1945年美國在日本長崎投下的原子彈“胖子”攜帶了約 6.2 公斤濃縮鈽，大致相當於一個壘球的大小。這塊致命金屬的來源可以追溯到在“曼哈頓計劃”研究人員的實驗室中創造的一小片碎片，其重量不到三百萬分之一克。這是一個具有歷史意義的碎片，它體現了驚人的科學成就和深刻的悲劇——一枚炸彈造成至少 64,000 人死亡和受傷（估計數字各不相同），並加速了日本的投降。2007 年，這個具有歷史意義的樣本，即研究人員見到的第一塊鈽，從公眾視野中消失了。
現在，它在加州大學伯克利分校危險材料設施內一間沒有窗戶、安全的六英尺見方房間的塑膠盒中重新出現。這小塊由諾貝爾獎得主化學家格倫·西博格最初發現的元素製成的物質，僅附有關於其來源的有限檔案。但是伯克利的一個團隊發現了放射性指紋，表明這小片確實來自曼哈頓計劃。他們於 12 月 24 日在 arXiv 物理預印本伺服器上發表了他們的發現，目前正在推動將這一歷史碎片重新公開展示。
這小片的故事始於 1941 年，當時世界各交戰國競相開發原子彈，主要集中在鈾的核裂變上。那一年在伯克利，西博格與阿瑟·瓦爾和約瑟夫·肯尼迪一起合成了一種全新的元素：鈽。儘管他們僅透過用氘核——由一個質子和一箇中子組成的粒子——轟擊鈾 238 產生了極微量的鈽，但他們很快確定它具有作為核彈材料的爆炸潛力。
到 1942 年初，研究核鏈反應的科學家（如物理學家恩里科·費米）和研究鈽化學的科學家（如西博格）被命令前往芝加哥大學，開始開發原子彈的曼哈頓計劃的工作。（西博格在 1950 年 4 月的《大眾科學》文章中撰寫了關於合成鈽和其他幾種元素的文章，其中包括一張在芝加哥製作的樣本的顆粒狀照片。）
由於鈽是剛剛被發現的，科學家們對其性質知之甚少。他們需要更多的這種元素來了解如何在核武器中使用它。為了製造更多的鈽，並克服研究含有極少量鈽的放射性金屬混合物的困難，西博格領導的一個小組用中子轟擊了數百磅的鈾鹽。
經過一系列純化步驟，芝加哥化學家伯里斯·坎寧安和路易斯·沃納隨後可以從原始材料中提取少量鈽鹽。然而，這些鹽在其晶體結構中捕獲了少量水。透過在空氣中燃燒這些鹽——因此使其與氧氣反應——科學家們製造出無水氧化鈽。他們第一次能夠將他們的純化合物放在特製的天平上，並記錄下他們分離出了價值 2.77 微克的鈽。“他們真的能看到它，”加州大學伯克利分校核工程師 埃裡克·諾曼說，他進行了一些新的測試來確定樣本的來源。“以前沒有人見過鈽。”
華盛頓特區原子遺產基金會的創始人辛西婭·凱利說：“在早期，那麼大的樣本已經相當大了。”“即使生產少量，也花費了數億美元。”該樣本和生產它的方法將在未來三年內幫助鈽科學發展到足以製造“胖子”原子彈的程度。（幾天前投下的廣島原子彈有一個鈾彈芯。）
西博格因合成鈽和其他鈾以外的元素而於 1951 年獲得諾貝爾獎，擴充套件了元素週期表。芝加哥大學將最初的 2.77 微克鈽樣本送給他儲存，裝在一個透明的塑膠盒子裡。（“該樣本中的放射性量非常低，對任何人都沒有健康危害，”諾曼說。）西博格隨後將其贈送給加州大學伯克利分校的勞倫斯科學館，該館從 1979 年開始在一個玻璃櫃中展出它，旁邊有一個簡單的標牌描述其來源。然後在 2007 年，工作人員在展示改造期間移走了盒子，轉而採用更具互動性的展品。該容器被閒置在倉庫中，幾乎沒有跡象表明其重要性。
2008 年，加州大學伯克利分校的健康物理學家菲爾·布勞頓在檢查危險材料設施的庫存時，發現一個標有“Pu 的第一個稱重樣本。2.7 微克”的透明塑膠盒。布勞頓說，他震驚地注意到，一個引用西博格工作的標牌就在盒子旁邊。“這相當於最初的月球岩石，”他興奮地說。但是由於沒有其他證據隨盒子一起出現，他擔心它的內容會被遺忘。
幾年來，布勞頓的擔憂似乎是有道理的。例如，他詢問華盛頓特區的史密森尼學會是否想要它。然而，那裡的策展人希望布勞頓向他們提供證據，證明這絕對是 1942 年的樣本，但他除了鬆散的標牌外，沒有任何證據，而這並不是確鑿的科學證據。盒子仍然留在它沒有窗戶的“監獄”裡。
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2014 年 7 月，布勞頓請求伯克利核工程系幫助鑑定這種金屬。諾曼與同事核工程師基南·托馬斯以及來自聖地亞哥州立大學的夏季本科生研究助理克里斯蒂娜·特爾哈米挺身而出，對樣本進行了測試。他們使用鍺電離探測器，仔細搜尋了鈽衰變為鈾的“指紋”——原子核發射的伽馬射線和電子發射的 X 射線。
伯克利團隊的測量結果表明，該樣本絕對是高純度鈽。他們還檢測到其他指向其曼哈頓計劃起源的線索。西博格的方法僅生產出鈽 239，它非常緩慢地衰變回鈾 238。後來在核反應堆中透過用中子轟擊鈾生產鈽，有時也會產生鈽 241，它會更快地衰變為元素鋂。在伯克利的小片中沒有發現鋂的跡象。
科學家估計該樣本的鈽質量為 1.7 至 2.3 微克。諾曼說，這“非常”接近於減去原始氧化鈽中所含氧的質量後剩餘的質量。對應於鉑金製成的反應容器的 X 射線訊號（坎寧安和沃納使用的就是這種型別的容器）也指向了回收的
目前，塑膠盒仍由布勞頓和他的同事保管。諾曼希望它能在西博格團隊做出最初的、具有重大意義的發現的伯克利化學實驗室展出。該大學的化學系渴望擁有該樣本。然而，西博格的實驗室仍在用於研究，因此空間限制可能會使其無法成為永久展覽的場地。
凱利同意在實驗室兼博物館中展示鈽將是一個好主意，並指出伯克利也可能成為新的曼哈頓計劃國家歷史公園的一部分，其中包括該計劃的許多原始設施。貝拉克·奧巴馬總統在去年年底簽署了一項法律，授權建立該公園。這種認可似乎恰如其分地反映了該文物的意義：如此微小的東西卻對未來產生了如此深遠的影響，這種情況極為罕見。
點選此處閱讀《大眾科學》關於核武器能力近期變化的特別報道。要了解更多關於原子彈開發的資訊，請訪問原子遺產基金會的訪談集——包括對西博格的訪談——請訪問“曼哈頓計劃之聲”。