通光線無法接觸到它 然後把鈾鹽放在上面 他把整套裝置擺到太陽底下 他期待陽光能讓油充能，然後 射出X射線穿透黑紙，在底片上留下痕跡 看起來好像成功了 他沖洗底片，上面真的出現了影像 他覺得自己找到方向了 可偏偏天公不作美 巴黎的天氣跟他作對 天空烏雲密佈，一連幾天不見天日 實驗做不成了 貝克勒爾只好把東西收起來 連同上方的油鹽 和包好的未曝光底片一起放進 黑暗的抽屜，等待天晴 原因他自己也說不清 幾天後，他還是決定沖洗一張底片 也許是出於習慣 也許只是想確認一下 他預計最多隻會看到一點模糊的痕跡 因為按他自己的理論，沒有陽光 按理說油應該什麼都不會發生 油在密封的感光板上 印出了一個清晰分明的輪廓 一片漆黑中鎖在抽屜裡 沒有陽光，沒有能量來源 什麼都沒有 好好想想這意味着什麼 鈾不需要太陽 它根本不需要任何東西來給它充能 它完全靠自己源源不斷地釋放出穿透性射線 無窮無盡，來自原子內部某個深不見底的源頭 這些射線徑直穿過黑紙 彷彿它根本不存在 就是那種人們拿來做杯子的 軟軟的裝飾性元素 始終在發射着看不見的子彈，一刻不停 自行 貝克勒爾就此發現了放射性 而這一發現純屬偶然 只因那天巴黎的天空恰好是陰的 貝克勒爾找到了那根線頭 一位在巴黎的年輕波蘭科學家 順着線索解開了整件事 她就是瑪麗·居里 她與丈夫皮埃爾攜手 她將這些奇特的鈾射線 選定爲自己的博士研究課題 她發現有些事情說不通 她測量了黑色瀝青鈾礦原石的放射性 發現其放射性遠遠超出了 鈾含量所能解釋的範圍 這塊礦石比純鈾的放射性還強 裏面一定藏着別的東西 一種隱藏的微量物質 放射性甚至比鈾本身還要強烈 於是居里夫婦做出了一件既英勇又近乎瘋狂的壯舉 他們硬是搞到了成噸的瀝青鈾礦 在一間漏風冰冷的棚屋裏 煮沸攪拌過濾一噸又一噸的提煉 追逐着看不見的信號，尋找那額外放射性的源頭 從這些礦石中，他們提煉出了兩種新元素 一種以瑪麗的祖國波蘭命名，叫做釙 另一種則根據它的特性，它的輻射方式來命名 他們叫它鐳，鐳的性質令人驚歎 大約是鈾的兩百萬倍 它在黑暗中自行發光 肉眼可見，透着一股詭異 它不需任何來源就能持續釋放熱量 瑪麗居里爲這種奇異的特性造了一個新詞 某些元素能不斷從內部向外釋放能量 她把這種現象命名爲放射性 就這樣她和貝克勒爾以及那塊黑色礦石 撬開了一個宇宙自誕生之初便深藏的祕密 有些原子並不穩定 它們悄無聲息地不停地崩解 甩出自身的碎片 嬗變成其他元素 從一處無人知曉蘊藏能量的地方 釋放能量，那就是原子核 恰恰位於原子的正中心 鈾可不僅僅是漂亮的顏料 鈾是通向原子內部的一扇大門 這就引出了一個顯而易見的問題 這樣的元素究竟從何而來 這種東西本質到底是什麼 而答案正是整個故事中最震撼人心的部分 窗臺上那塊綠色玻璃的真相是這樣的 它比地球還要古老 它根本不來自地球 而要想了解鈾 就必須先了解重元素是在哪裡形成的 最輕的氫和氦在大爆炸中鑄就 更重的元素直到鐵，則在普通恆星的內部慢慢煉就 但鈾是最重元素，它在自然界中能實際大量存在 原子敘述 9-2，一個臃腫巨大的原子核擠滿了質子和中子 根本無法形成如此龐大的元素 在普通恆星平靜的內部，這需要超乎想像的劇烈過程 需要一場災變，垂死恆星爆炸成為超新星，或者 正如我們近年才發現的那樣 還有更極端的情況 兩顆中子星迎頭相撞 死去的恆星留下的超高密度殘骸轟然相撞 其威力之大，足以撼動時空的結構 在那耀眼的一瞬間 物質受到極致碾壓 原子被迫接連吞噬中子 