Theodore W. Richads早在1919年就曾指出：“如果我们不可想象的古宇宙也有过什么开端的话，那么决定这个开端的那些条件甚至到现在也必定在原子量上留下了印记。它们也是一种象形文字，以它们自己特有的语言向我们讲述着所有物质的诞生或发展的过程，而包含元素分类的周期表就是这样的，它能使我们对原子量进行解释。”

在周期表里有三个地方的原子序和原子量的次序是颠倒的。例如，在Te、I、Xe序列里，I的原子量就比Te的小、这些反常现象在Richads时代是不可能得到完满解释的，但在1919年，Francis W. Aston建成了第一台质谱仪，它使人们能够测定元素稳定同位素的相对丰度。于是、人们不仅有可能十分精确地测量元素的“平均”原子量，而且还有可能测量出精确的同位素组成。现代型式的Aston质谱仪，现在正被许多研究者用来探索宇宙中元素的起源。

1936年夏天，Aston访问日本，在东京帝国大学作了一次学术演讲，当时，我作为一个十九岁的大学生参加了这次演讲会，留神地听他的演讲。看起来Aston担心存在这样一种可能性，即物质转化所释放出来的巨大能量可能会以某种方式吞没整个地球，因此，他用以下的话语结束了他在1922年12月2日诺贝尔奖金授奖大会上的演讲：“如果将来的研究工作者真能发现一些方法以一种可被利用的形式释放出这种能量的话，那么人类的这种竞赛就会超越科学小说的梦想而打击它的控制能力；但人们必须考虑这样一种遥远的可能性，即一旦释放出来，这种能量就是完全不可控制的，同时由于它的强大能量而使其所有邻近的物质爆炸。在这一事件中，地球上的全部氧有可能立即被转化，而这个实验的成功导致一颗新星逍遥地出现于宇宙。”

1935年，Frederic Joliot也表述了一种类似的观点，他指出：“一颗肉眼看不到的星可能变成很明亮的、不用望远镜就可看到的星——这就是说出现了一颗新星。这颗星的这种突然闪亮现象也许是由于一些具有爆炸特性嬗变的结果，这些嬗变就跟那些我们迷离的想象现在正看到的嬗变一样——这种过程研究者们无疑是要尝试实现的，而我们希望有必要采取慎重态度。”

第二次世界大战期间，美国和日本的核物理学家和化学家都试图产生爆炸性核嬗变。以物理学家二阶吉广和化学家木村宪二郎为首的日本工作组研究以下反应：

但它们未能肯定地鉴定²³⁹U的衰变产物——当时尚不知道的93号元素的一种同位素。

但是，与普遍所持的观点相反，在我看来，日本工作组的这些领导者的兴趣并不真正在于制造核武器。例如，在一份注明日期是1943年7月6日的帝国军队的秘密文件中，二阶吉广发表了以下意见：“10公斤²³⁵U和30公斤的水结合会产生相当于10,000公吨煤的能量。虽然在普通引擎里利用铀是相当困难的，但它却很容易地用作炸弹。然而，我们将失去10公斤²³⁵U，因而我们必须始终准备好另外10公斤²³⁵U。所以，用铀作核武器在目前看来是不明智的。”

我在东京帝国大学的年长教授木村宪二郎要我从事日本的火山和温泉的地球化学研究。因此，我对与地壳内部发生的大规模过程有关的问题变得有兴趣了。我常常亟想知道这些发生在地壳内部的事件是否可能是核的而不是化学的过程。我还设想过，在地球早期演变过程中存在过的一些未知的重元素可能一直起着一种火山活动的一种能源的作用。

