1945年美国在日本长崎投下的原子弹“胖子”携带了约 6.2 公斤浓缩钚，大致相当于一个垒球的大小。这块致命金属的来源可以追溯到在“曼哈顿计划”研究人员的实验室中创造的一小片碎片，其重量不到三百万分之一克。这是一个具有历史意义的碎片，它体现了惊人的科学成就和深刻的悲剧——一枚炸弹造成至少 64,000 人死亡和受伤（估计数字各不相同），并加速了日本的投降。2007 年，这个具有历史意义的样本，即研究人员见到的第一块钚，从公众视野中消失了。
现在，它在加州大学伯克利分校危险材料设施内一间没有窗户、安全的六英尺见方房间的塑料盒中重新出现。这小块由诺贝尔奖得主化学家格伦·西博格最初发现的元素制成的物质，仅附有关于其来源的有限文件。但是伯克利的一个团队发现了放射性指纹，表明这小片确实来自曼哈顿计划。他们于 12 月 24 日在 arXiv 物理预印本服务器上发表了他们的发现，目前正在推动将这一历史碎片重新公开展示。
这小片的故事始于 1941 年，当时世界各交战国竞相开发原子弹，主要集中在铀的核裂变上。那一年在伯克利，西博格与阿瑟·瓦尔和约瑟夫·肯尼迪一起合成了一种全新的元素：钚。尽管他们仅通过用氘核——由一个质子和一个中子组成的粒子——轰击铀 238 产生了极微量的钚，但他们很快确定它具有作为核弹材料的爆炸潜力。
到 1942 年初，研究核链反应的科学家（如物理学家恩里科·费米）和研究钚化学的科学家（如西博格）被命令前往芝加哥大学，开始开发原子弹的曼哈顿计划的工作。（西博格在 1950 年 4 月的《大众科学》文章中撰写了关于合成钚和其他几种元素的文章，其中包括一张在芝加哥制作的样本的颗粒状照片。）
由于钚是刚刚被发现的，科学家们对其性质知之甚少。他们需要更多的这种元素来了解如何在核武器中使用它。为了制造更多的钚，并克服研究含有极少量钚的放射性金属混合物的困难，西博格领导的一个小组用中子轰击了数百磅的铀盐。
经过一系列纯化步骤，芝加哥化学家伯里斯·坎宁安和路易斯·沃纳随后可以从原始材料中提取少量钚盐。然而，这些盐在其晶体结构中捕获了少量水。通过在空气中燃烧这些盐——因此使其与氧气反应——科学家们制造出无水氧化钚。他们第一次能够将他们的纯化合物放在特制的天平上，并记录下他们分离出了价值 2.77 微克的钚。“他们真的能看到它，”加州大学伯克利分校核工程师 埃里克·诺曼说，他进行了一些新的测试来确定样本的来源。“以前没有人见过钚。”
华盛顿特区原子遗产基金会的创始人辛西娅·凯利说：“在早期，那么大的样本已经相当大了。”“即使生产少量，也花费了数亿美元。”该样本和生产它的方法将在未来三年内帮助钚科学发展到足以制造“胖子”原子弹的程度。（几天前投下的广岛原子弹有一个铀弹芯。）
西博格因合成钚和其他铀以外的元素而于 1951 年获得诺贝尔奖，扩展了元素周期表。芝加哥大学将最初的 2.77 微克钚样本送给他保存，装在一个透明的塑料盒子里。（“该样本中的放射性量非常低，对任何人都没有健康危害，”诺曼说。）西博格随后将其赠送给加州大学伯克利分校的劳伦斯科学馆，该馆从 1979 年开始在一个玻璃柜中展出它，旁边有一个简单的标牌描述其来源。然后在 2007 年，工作人员在展示改造期间移走了盒子，转而采用更具互动性的展品。该容器被闲置在仓库中，几乎没有迹象表明其重要性。
2008 年，加州大学伯克利分校的健康物理学家菲尔·布劳顿在检查危险材料设施的库存时，发现一个标有“Pu 的第一个称重样本。2.7 微克”的透明塑料盒。布劳顿说，他震惊地注意到，一个引用西博格工作的标牌就在盒子旁边。“这相当于最初的月球岩石，”他兴奋地说。但是由于没有其他证据随盒子一起出现，他担心它的内容会被遗忘。
几年来，布劳顿的担忧似乎是有道理的。例如，他询问华盛顿特区的史密森尼学会是否想要它。然而，那里的策展人希望布劳顿向他们提供证据，证明这绝对是 1942 年的样本，但他除了松散的标牌外，没有任何证据，而这并不是确凿的科学证据。盒子仍然留在它没有窗户的“监狱”里。
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2014 年 7 月，布劳顿请求伯克利核工程系帮助鉴定这种金属。诺曼与同事核工程师基南·托马斯以及来自圣地亚哥州立大学的夏季本科生研究助理克里斯蒂娜·特尔哈米挺身而出，对样本进行了测试。他们使用锗电离探测器，仔细搜索了钚衰变为铀的“指纹”——原子核发射的伽马射线和电子发射的 X 射线。
伯克利团队的测量结果表明，该样本绝对是高纯度钚。他们还检测到其他指向其曼哈顿计划起源的线索。西博格的方法仅生产出钚 239，它非常缓慢地衰变回铀 238。后来在核反应堆中通过用中子轰击铀生产钚，有时也会产生钚 241，它会更快地衰变为元素镅。在伯克利的小片中没有发现镅的迹象。
科学家估计该样本的钚质量为 1.7 至 2.3 微克。诺曼说，这“非常”接近于减去原始氧化钚中所含氧的质量后剩余的质量。对应于铂金制成的反应容器的 X 射线信号（坎宁安和沃纳使用的就是这种类型的容器）也指向了回收的
目前，塑料盒仍由布劳顿和他的同事保管。诺曼希望它能在西博格团队做出最初的、具有重大意义的发现的伯克利化学实验室展出。该大学的化学系渴望拥有该样本。然而，西博格的实验室仍在用于研究，因此空间限制可能会使其无法成为永久展览的场地。
凯利同意在实验室兼博物馆中展示钚将是一个好主意，并指出伯克利也可能成为新的曼哈顿计划国家历史公园的一部分，其中包括该计划的许多原始设施。贝拉克·奥巴马总统在去年年底签署了一项法律，授权建立该公园。这种认可似乎恰如其分地反映了该文物的意义：如此微小的东西却对未来产生了如此深远的影响，这种情况极为罕见。
点击此处阅读《大众科学》关于核武器能力近期变化的特别报道。要了解更多关于原子弹开发的信息，请访问原子遗产基金会的访谈集——包括对西博格的访谈——请访问“曼哈顿计划之声”。