幾乎在一瞬間不斷累積 形成了現存最重的元素 鈾便由此而生 2017年 天文學家真實觀測到了兩顆中子星的碰撞 並證實這些宇宙災變正是 宇宙鍛造最重原子的所在 地球上每一個鈾原子 無論是炸彈中的 反應堆裏的 還是泛著綠光的杯子 都源於一顆恆星的死亡 而那遠在太陽誕生之前 當我們的太陽系 從一團氣體和塵埃中凝聚而成時 那是45億年前的事了 那團星雲中就已經混入了 鈾 那是遠古恆星爆炸後留下的灰燼 在地球誕生之前 鈾就已經存在了 它就是構成地球的原材料之一 而你可以用這種元素自身的衰變時鐘來證明這一點 鈾最常見的形態是鈾-238 它具有放射性會衰變 但速度慢得驚人 它的半衰期，也就是一半原子發生衰變所需的時間 大約是45億年 這幾乎與地球的年齡完全一致 這絕非巧合 這意味着地球誕生之初 內部就蘊含着一定量的星辰鈾 而在地球誕生至今的整個歷史長河中 其中僅約一半發生了衰變 我們正生活在一顆死去的恆星的殘骸之上 而它們至今也僅僅消耗了一半 而接下來這一點幾乎無人察覺 這種緩慢的衰變不僅僅是一支時鐘 它更是一座熔爐 當鈾及其放射性夥伴在地球深處衰變時 它們釋放熱量 這些熱量提供了地球散發出的差不多一半的熱量 它是讓地球內部保持熔融的關鍵力量 推動板塊緩慢運動 爲火山提供能量 讓大陸在全球漂移 地底深處的溫暖 很大一部分來自鈾 這種元素並不只是存在於玻璃中 它一直默默驅動著地球的引擎 45億年來 但如果你覺得一種元素能從內部讓地核 升溫已經很離奇 那鈾完全靠自己做過的事會讓你更驚嘆 就在二十億年前的非洲巖層中 1972年法國一家核燃料廠裡 一名技術人員在做例行檢查時 發現了本不該存在的東西 他當時正在檢測一批來自奧克路礦的鈾礦石 這座礦位於西非國家加蓬 而這份鈾的數據出了問題 宇宙中每一份天然油 無論是地球上還是月球上 隕石中可裂變的稀有鈾 235的含量始終固定 為0.720% 這是自然界永恆不變的常數 但奧克洛礦區的礦石鈾 235含量卻偏低 其中一部分鈾235竟不翼而飛 消失的鈾235 只有一種東西能消耗它 核反應堆鈾-235 在鏈式反應中分裂，從而被消耗 所以這塊貧化礦石看上去簡直就 像是已經經歷過核反應堆一樣 可這不過是剛從地裏挖出的原礦石，已有20億年曆史 20億年前，世上根本沒有反應堆 那時地球上連複雜的生命體都幾乎不存在 可事實偏偏就是如此 物理學家弗朗西斯·佩蘭帶領團隊反覆推演 終於得出了答案 而結論令人瞠目結舌 大約20億年前，在奧克洛岩層的深處 早已自行造就了一座核反應堆 一條條富鈾礦脈 地下水緩緩從中滲過 充當慢化劑，維持反應 自發啓動了自制核裂變鏈式反應 正是用來發電供給城市的反應 卻未藉助任何外力 它自己啓動了 而且它並不是只運轉了一瞬間 在奧克洛至少發現了16處 這樣的天然核反應堆 它們反覆運轉，地下水沸騰時暫停 冷卻後再繼續 等水再滲回來又繼續反應 如此循環了數十萬年 一座核反應堆深埋在非洲的巖層之中 靜靜地低鳴運轉 比人類發明核反應堆整整早了20億年 當年之所以能出現這種情況 如今自然界不可能再出現 因為時間在流逝 因為鈾235的衰變速度比鈾238快 所以在20億年前 天然鈾中鈾235的佔比約為3% 而這恰好接近 如今我們為商用反應堆刻意製造的濃縮比例 在遙遠的遠古時代 地球上的鈾曾一度僅憑自身就達到了反應堆級別 大自然比我們早了近20億年完成這場實驗 而這終於引出了我們的正題 鈾是如何不再僅僅是一種稀罕之物 