我对1939年一个名叫Willard F. Libby的年轻美国化学家所发表的一篇文章特别感兴趣。他提出了一种想法，即根据元素的测量丰度和铀、钍普通放射性辐射强度所计算出来的最老岩石年龄的各种结果间存在着“差异”，由这些差异人们就有可能发觉天然裂变。但是，观测到的铀天然裂变的半衰期很长，这就似乎排斥了这样一种可能性。因此，1939年Libby就曾断言：“老岩石的铀、钍法测定的年龄结果之间是一致的，这些测定结果与最老岩石年龄的其它估算也是相符的，这些事实似乎表明：地球的年龄至少有2×10⁹年，而半衰期小于5×10⁹年的裂变过程是不存在的、除非某些地球范围内的过程一直在或现在正在产生着铀和钍。”

1945年夏天，在日本的广岛和长崎发生了产生爆炸性核嬗变的事件，事件的结果似乎表明，以前Aston和Joliot所表示的担心是毫无事实根据的。这次大战以日本无条件投降而突然结束。虽然战后日本人不得继续进行其核物理和核化学方面的研究，但我在“美国人的图书馆”里花了我很多时间去读来自美国的战后科学杂志，这个图书馆当时建在东京市区。Seaborg和Perlman所写的一篇论文特别引起我的注意。这篇论文曾作为一份秘密报告在1942年3月13日从加利福尼亚的伯克利邮寄到美国首都华盛顿的“铀委员会”，六年以后即1948年公开发表在“Journal of the American Chemical Society”（美国化学会志）上。

根据Seaborg和Perlman的说法，加拿大大熊湖（Great Bear Lake）区的一个沥青铀矿样品在沥青铀矿原始浓缩物中含有1/10¹⁴的²³⁹Pu。在沥青铀矿中发现的这种钚同用在长崎炸弹中的钚是一样的。由铀-238的自裂变、（α，n）反应产生的中子以及宇宙射线中子按以下方式产生24,000年的²³⁹Pu：

在我看来，铀矿中²³⁹Pu的天然存在似乎证明在自然界里实际上正在发生着次临界的铀链式反应。那么，如果在地球的地质演变过程中自然界里曾经发生过自持铀链式反应的话，如像Libby所想象的那些“差异”仍有可能观测得到的推想就是不可能的吗？

天然核反应堆

1942年12月2日，人类首次实现了自持链式反应，从而开创了受控释放核子能的时代——所以人们称之为芝加哥大学足球场上的荣誉徽章**。1957年，Donald J. Hughes在他的《核子能》一书中写道：“为了具体说明人们最初瞥见这些可能性时的畏惧心理，让我们回顾一下在早些年代一些科学家所提出的论点是饶有兴味的，他们说自持链式反应那是不可能的事。他们得出这个结论的根据是，如果这种反应确是可能的话，那它早已在地球表面的某些地方一直在自然地发生着，其后果是灾难性的。在这些人看来，通过人类有限的努力就可以达到想起来那么可怕地大规模释放核子能，那恰恰是不可能的事。”

到目前为止，我一直不能同意某些科学家的意见，他们认为，如果这种链式反应确实是可能的话，则它早就会在地球表面的某些地方一直自然的发生着。总而言之，天然存在自持核链式反应的思想是很不流行的，这种状况一直延续了多年。因此，二十年后George A. Cowan在1976年7月一期的“Scientific American”（科学美国人）杂志上曾经写道：“美国的核科学家们是以怀疑的态度收到OKLO反应堆的通报的。一些世界上最优秀的物理学家在细心注意机械细节、材料纯度和组件几何构形的情况下建造了Stagg Field反应堆。大自然竟能如此偶然地达到同样的结果吗？我们现在知道，荅案是肯定的。”

为什么天然反应堆的思想在五十年代期间不流行的原因是，Fermi的堆理论在用到铀矿沉积物时，似乎导出这样一个毫不含糊的结论，即这种链式反应绝对不可能成为自持性的。在一篇题名为《论铀矿的核物理稳定性》的简短文章中，我曾指出：事实并非如此。在这篇论文里我写道：“无限介质增殖系数K_∞可以看作是铀矿物核物理稳定性的一项指示性参数，这些铀矿物本身是铀、慢化剂和杂质的天然集合物。”当这种集合物的无限介质增殖系数远远小于1时，我们即可认为这个体系是十分“稳定”的。当无限介质增殖系数大于1时，则该体系在核物理上就会是“不稳定”的。

根据费米的堆理论：

K_∞=εpfn

式中ε是快中子增殖系数，p是逃脱共振俘获几率，f是热中子利用系数，而n是每个被铀吸收的中子可得到的快中子数。当涉及到地质事件时，随地质年代而变的铀浓缩度的变化也应当加以考虑。矿物中的主要中子来源是自发裂变和（α，n）反应。如果已知矿物的化学成分，我们即可计标出p和f的值，而ε始终接近于1，随铀浓缩度而变的n也是已知的。因此，任何地质年代的某一矿物的K_∞值是能计算出来的。

在1956年的一篇论文里，我选了萨克森约翰乔治城的沥青铀矿作为例子计算了ε、p、f、n和K_∞的值。之所以选这种沥青铀矿的原因是双重的：（1）看来它没有消耗中子的稀土，这一点就意味着这种矿石很可能是在地球的地质演变中最易成为核物理上不稳定体系的矿石；（2）这种沥青铀矿的化学分析是美国地质委员会的W. F. Hillebrand在十九世纪八十年代完成的，我认为他是十九世纪最伟大的分析化学家。表1列出了约翰乔治城沥青铀矿的化学成分。

随地质年代而变的ε、p、f、n和K_∞的计算值列在表2里。类似的计算表明，在过去28亿年里，这些铀矿石在核物理都不是“不稳定”的：当²³⁵U含量增大时，使f、n值缩退回复的现象得到稳固的增强，但p值减小了，所以K_∞在10 ~ 20亿年以前曾经达到一个最大值之后也减小了。因此，这些计算的结果似乎导出这样一个毫不含糊的结论，即在地球的整个地质演变过程中，这种链式反应是绝对不可能变成自持性的。

但是，以上的计算是以一个过度简化的模型为基础的，在此模型中作了如下假定：矿石沉积物基本上是以它现在的化学状态不知为何同时地在自然界里产生的。所以我主张，应该把铀矿石作为浓缩铀（燃料）、水和吸收中子的杂质的集合物来处理，其中的水/铀之比（n）应当看作是一个变量。在表2里，水/铀之比稍一增大就很容易地引起P向上急剧的变化，而对f无重大影响，其结果可能足以使该体系成为核物理上“不稳定的”。

所以我假定过铀矿石的形成表示以下顺序的事件：铀（²³⁵U被加浓的）的水溶液被逐步地转化成铀加n摩尔水（n=1，2，3…n）的集合物，最后转化成几乎无水的铀矿物。

假定约翰乔治城沥青铀矿是在21亿年以前形成的，我计算过随n而变的p、f、n和K_∞的值，结果列在表3里。如果该集合物的尺寸比如说大于几英尺厚，则该体系就可能很易变成核物理上“不稳定”的体系。虽然这些计算清楚不过地证明了，在地球的地质演变过程中自然界里可能存在着核反应堆，但人们一般还是把我的意见看作是一种纯粹的推测。五十年代的科学家们坚定地相信自然界里的²³⁸U/²³⁵U之比是固定不变的。虽然只有很少的世界上不同地方的铀矿石的²³⁸U/²³⁵U之比的数据已经公开发表，但科学家们相信，数以千计的有关铀同位素组成的保密数据还保存在政府实验室的某些地方。

大约就在我的论文出现的同时，法国原子能委员会的研究工作者在现在的非洲加蓬共和国的Oklo发现了一种新的铀矿沉积物。正巧，Oklo的铀矿石给证实我的理论提供了必要的实验证据。如果在那时用质谱法仔细地检验Oklo有代表性的铀样品的话，则表明该矿石²³⁵U贫化的铀同位素组成的反常现象是肯定会被注意到的。