成為人類所駕馭過的最強大的力量 而這一切來得快得令人恐懼 1938年末柏林 化學家奧託哈恩和弗裏茨斯特拉斯曼用中子轟擊 鈾卻得到了一個無法解釋的結果 更輕的元素重量大約只有鈾的一半 竟出現在他們根本不該出現的地方 此事毫無頭緒 直到物理學家利澤·邁特納與其侄奧托·弗裏施 在雪中散步時反覆思索 才終於意識到發生了什麼 鈾原子被徹底一分爲二 他們借用生物學中細胞分裂的說法 將其命名爲裂變 所有看懂的人立刻意識到了極可怕的後果 當鈾原子核分裂時 會釋放能量並放出更多中子 這些中子又會分裂更多鈾原子核 釋放出更多中子如此循環往復 這就是鏈式反應 曾在奧克洛緩慢而溫和地發生的事情 若使用濃縮鈾 便能在轉瞬之間一次性全部發生 這便是核爆炸 而在世界大戰的陰霾之下 製造它的角逐悄然開始 僅僅7年 這個做了百年裝飾玻璃的元素 竟在難以置信的保密中被製成了一枚炸彈 1945年8月一枚以鈾爲原料的武器 與另一枚使用其人造近親元素的武器 摧毀了兩座城市 你祖母櫥櫃中那抹柔和的綠光 與廣島上空的火球竟源自同一種元素 人類用了一個世紀才明白自己手中握着的是什麼 而僅僅幾年之後 它就被製成了人類有史以來最致命的武器 但鈾的故事並沒有終結於原子彈 還是那顆分裂的原子 在奧克洛被地下水控制和減速的同一過程 也是能量密度最高的能源之一 人類所掌握的一顆指尖大小的鈾燃料顆粒 所含的能量大約相當於一噸煤 如今，鈾在悄然 爲全球貢獻着很大一部分無碳電力 爲醫院千家萬戶乃至整座城市供電 用同一塊死去的恆星碎片 地球上最令人恐懼的元素 也是大自然賜予我們最強大的能源之一 歸根結底，全看我們把它指向何方 那人類是如何發現鈾的呢？ 我們發現它的方式和發現幾乎所有事物一樣 緩慢偶然 而且完全不知道我們發現的究竟是什麼 我們把它當做一塊無用的黑石頭挖出來 對它嗤之以鼻 我們把它磨成粉末摻進玻璃 欣賞那抹漂亮的綠色 一位化學家從中提取出新元素並命名 歷史上巧合的是 他以一顆新發現的行星為它命名 卻全然不知 這種元素真的是從天上掉下來的 整整一百年 我們用含鈾的餐具吃飯 卻不知道它正微弱而永不停歇地釋放著輻射 後來在巴黎有一週連日陰天 一張在黑暗中自行顯影的照片 揭開了它隱藏已久的祕密 這個祕密從宇宙誕生之日起就存在著 它的原子並不穩定不斷從內部釋放出能量 當我們終於找到這股能量的來源 才發現我們一直在把玩一顆爆炸恆星的碎片 它比地球還要古老 至今仍從內部為地球提供熱量 僅憑自身就能讓反應堆運轉 只要我們願意 就能讓它化作城市上空的第二個太陽 人類從未刻意去發現 它一直就藏在眼皮底下 藏在窗玻璃和酒杯之中 2000年來人類觸碰過的最強力量 一直披著色彩的外衣 所以下次你看到一塊幽幽發光的綠玻璃 在古董店裡 在博物館裡或老宅的櫥櫃中 不妨比平時多看它一眼 你眼前是一顆恆星的碎片 它在太陽誕生之前就已消亡 你眼前的是構成地球的原始材料之一 45億年前至今也才衰變了一半 你看到的就是那座熔爐的一小片 它溫暖著大地推動著大陸 你看到的就是曾在非洲巖層中運轉核反應堆的那種東西 那時地球上最複雜的生命還只是池塘浮沫 也是後來被我們分裂的原子 在短短一代人的時間裏 既能點亮城市也能將其終結 而在我們掌握它的絕大部分時間裏 我們就那樣看著它 卻只看見一種好看的綠色 這或許是整個故事裏最體現人類本性的一點 世界上最了不起的東西可以放在架子上 放上幾百年折射著光芒 我們為它撣去灰塵欣賞著它 卻從未料到手中握著的是一片天空