但是，就在十六年以后即1972年，法国的研究者们竟然发现了这样一种反常现象。1972年9月25日，世界科学界获悉由法国原子能委员会的研究工作者所做的一项令人惊奇的发现，他们在非洲加蓬共和国的Oklo沉积物里发现了同位素组成反常的铀，它使人们得出这样的结论，即在遥远的过去曾经发生过自持核链式反应。该反应点由几个很富的铀矿石矿体组成，反应中涉及到的铀有500多吨，释放出来的能量约等于100×10⁹千瓦小时。在某些点上，积分中子通量超过1.5×10²¹中子/cm²，已经发现有些样品中的²³⁵U同位素浓度低达0.29%，而天然铀中的²³⁵U为0.72%。这些结果是法国三个研究小组在“Comptes Rendus Hebdomadaires Seances Academic des Science”杂志上报道的，这三个小组是Bodu等人、Neuilly等人、Baudin等人。表4列出了Neuilly等人所得到的一部分实验数据。

直至最近，科学家们仍然相信元素只是在恒星里产生的，但Oklo现象的发现揭示了几十亿年以前地球上也曾存在过核燃烧的事实。进一步研究这样一种核燃烧的遗物仿佛是拿着一把解决现今面对人类竞赛最紧迫问题之一的钥匙：如何对付二十世纪人类所开创的核燃烧产生的有害灰烬？因此，国际原子能机构（IAEA）认为，Oklo现象是国际合作进行基本研究的一个极好的题目，它还对加蓬政府和法国原子能委员会仅在此发现后三年就提出的举行一次专业讨论会的建议表示欢迎。

最近，Michel Maurette发表了一篇题名为“化石核反应堆”的极好评论。虽然我不打算在此讨论从最近对Oklo现象的研究得到的结果，但指出以下一点那是会令人感兴趣的，即天然反应堆的形成与我们地球这颗行星上生命的出现关系密切。按Maurette的看法，在Oklo发现的高浓度铀是一长串重复性分馏过程的最后产物，在这些过程里，氧作为一种氧化剂起着支配作用。人们一般假定，氧这种元素只是在2×10⁹年以前才由新的一代有生命的有机体吐进地球大气的。因此，引发核链式反应所需要的很高的铀浓度在年龄超过2×10⁹年的铀矿沉积物中大概是绝不会达到的，而化石核反应堆的出现也大概限定在一个比较窄的时间，其范围约在1 - 2×10⁹年以前，如表5所示。

早期太阳系中的钚 - 244

碘的长寿命同位素¹²⁹I是在1951年发现的，它通过β衰变而变成稳定的¹²⁹Xe。¹²⁹I的半衰期为1.7×10⁷年，比得上恒星里生成元素到地球诞生之间的时间间隔。如果¹²⁷I和¹²⁹I在恒星里产生的量近乎相等的话，则到目前为止放射性¹²⁹I可能已经完全衰变殆尽，因为它的半衰期比地球的年龄要短得多。这样一来，¹²⁹I的消失似乎就可以解释碘的原子量（126.9）现在比碲的原子量（127.60）小的事实。

但是，这样一种过程往往由于加浓¹²⁹Xe的相对丰度会产生一种降低氙的原子量（131.30）的效应。为了抵消这样一种效应的效果，我感到有必要考虑这样的可能性，即由于增添了裂变过程产生的重同位素^131-136Xe，氙可能变得“更重”了：

看来在地球早期演变过程中存在以下两种可能性：（1）地球上可能一直发生着自持铀链式反应和/或（2）一些未知的超铀元素可能一直在通过自发裂变衰变着。我分别在1956年和1960年发表的两篇论文里讨论过这些可能性。

关于第二种可能性，即一些超铀元素可能在地球的早期演变过程中一直通过自发裂变衰变着，Seaborg及其同事在1951年就察觉到这样的事实：当时尚待发现的94号元素的同位素²⁴⁴Pu，其半衰期可能长达1亿年，如果是这样的话，它就有可能迄今仍残留在地球上。因此曾在几种铀、钍和稀土矿中探寻过²⁴⁴Pu，但这些矿石中均未含有可检测量的²⁴⁴Pu。

1954年，在1952年11月于南太平洋进行的热核试验的碎片中发现了这种长寿命的钚同位素。这种新发现的²⁴⁴Pu的半衰期原来是0.82亿年，即为地球年龄的1/56，现在人们认为地球的年龄是46亿年。因此，到五十年代中期事情就变得很清楚了，原生的²⁴⁴Pu已经衰变到只剩下它初始丰度的几乎无穷小的一部分，因而现在试图在地球上探测到它的活动应当说是徒劳无益的。

Bubidge及其同事的一篇题名为“钘-254和超新星”的论文出现于1956年；他们提出，半衰期为55天的²⁵⁴Cf的自发裂变可能是造成Ⅰ类超新星光衰减曲线形成的原因，这些曲线具有半衰期为55夜的指数形式。按照这些天体物理学家的观点，Tc在红巨星和Cf在Ⅱ类超新星里的存在似乎是观测到的证据，它证明以快、慢两种时标进行的中子俘获过程对于合成宇宙观测丰度的这种元素是必要的。

与此同时，1957 ~ 1958年冬季的一天，阿姆斯特丹的核物理研究所（Instuut Voor Kernphysisisch Onderzok in Amsterdam）的小A. H. W. 阿坦访问了阿贡国立实验室并开了一次讨论会，我参加了这次演讲会并留心听了阿坦当时就元素的年龄问题要说的话。

阿坦把超铀核的生成分成四个阶段，超铀核现今是以铀和钍的形式存在的。在第一阶段里先生成核，其中有许多中子明显地过剩。这些核被称之为“原生核”。在以后的年代里，这些核通过β衰变而变成β稳定的同量异位素。在β稳定化以后存在下来的量称之为“稳定量”。到这时开始“快”α过程；这些过程比β衰变要慢得多，但比²³⁸U、²³⁵U和²³²Th的“慢”α衰变又快得多。在这段时间里，²³⁸U、²³⁵U和²³²Th的衰变可以忽略不计。这些快α过程中，有一些后边紧跟着更快的β衰变，最后生成的产物是，²³⁸U、²³⁵U和²³²Th。与元素总的现有年龄相比，这第一和第二时期都是很短的，看起来仿佛我们有充分的理由可忽略它们的持续时间。但是阿坦就这一点进而讲了以下的话：“快”α衰变中最慢的是²⁴⁴Pu的α衰变，如果不考虑现有的²³²Th只有较少部分起源于或者是穿过这个核素的事实的话，它起的作用可能很小。

我认为阿坦所讲的这番话是很有趣的。在我看来，在地球生成后不久自然界里一定存在着大量的²⁴⁴Pu，如果是这样的话，²⁴⁴Pu可能部分通过自发裂变衰变，产生地球大气中的重氙同位素（图1）。

为了检验这个想法，只需把地球大气中氙的同位素组成和如像陨石那样的地球外的样品中的氙同位素组成进行比较即可。稀有气体质谱仪能使人们完成这样的实验，大致就在这时，伯克利加利福尼亚大学物理系的Job H. Reynolds恰好正在建造这种仪器。三年以后即在1960年，Reynolds作出了重大的发现：Richardton陨石中提出的氙中¹²⁹Xe高度浓缩；他把这种浓缩现象归因于在太阳系期演变过程中17×10⁶年¹²⁹I的衰变结果。

如果在早期太阳系中存在过17×10⁶年的¹²⁹I，则在期太阳系中也应该存在有82×10⁶年的²⁴⁴Pu，而从这种陨石中提取出来的氙应该在氙的重同位素方面得到浓缩。但是，当把Richardton陨石中氙的同位素组成与大气中氙的同位素组进行比较时发现情况正好相反：与大气中的氙相比，在陨石的氙中¹²⁹Xe被浓缩，但^131-136Xe却被贫化了。因此，Reynolds所得到的结果似乎表明在早期太阳系中并没有²⁴⁴Pu存在于自然界。然而，这个结论过于草率了。在1960年7月2日一期的《Nature》杂志上，我发表了一篇题名为“地球期演变过程中的核裂变”的论文，反倒为早期太阳系存在²⁴⁴Pu的观点争辩。

1960年，我提出已熄灭的²⁴⁴Pu自发裂变可能是造成在质量区131-136的一般氙反常现象的原因这样一种假说，自那以后已经有人报道了几个与陨石相比较重氙同位素得到浓缩的地球大气的实例。但是以前并没有获得确凿的证据证明在陨石里有裂变产生的^131-136Xe，根据高U-Th/低原生Xe陨石的理论预期应该是有的，这个问题直到1963年M. W. Rowe参加我的小组后才得到解决。当时罗是个大学毕业生，他现在在得克萨斯A&M大学（Texas A&M University）工作。Rowe那时决定寻找高U-Th陨石中有裂变氙存在的证据。他选了几种Th含量异乎寻常高的陨石来进行研究。这一组的第一个被测量的样品是一块4.45克巴萨曼特（Pasamonte）钙长辉长陨石，如表6所示，它的确含有裂变遗留下来的氙。

自那以后已经积累了大量支持早期太阳系中存在的证据。首先要引述的证据就是在Moore County和Toluca陨石中²⁴⁴Pu所产生的过量化石裂变径迹。1971年Alexander及其同事报道了最后的一个证据，证明在这些陨石中发现的裂变氙实际上就是²⁴⁴Pu自发裂变衰变的产物。他们用了13.0毫克的“纯”²⁴⁴Pu（PuO₂形式），并用质谱法测量了裂变遗留下来的氙同位素的相对产额。他们指出，这些结果几乎完全与根据陨石的氙数据推算出来的质量产额相符。

在此注意这样一点是很重要的，即²⁴⁴Pu现今在地球上并未完全绝迹，以下计算就可以表明这一点：令46亿年前的²⁴⁴Pu/²³⁸U之比是x，则现在该比率是（1/2）^56-1×x=3×10^-17×x。地球的总质量等于5.977×10²⁷克，而且我们可以假定地球的平均铀含量与球粒陨石中的相同（10 PPb），因此，铀的重量就是6×10¹⁹克。现今残留在地球上的²⁴⁴Pu总量一定是1800x克左右。

根据陨石中¹³⁶Xe/²³⁸U（f代表裂变遗留下来的，下同——译者注）的观测值可以得出x的值。按照Rowe和黑田的看法，巴塞曼特陨石中的^136fXe是3.2×10^-12 cm³标准温压/克，而铀含量为54 ppb简单的计算得出值x=0.004，因此现今残留在地球上的原生核²⁴⁴Pu的总量大约是1800×0.004=7克。

现今世界上的人造²⁴⁴Pu的总贮量尚不清楚，但这个量大概不会比残留在地球上的原生²⁴⁴Pu的量多许多的。许多研究者都在试图探测到地球矿物中的原生²⁴⁴Pu，但至今所得到的结果看来都是没有说服力的。

[Account of Chemical Research Vol. 12，2 1979]

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* P. K. 黑田是美国阿肯色大学的化学教授。他出生于日本的福冈，受教于东京帝国大学。1944年他在那里接受科学博士学位后被任命为教员。1949年他离开东京到美国。在到阿肯色大学之前，起初在明尼苏达大学当研究副手。本文的基础是黑田教授在G. D. Searls公司发起的1978年度美国化学学会核技术应用化学奖授奖会上的答词。

** 第一个人造反应堆建在芝加哥大学的足球场看台下一一译者注。